ЛОПАСТЬ ВЕТРОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована в конструкциях винтов роторов ветряных двигателей.
В настоящее время практический интерес представляет создание ветроустановок с горизонтальной осью вращения для регионов планеты, где среднегодовые скорости ветра соответствуют V=4-5 м/с, с большим коэффициентом использования энергии ветра ξ.
Известно изобретение «Винт Белашова», патент РФ №2046996, МКИ 6 F03D 7/00, опубл. 27.10.95 г., содержащий лопасть, снабженную в концевой части обтекаемым направляющим оперением с внутренней полостью, осью вращения, закрепленной в лопасти, и подпружиненным обтекаемым закрылком, установленным на оси вращения.
Недостатком известного является то, что в случае применения его в качестве винта ветряного двигателя эффективность обусловленная действием отталкивающей силы, которая будет приложена от внешнего основания саморегулирующего закрылка и направлена в противоположную сторону, вращающего момента винта, зависит только от скоростного напора ветряного потока, так как лопасти винта Белашова не содержат элементов саморегулирующей системы вращения от действия отталкивающей силы. Наличие этого недостатка ограничивает использование располагаемой мощности при небольшом ветре.
Известно техническое решение обеспечивающее безотрывное обтекание лопасти, в изобретении «Струйно-щелевая лопасть воздушного винта»,патент РФ №2081789, МКИ 6 В64С 11/00, опубл. 20.06.1997 г., содержащая каналы в виде щелей, выполненные вдоль лопасти и соединяющие ее поверхности с различными давлениями, причем каналы выполнены на конце лопасти и ориентированы на стороне разрежения по направлению циркуляции скорости вокруг лопасти. Недостатками этого изобретения является то, что выполнение каналов той формы, что предложено в изобретении, технологически сложно, а расположение каналов не является оптимальным для лопастей ветряных двигателей. Кроме того, это изобретение предназначено для работы в иных условиях, а именно, в условиях работы воздушного винта транспортных.
Решаемой задачей предлагаемой полезной модели является повышение коэффициента использования энергии ветра при малых скоростях ветра.
Лопасть ветроприемного устройства с горизонтальной осью вращения выполнена из пары элементов одинаковых по размерам и с одинаковыми несимметричными профилями с постоянной хордой по всей длине, причем они установлены относительно друг друга под углом и с зазором, образующим щель, с возможностью обтекания воздушным потоком близким к безотрывному, при этом элементы жестко соединены друг с другом по торцам.
При набегании воздушного ветрового потока на лопасть происходит профильное обтекание как внутренней, так и наружной ее поверхности, при этом лопасть, имеющая несимметричное поперечное профильное сечение по всей длине с углами атаки, зависящими от угла установки лопасти, оказывает возмущающее воздействие набегающему на нее ветровому потоку, создавая тем самым разность давлений между внутренней и наружной поверхностями лопасти, и соответственно, возникновение аэродинамических сил приводящих лопасть во вращение. Для получения высокого коэффициента использования энергии ветра необходимо получить такой профиль лопасти,
при котором подъемная аэродинамическая сила росла бы интенсивнее лобового сопротивления профиля, а это теоретически возможно при безотрывном обтекании профиля.
Для обеспечения условий обтекания профиля лопасти воздушным потоком близким к безотрывному в предлагаемой полезной модели лопасть выполнена из пары элементов одинаковых по размерам и с одинаковыми несимметричными профилями с постоянной хордой по всей длине, причем они установлены относительно друг друга под углом и с зазором, образующим щель, с возможностью обтекания воздушным потоком близким к безотрывному, при этом элементы жестко соединены друг с другом по торцам. Благодаря перепаду давления часть воздуха с нижней поверхности будет перетекать на верхнюю через щель. Вытекающие струи приведут к смещению точки отрыва пограничного слоя вниз по потоку. При этом коэффициент подъемной силы значительно возрастает. Из законов аэродинамики известно, что при безотрывном обтекании подъемная сила растет интенсивнее, чем лобовое сопротивление. Следовательно и окружное раскручивающее усилие, действующее непосредственно на лопасть в плоскости ее вращения, тоже будет расти интенсивнее, чем тормозящее усилие. А это создает условия для значительного роста крутящего момента лопасти и следовательно, мощности двигателя. Из теории расчета ветряного двигателя известно, что коэффициент использования энергии ветра и мощность ветродвигателя находятся в пропорциональной зависимости. Отсюда можно предположить, что и коэффициент использования энергии ветра будет расти.
Для пояснения сущности рассмотрим фиг.1 - Схема лопасти ветроприемного устройства, где
1 - лопасть (крыло)
2 - первый элемент лопасти
3 - второй элемент лопасти.
Расчетно-экспериментальными методами, проведенными в отделе аэрогидродинамики ИАТТ КГТУ им. А.Н.Туполева получены результаты исследований трех моделей ветроприемных устройств с двумя, тремя, и четырьмя лопастями.
Исследования проводились в соответствии с теорией подобия в эталонной аэродинамической трубе Т-1К ИАТТ КГТУ им. А.Н.Туполева. Углы установки лопасти и ее элементов, а также размер щели определены расчетно-экспериментальным методом. Результаты исследований показали, что на всех моделях получены максимальные значения ξ=0,45-0,47 по сравнению с известными ветроустановками с горизонтальной осью вращения, у которых ξ=0,3. Наименьшей тихоходностью при указанных ξ обладает четырехлопастное ветроприемное устройство с u=2,5, трехлопастное имеет значение u=3,0, а двухлопастное u=3,5-4,0. Перерасчет результатов эксперимента на натурные ветроприемные устройства показал, что разработанные варианты имеют меньшие абсолютные размеры и могут эффективно работать в режиме при среднегодовых скоростях ветра V=4-5 м/с.
Сравнивая с известными аналогами предлагаемая полезная модель лопасти ветроприемного устройства с горизонтальной осью вращения позволяет управлять полной аэродинамической силой и имеет высокий коэффициент использования энергии ветра, кроме того лопасть имеет простую конструкцию, что значительно упрощает технологию изготовления, и следовательно снижает экономические затраты.