ЛОПАСТЬ ВИНТА ВЕТРОГЕНЕРАТОРА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ТИПА
PROPELLER BLADE OF HORIZONTAL-TYPE WIND GENERATOR

Изобретение относится к конструкции сборных многослойных лопастей для энергетических установок и может быть использована в конструкциях ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения, предназначенных для обеспечения электроэнергией электросетей бытового и промышленного назначения, потребляющих электроэнергию малой и средней мощности.
Наиболее распространенным типом ветроэнергетической установки является ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью, которая, как правило, оснащена тремя лопастями ротора, причем также возможны ветроэнергетические установки с одной, двумя, четырьмя или большим количеством лопастей ротора.
Подобные ветроэнергетические установки имеют большие конструктивные формы, для того чтобы, с одной стороны была, возможность достигать более высокую номинальную мощность, а с другой стороны делать возможным лучшее использование ветра. Используются лопасти различных геометрических контуров, выполненных в основном из стали или облегченных композитных материалов.
Обычно лопасти винта получают способом формования, в котором волокнистые материалы и/или материалы сердцевины, в частности, бальзовая древесина, укладываются в форму для получения элемента лопасти винта, и туда подается отверждаемая смола, с образованием воспринимающего нагрузку композитного материала. В качестве смолы при получении лопастей винта часто применяются эпоксидные смолы. Они вполне пригодны для формирования основы лопасти винта из волокнистого материала и смолы.
Такие лопасти имеют ряд существенных недостатков. В частности, низкая прочность на докритических и критических параметрах нагрузки; высокая трудоемкость изготовления; низкая эффективность в работе; низкая надежность (коробление поверхности со временем); плохие аэродинамические характеристики.
Лопасти винтов для ветроэнергетических агрегатов (ВЭА) в своей работе подвергаются воздействию ветрового давления, эрозии, колебаний температуры, УФ-облучения, а также высоких нагрузок атмосферных осадков.
При скоростях на концах лопастей до 300 км/час находящиеся в воздухе песчинки, частицы соли, насекомые, дождевые капли или другие взвешенные частицы проявляют абразивное действие. Особенно сильное воздействие этого испытывает поверхность лопастей винта в области передней кромки, и в этих местах это приводит к износу поверхности винта и тем самым к потере аэродинамических характеристик и стабильности. Чтобы сократить эрозию концов лопастей и связанных с этим затрат на техническое обслуживание и ремонт, можно ограничивать максимальное число оборотов установки, что, конечно, приводит к снижению мощности. Поэтому целесообразнее повышать эрозионную стойкость лопастей винта и снижать затраты на их ремонт за счет удобной конструкции лопастей.
В результате проведенного патентного поиска отобраны следующие патенты.
Известно для защиты лопастей винта от воздействия погодных условий и, в особенности, от эрозии использование поверхностного слоя из гелевого материала (гелькоута) (пат. DE 10344379) или наклеивание на лопасть винта полиуретановой пленки. Недостатком такой лопасти является то, что при способе ее изготовления нужно выдерживать минимальную продолжительность обработки до того, как гелькоут-смесь прореагирует настолько, что может покрыть волокнистый материал.
Известен композитный элемент (US 2009/0208721 А1), который состоит из трех слоев: первый слой из дуропласта. Второй и третий слои из термопласта. Слой из дуропласта и второй (средний) слой из термопласта снабжены волокнами.
Известен ветрогенератор с горизонтальной осью вращения, включающей ротор, ветроколесо, статор и установленную лопасть, имеющую выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращенный своей выпуклой частью наружу (от оси вращения ветроколеса). Лопасти могут быть выполнены из алюминия, стекловолокна, стеклотекстолита, текстолита, стеклопластика, эпоксидной смолы или комбинации, по меньшей мере, двух приведенных материалов (пат. Украины №110606).
Основным недостатком данного технического решения является недостаточная эффективность использования энергии набегающего воздушного потока.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности, является лопасть ветроколеса (ПМ РФ №147728), имеющая симметричный профиль, отличающаяся тем, что ее противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения, причем поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем значение коэффициента теплопоглощения слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти, при этом поверхности лопасти отделены друг от друга термоэкраном, выполненным из механически прочного материала, обладающего теплоизоляционными свойствами. Термоэкран может быть выполнен, например, из пеностекла.
Недостатками лопасти являются недостаточно высокое значение коэффициента подъемной силы, действующей на лопасть ветроколеса, имеющей симметричный профиль, низкий коэффициент использования энергии ветра, трудность замены вышедшей из строя лопасти.
Задачей предлагаемого технического решения является создание сборной лопасти винта с высокой износостойкостью и устойчивостью к истиранию, и одновременно иметь высокую долговечность, что позволяющего повысить эффективность преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения и снизить затраты на эксплуатацию ветрогенератора.
Технический результат предлагаемого технического решения - повышение коэффициента использования энергии ветра, увеличение продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока, при необходимости возможность замены лопасти как целиком так и послойно. Предлагаемое лопасть позволяет снизить динамическую нагрузку на ротор ВЭУ и его элементы, уменьшить вследствие этого материалоемкость конструкции, расширить диапазон рабочих скоростей и направлений ветра, а также обеспечить для каждой лопасти режим обтекания с наименьшей динамической нагрузкой.
2
Технический результат достигается за счет использования лопасти винта ветрогенератора горизонтального типа, имеющей две разъемные пластины, каждая из которых выполнена из механически прочного материала, при этом передняя пластина выполнена с перфорацией, занимающей 60-80% поверхности от широкого края и плотностью отверстий 2-3 на 10 см, пластины закреплены на рифленой цилиндрической опоре, внутри которой установлена фигурная вкладка из эластичного гофрированного материала, на внешней поверхности опоры установлены кольца крепления для пластин, крепежные втулки для установки лопасти на роторе ветрогенератора и в верхней части опоры противовес, при этом пластины соединены между собой съемным лезвием.
Предлагаемое техническое решение лопастей поясняется на следующих фигурах.
Фиг. 1 - общий вид ветрогенератора горизонтального типа: а) - вид спереди, б) - вид сбоку, где 1 - лопасть, 2 - ротор, 3 - мачта ветрогенератора, 4 - гондола.
Фиг. 2 - элементы лопасти: а) общий вид передней пластины, где передняя пластина - 5, перфорация - 6, отверстия для крепления - 7; б) общий вид опоры лопасти и задней пластины, где задняя пластина - 9, лезвие - 8, опора - 10, кольца крепления - 11, крепежная втулка - 12, противовес - 13; в) общий вид кольца крепления 11; г) общий вид крепежной втулки 12.
Фиг. 3 - опора лопасти, где внешняя рифленая поверхность опоры - 14, фигурная вкладка - 15.
Фиг. 4 - общий вид лопасти с указанием угловой ловушки - 16.
Фиг. 5 - разрез лопасти перпендикулярно оси.
Предлагаемые лопасти лишены всех вышеперечисленных выше недостатков. Лопасти имеют конструкцию, которая намного эффективнее существующих аналогов. Причина заключается в особой конструкции рабочих поверхностей, соединенных между собой под различными углами.
Поток ветра, проходя через фазированные отверстия в передней пластине (5) попадает на отражающие элементы на задней пластине (9) и частично отражаются от поверхности задней пластины, частично от угла между пластинами, создавая дополнительную реактивную силу.
2
Передняя пластина (5) выполнена с перфорацией, занимающей 60-80% поверхности от широкого края и плотностью 2-3 отверстия на 10 см. Через пустоты переднего слоя (5) ветровые потоки могут проходить, отдав примерно 40-50% своей энергии на кинематику и давление на поверхность лопасти. Причем, отверстия первого слоя выполнены таким образом, что захватывают эффективно энергию ветровых потоков с любого направления прихода ветрового потока - от 3 градусов до 85 градусов угла падения на поверхность. Задняя пластина (9) забирает половину от пришедшего на него ветрового потока после барьера передней пластины (5). Причем, часть сигнала попадает в угловую ловушку (16) между передней и задней пластинами в нижней части лопасти и после удара инвертируется по фазе, создавая дополнительную тягу реактивного типа между передней и задней пластинами.
Титановая накладка в виде острого лезвия (8), которое рассекает воздушный поток в верном направлении. Это лезвие является съемным и помимо аэродинамической функции выполняет защитную, предохраняя от воздействия пылевых агрессивных частиц основные поверхности лопасти.
Предложенная конструкция опоры лопасти (10) в виде рифленого цилиндра, внутри которого установлена фигурная вкладка из эластичного гофрированного материала, усиливает ее в несколько раз. Таким образом, лопасти отличаются высокой механической и термической устойчивостью при незначительном удельном весе, и поэтому очень хорошо пригодны для формирования основы лопастей винтов.
Предлагаемые лопасти являются заменяемыми как целиком, так и ее элементами. Сломанная лопасть и лопасть отслужившая свой срок выбрасывается.
Лопасти просты в изготовлении, что делает ее более конкурентной в отношении стоимости на рынке.
Лопасти для ветрогенераторов выполнены из противоударного морозостойкого полимера или материалов, имеющих сходные характеристики по прочности и стойкости к широкому диапазону температур. Основа лопасти имеет телескопическое строение.
Технология изготовления позволяет снизить себестоимость производства и повысить прочностные характеристики в несколько раз.
Детали лопасти изготавливаются несколькими методами: литьем в пресс-формы на ТПА, вакуумным формованием и фрезерованием. Пластины лопасти (5 и 9) крепятся к опоре (10) с помощью крепежного кольца (11). На переднюю пластину (5) и заднюю пластину (9) крепится лезвие (8), соединяя, таким образом, все элементы лопасти. На опоре (10) могут также устанавливаться некоторые конструктивные элементы, например, сигнальные маячки и противообледенительные нагревательные элементы.
Предпочтительно, чтобы пластины в сборке независимо друг от друга, имели толщину от 1 до 5 мм.
2
2
Были испытаны две лопасти с габаритами 671 × 98 см и с толщиной пластин 2 мм. Одна передняя пластина лопасти с перфораций, занимающей 60% поверхности от широкого края и плотностью отверстий 2 на 10 см. Другая передняя пластина, занимающей 80% поверхности от широкого края и плотностью отверстий 3 на 10 см.
Собственными исследованиями было показано, что предлагаемая конструкция лопасти имеет очень хорошее соотношение между характеристиками устойчивости к износу и истиранию и весом композитных материалов. При тестировании лопастей было подтверждено, что предлагаемая конструкция имеет преимущества по мощности (увеличенная площадь взаимодействия) по сравнению с обычными лопастями на 25-30%, в том числе и на малых оборотах.