ЛОПАСТЬ ВЕТРОКОЛЕСА Российский патент 1995 года по МПК F03D1/06 F03D3/06 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в рабочих колесах гидромашин, ветродвигателей.

Известен ветроэлектрический агрегат, содержащий ветроколесо с полыми лопастями, установленное на полой башне с окнами, внутри которой закреплены турбина с генератором, причем на конце каждой лопасти установлен насос, например, струйный, снабженный регулятором скорости вращения ветроколеса. При этом проточная часть насоса образована двумя диффузными каналами, выполненными соосно под углом к оси лопасти и соединенными кольцевым каналом с полостью последней, а регулятор скорости выполнен в виде подпружиненной заслонки с грузом, встроенной в стенку одного из диффузоров [1]
Недостатками ветроэлектрического агрегата являются его конструктивная сложность, низкий коэффициент использования энергии ветра, а также ограниченная область его применения.

Известна лопасть (прототип), содержащая первичное крыло, на носке которого установлено вторичное крыло или предкрылок с возможностью движения между рабочим и холостым положениями [2] В рабочем положении предкрылок (вторичное крыло) расположен относительно первичного крыла с промежутком, через который может проходить поток воздуха.

В холостом положении предкрылок плотно прилегает к носку первичного крыла и фактически действует в качестве этого носка. Предкрылок смещается в рабочее положение под действием усилия пружин и возвращается в холостое положение, преодолевая это усилие под действием центробежной силы.

Основным недостатком известной лопасти является низкий коэффициент использования энергии ветра, обусловленный тем, что аэродинамическая сила, вращающая ветроколеса, возникает, преимущественно в случае набегающего ветрового потока. Кроме того, недостатком известной лопасти является возникновение концевых вихрей на ней, что в результате приводит к торможению лопасти.

Цель изобретения устранение указанных недостатков и повышение коэффициента использования энергии ветра путем дополнительного ветрового потока и предотвращения концевых вихрей, возникающих на концах лопасти.

Цель достигается тем, что элементы лопасти ветроколеса выполнены в виде жестко связанных между собой лобовой части, обтекателя и хвостовика, установленных соосно с образованием кольцевых каналов, при этом хвостовая часть и хвостовик образованы вращением вокруг оси крылового профиля соответственно положительной и отрицательной кривизны, обтекатель выполнен в виде тела вращения с конусообразной и полусферической частями, направленными к хвостовику и лобовой части соответственно, а торцы последних выполнены открытыми.

На фиг. 1 изображен общий вид заявляемой лопасти, продольный разрез; на фиг.2 параллелограмм сил, воздействующих на лопасть в случае, когда ветровой поток направлен параллельно оси симметрии в торцевое отверстие лобовой части; на фиг.3 параллелограмм сил, воздействующих на лопасть, когда ветровой поток направлен параллельно оси симметрии в торцевое отверстие хвостовой части; на фиг.4 ветровой поток, направленный перпендикулярно оси симметрии в кольцевой зазор между лобовой и хвостовой частями; на фиг.5 общий вид рабочего колеса ветродвигателя с лопастями, установленными по отношению друг к другу под углом 120^о; на фиг.6 сечение Б-Б на фиг.5; на фиг.7 внешний ветровой поток направлен под углом 45^о к оси симметрии лопасти.

Предлагаемая составная лопасть выполнена в виде аэродинамического профиля и включает расположенные последовательно на одной оси симметрии с образованием воздушных каналов между собой разъемные элементы: лобовую часть 1, обтекатель 2 и хвостовик 3, каждый из которых представляет собой тело вращения. Причем лобовая часть 1 представляет собой тело вращения, образованное вращением крыловидного профиля, например профиля Жуковского, с положительной кривизной, т.е. выпуклостью наружу, вокруг оси симметрии 4. Хвостовик 3 также представляет собой тело вращения, образованное путем вращения вокруг оси симметрии 4 элемента крыловидного профиля с отрицательной кривизной, т.е. выпуклостью вовнутрь. При этом лобовая часть 1 соединена неподвижно (любым из известных методов, например, с помощью тяг) с обтекателем 2 с образованием между ними воздушных каналов 5 и 6. Хвостовик 3 аналогичным образом соединен с обтекателем 2 с образованием между ними воздушным каналов 7 и 8. Последовательно соединяясь между собой, каналы 5, 6, 7 и 8 образуют контур, по которому перемещается ветровой поток, поступающий в него через отверстия 9 и 10 соответственно лобной части 1 и хвостовика 3.

Лобовая 1 и хвостовая 3 части установлены последовательно вдоль оси симметрии с образованием между ними кольцевого канала 11. Лопасти расположены равномерно по окружности рабочего колеса (фиг.5), например, под углом 120^о при помощи крепежного отверстия 12 в теле обтекателя 2 и полой горизонтальной штанги 13, кинематически связанной с опорной вертикальной штангой 14, установленной с возможностью вращения в опорном подшипнике 15.

Лопасть работает следующим образом.

Рассмотрим случай, когда направление ветрового потока совпадает с направлением оси симметрии (фиг.2).

В этом случае ветровой поток направлен в торцевое отверстие 9 лобовой части 1. На фиг.2 приняты следующие обозначения:
основной ветровой поток;
усредненный вектор воздушного потока в нижнем сечении 6 воздушного канала лобовой части 1;
= + вспомогательный вектор, перпендикулярный подъемной силе, возникающей в профиле лобовой части 1;
М₁N₁ условная линия параллельная вектору (линии действия);
подъемная сила, возникающая в нижнем профиле лобовой части 1;
тянущая сила, представляющая собой горизонтальную геометрическую проекцию подъемной силы.

Геометрические построения векторов сил, воздействующих на лопасть, выполнены на фиг.2 для нижнего сечения лобовой части 1. Аналогичные построения для верхнего сечения лобовой части 1 и для любого другого сечения лобовой части 1, проходящего через ось симметрии 4.

усредненный вектор воздушного потока в нижнем сечении канала 8 хвостовой части 2;
= + вспомогательный вектор, направленный перпендикулярно подъемной силе, возникающей в профиле хвостовой части 2;
M₂N₂ условная линия, параллельная вектору ;
подъемная сила, возникающая в нижнем профиле хвостовой части 2;
тянущая сила, представляющая собой горизонтальную геометрическую проекцию подъемной силы .

Геометрические построения векторов сил, воздействующих на лопасть, выполнены на фиг.2 для нижнего сечения хвостовой части 2. Аналогичные построения для верхнего сечения хвостовой части 2 и для любого другого сечения хвостовой части, проходящего через ось симметрии 4.

При входе воздушного ветрового потока через отверстие 9 в воздушные каналы 5, 6, 7 и 8 (фиг.2), он становится внутренним ветровым (воздушным) потоком , который на концевой внутренней кромке лобовой части 1 действует фактически как струйный насос (инжектор), препятствующий срыву ветрового потока с внешней поверхности и благоприятствующий возникновению циркуляции вектора вокруг профиля лобовой части. Аналогично выброс воздуха из отверстия 10 хвостовика 3 действует как струйный насос (эжектор) и препятствует срыву потока с внешней поверхности хвостовика 3, и благоприятствует возникновению циркуляции вектора вокруг профиля хвостовика 3. Аналогичная картина складывается и для остальных фигур 3 и 4, т.е. благодаря тому, что крыловидные элементы выполнены в виде тел вращения, они не имеют "концов", присущих обычному авиационному крылу, и поэтому в лопасти отсутствуют концевые вихри, оказывающие значительное сопротивление движению.

На чертежах в построении использованы только качественные характеристики векторов, т.е. учитываются только их направления, а не алгебраические величины, кроме того, не учтены силы сопротивления, возникающие от воздействия потока на лопасть.

В трехмерном пространстве имеется совокупность подъемных сил , образующих условно два усеченных конуса (для лобовой части 1 и хвостовика 3), расширенные части, т.е. большие основания которых направлены в сторону направления движения (лобовой частью вперед).

Более сложная картина наблюдается, когда поток направлен не вдоль оси симметрии и не перпендикулярно ей (фиг.7).

Пусть, например, поток направлен под углом 45^о к оси симметрии. При входе внешнего ветрового потока в верхнюю часть торцевого отверстия, он в канале 7 становится внутренним воздушным потоком хвостовой части 3 и действует как струйный насос (инжектор), отсасывающий воздух из канала 5 лобовой части. Поток в канале 5 слабее, чем в канала 7. При входе внешнего ветрового потока в отверстие 9 лобовой части 1 он разбивается на два потока: один устремляется в канал 6 лобовой части, другой , под действием сил инжекции потока , в канал 5 лобовой части 1.

Поток воздуха действует как струйный насос (эжектор), усиливая поток .

Поток , выходя из канала 6, частично засасывается под действием в канал 8.

На фиг. 7 показан случай, когда > , так как в любом случае, когда > или < всегда угол между и близок к 90^о и поэтому min .

Нижняя часть хвостовика (фиг. 7) является плохо обтекаемым телом, за которым происходит отрыв внешнего потока с образованием застойной зоны, в которой давление постоянно. С другой стороны, в канале 8 происходит движение воздуха. По формуле Бернулли P/ρ +1/2V²=const.

Таким образом, у нижней кромки хвостовика давление Р_нижн равно полному давлению Р_нижн= ρ+1/2V², где p давление в канале 8. Отсюда Р_нижн-p=1/2 ρ V²>0, т.е. результирующая R₈ направлена примерно перпендикулярно хорде М₈N₈ профиля и ее геометрическая проекция Т₈ на горизонталь направлена в сторону лобовой части.

В любом случае направление результирующей Σ на фиг.7 будет такое же, как на фиг.1-3, хотя она будет ослаблена благодаря тому, что возможен один из случаев:
1) мал, направление такое же, как и других ;
2) мал, направление противоположно направлению остальных ;
3) =0.

Лопасть приводит рабочее колесо ветроустановки в движение в том случае, когда Σ больше сил сопротивления, под которыми подразумеваются силы сопротивления давления ветрового потока, трения ветрового потока и трения в подшипниках, а также тянущие силы, возникающие при дозвуковом обтекании тела вращения (лопасти), под некоторым углом атаки в связи с разрежением, которое образуется на передней кромке лобовой части 1 лопасти.

На фиг.2, 3, 4 и 7 наглядно видно, что образующийся в каналах 5, 6, 7 и 8 ветровой поток направлен по внутренней поверхности, вдоль внутренних кромок лобовой части 1, обтекателя 2 и хвостовика 3. Возникающая при этом подъемная сила (по теореме Жуковского) будет направлена перпендикулярно этому потоку. Она будет максимальной, когда ветровой поток направлен строго в торцевые отверстия 9 и 10 и будет ослаблен, когда основной ветровой поток направлен сбоку, в кольцевой канал 11 между лобовой частью 1 и хвостовиком 3.

Другими словами, при любом направлении внешнего ветрового потока и соблюдения условий, при которых сумма сил больше суммы сил сопротивления, предлагаемая лопасть при движении организуется лобовой частью 1 вперед, т.е. всегда одинаково.

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: элементы лопасти ветроколеса выполнены в виде жестко связанных между собой лобовой части, обтекателя и хвостовика, установленных соосно с образованием каналов, при этом лобовая часть, обтекатель и хвостовик выполнены в виде тел вращения, а торцы лобовой части и хвостовика выполнены открытыми. 7 ил.

ЛОПАСТЬ ВЕТРОКОЛЕСА, содержащая связанные между собой элементы, установленные с образованием канала, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента использования энергии ветра, элементы выполнены в виде жестко связанных между собой лобовой части, обтекателя и хвостовика, установленных соосно с образованием кольцевых каналов, при этом хвостовая часть и хвостовик образованы вращением вокруг оси крылового профиля соответственно положительной и отрицательной кривизны, обтекатель выполнен в виде тела вращения с конусообразной и полусферической частями, направленными к хвостовику и лобовой части соответственно, а торцы последних выполнены открытыми.