ЛОПАСТЬ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК F03D3/06 F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с осью вращения, совпадающей с направлением действия ветра и может быть использовано в судостроении.

Известны лопасти ветродвигателей, содержащие удлиненное тело крыльевого профиля. Такие лопасти имеют сравнительно небольшую эффективность. Повышение мощности ветродвигателей за счет простого увеличения длины лопастей приводит к серьезным проблемам обеспечения прочности и долговечности лопастей, защиты от разрушения при сильных ветрах.

Известны лопатки ветровой турбины, которые содержат в носовой части подпружиненный интерцептор на засасывающей поверхности или выдвижной интерцептор перпендикулярно хорде профиля со стороны нагнетающей поверхности. Интерцепторы снабжены приводами с управлением от компьютера. Это устройство недостаточно эффективно (подъемная сила) в рабочем режиме, сравнительно сложное управление интерцептором для ограничения частоты вращения ветродвигателя при сильных ветрах, необходим специальный привод.

Цель изобретения - повышение эффективности работы лопасти за счет увеличения подъемной силы и упрощения управления интерцепторами для ограничения частоты вращения при сильных ветрах.

Для этого поворотные интерцепторы установлены вблизи задней кромки лопасти: один интерцептор - перпендикулярно нагнетающей поверхности, другой - заподлицо - с засасывающей поверхностью лопасти. При этом оси вращения интерцепторов параллельны и кинематически связаны между собой (например, с помощью зубчатой передачи) так, чтобы обеспечивался одновременный поворот обоих интерцепторов в сторону задней кромки лопасти на угол 90^о. Причем одна или обе оси вращения подпружинены (к примеру с использованием упругих элементов или пружин, один конец которых крепится к оси или зубчатому колесу, другой - к телу лопасти). Оси вращения и элементы кинематической связи размещены в полости внутри задней части лопасти, которая выполнена в виде отделяемого от остальной части лопасти блока. По высоте лопасти может быть несколько таких блоков, работающих независимо друг от друга.

На фиг. 1а, б изображена предлагаемая лопасть, общий вид и ее профиль; на фиг. 2 задняя часть лопасти с механизацией, перечное сечение.

Лопасть с интерцепторами для ветродвигателей содержит тело крыльевого профиля 1, отделяемый от тела лопасти блок 2 (2а, 2б, 2в) с элементами механизации лопасти, поворотные интерцепторы 3 и 4, прикрепленные к осям вращения 5 интерцепторов, зубчатые колеса 6, насаженные на оси вращения 5, пружины 7, удерживающие интерцепторы 3 и 4 в рабочем положении, внутреннюю полость 8 в теле лопасти 1, обшивку лопасти 9.

Лопасть работает следующим образом.

При рабочей (допустимой) скорости ветра набегающий на лопасть поток тормозится перед интерцептором 3, благодаря чему возникает область повышенного давления перед ним и дополнительная подъемная сила P(3)доп

= C_y h₃V²(r)dr, где С3 - коэффициент подъемной силы при ; b - хорда лопасти; h₃ - высота интерцептора 3; r_o и r_к - расстояние нижнего и верхнего концов интерцептора от оси вращения ротора. Величина этой силы может доходить до 100% подъемной силы крыла. Дополнительная сила тяги лопасти Т(r) в плоскости ее вращения на радиусе r при этом составит T(r) = P_доп⁽³⁾sin α- Р_сопр⁽³⁾cosα, где P(3)соп_р= C_x hV²(r)dr -дополнительное сопротивление лопасти, вносимое интерцептором 3; α- угол атаки потока; С_х = 0,66 - коэффициент сопротивления интерцептора. В частном случае при С_у = 3 и С_х = 0,66 угол атаки для Т > 0 должен превышать 12^о. Сила сопротивления Р_сопр⁽³⁾, действующая на интерцептор 3 при допустимых скоростях ветра, уравновешивается силой пружины 7, при этом интерцептор под действием Р_сопр⁽³⁾ может повернуться на угол от вертикали, не превышающей 10^о. От этого дополнительная подъемная сила практически не изменится. При превышении допустимой силы ветра интерцептор под действием Р_сопр⁽³⁾(v > v_доп) повернется на больший угол, преодолевая силу пружины. В результате уже при угле поворота более 20^одополнительная сила Р_доп⁽³⁾ практически исчезнет. Одновременно ввиду кинематической связи осей обоих интерцепторов на такой же или больший угол повернется интерцептор 4. Набегающим на него потоком он будет поворачиваться дальше до угла 90^о, при этом связанный с ним интерцептор 3 займет положение, близкое положение 3^l . Сопротивление лопасти существенно повысится. Действительно, кроме силы сопротивления самого интерцептора 4, равной P(4)соп_р= C_x h₄V²(r)dr, произойдет снижение подъемной силы лопасти за счет появления на засасывающей поверхности зоны повышенного давления перед интеpцептором 4. При этом разрежение на засасывающей поверхности будет существенно уменьшено. При падении скорости ветра до допустимой величины интерцепторы из положений 3^l и 4^l под действием пружин 7 возвратятся в исходное состояние 3 и 4. При размещении интерцепторов 3 и 4 в носу лопасти (как у прототипа), добиться такого эффекта невозможно.

Использование: в ветровой энергетике. Сущность изобретения: лопасть ветродвигателя содержит профиль и поворотный подпружиненный интерцептор, расположенный в зоне выходной кромки и выполненный в виде двух связанных пластинчатых элементов, один из которых установлен заподлицо с одной из поверхностей профиля. Пластинчатые элементы связаны кинематически и снабжены параллельными осями вращения, при этом элементы кинематической связи укреплены на осях вращения и выполнены с возможностью поворота на угол, не превышающий 90 , пластинчатый элемент, расположенный заподлицо с поверхностью профиля, установлен со стороны подпорной поверхности, а подпружинена одна из осей или обе. Профиль выполнен составным из основной и выходной частей, причем последняя имеет полость, в которой размещены оси вращения и элементы кинематической связи. Выходная часть лопасти выполнена в виде нескольких независимых блоков. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ЛОПАСТЬ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащая профиль и поворотный подпружиненный интерцептор, расположенный в зоне выходной кромки и выполненный в виде двух связанных пластинчатых элементов, один из которых установлен заподлицо с одной из поверхностей профиля, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, пластинчатые элементы связаны кинематически и снабжены осями вращения, расположенными параллельно одна другой, при этом элементы кинематической связи укреплены на осях вращения и выполнены с возможностью поворота на угол, не превышающий 90^o, пластинчатый элемент, расположенный заподлицо с поверхностью профиля, установлен со стороны подпорной поверхности последнего, а подпружинена одна из осей или обе. 2. Лопасть по п. 1, отличающаяся тем, что профиль выполнен составным из основной и выходной частей, причем последняя имеет полость, в которой размещены оси вращения и элементы кинематической связи. 3. Лопасть по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что выходная часть выполнена в виде нескольких независимых блоков.