ВЕТРОРОТОР Российский патент 1997 года по МПК F03D5/00 F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветророторам, преобразующим энергию ветра во вращение ротора.

Известен ветроротор авт.св. СССР N 1225912 кл.F 03 D 5/00, Автор Смульский И.И. опубл. 23.04.86, Бюл. N 15), содержащий ступицу и закрепленные на ней винтовые лопасти (прототип).

Известен ветроротор (патент Франции N 2464386 кл. F 03 D 5/00, опубл. 1981), который также включает ступицу и закрепленные на ней винтовые лопасти. При этом лопасти выполнены из гибкого материала, типа ткани, который присоединен к радиальным стержням, установленным вдоль винтовой линии с некоторым шагом. Лопасти передают ветровую нагрузку ступице через стержни. Ступица воспринимает центробежные нагрузки от лопастей и стержней, а также изгибающие усилия. В этом случае лопасти не участвуют в работе ротора на изгиб. Поэтому ступица должна быть достаточно прочной и массивной, а ротор - тяжелым.

Известен ротор с винтовыми лопастями (шнек), используемый в качестве шнека для подачи сыпучих материалов. (Григорьев А.М. Винтовые конвейеры М. Машиностроение, 1972, с.4), который включает ступицу диаметром d и закрепленные на ней винтовые лопасти диаметром D. Лопасти состоят из секторов длиной равной длине винтовой линии 1, которая, как известно, определяется соотношением

где S-шаг винта;
r расстояние от оси ротора.

Сектора лопастей изготавливаются из плоской кольцевой заготовки внутренним d₀ и наружным диаметром D₀, которые определяются соотношениями

D₀=d₀+(D-d), (3)
и из которой удален сектор, угловым размером в радианах равным

Плоский кольцевой сектор растягивается за концы на величину шага S, присоединяется к ступице, а затем подправляется вручную или обкаткой в специальных приспособлениях.

Известно, что радиус кривизны винтовой линии определяется соотношением

Радиус кривизны заготовки в этом способе снаружи лопасти равен D₀/2 а внутри d₀/2, т. е. отличается от геометрически правильного (5). Кроме того длины винтовых линий, полученные в заготовке и равные l₃=(π-β)•2r, совпадают с геометрически правильной длиной винтовой линии (1), только для внутреннего d₀ и наружного диаметра D₀, как это следует при подстановке r=0,5d₀, r=0,5D₀ согласно (2) и (3). Поэтому при такой конструкции ветроротора, в котором, в отличие от шнека, для подачи материалов лопасть является более тонкой δ/D<1•10^-3 (δ толщина лопасти) и более высокой D/d > 3.5, винтовая лопасть получается неровной, с изломами в местах соединений секторов и гофрами у ступицы, а также приобретает конусовидную форму. Это значительно ухудшает аэродинамические и прочностные характеристики ротора.

Целью настоящего изобретения является создание легкой, прочной и уравновешенной конструкции ротора.

Для осуществления этой цели винтовые лопасти выполнены из отдельных плоских секторов, а ступица представляет собой цилиндрическую обечайку, подкрепленную изнутри стрингерами и поперечными дисками (шпангоутами), в которых в центре выполнены юстировочные отверстия. Сектор выполнен по дугам окружности радиусом равным радиусу кривизны винтовой линии r с длиной хорды 2b и высотой h, которые определяются следующими соотношениями

b = ρsin0,5ρ;

где S шаг винтовой линии;
r расстояние винтовой линии от оси ротора
ρ угол дуги окружности радиусом равным p;
b половина хорды этой дуги;
n число секторов на шаге винтовой линии;
D диаметр ротора;
d наружный диаметр ступицы.

На фиг. 1 изображен общий вид ротора; на фиг. 2 поперечный разрез ротора; на фиг. 3 продольный разрез левого конца ротора; на фиг. 4 - заготовка-сектор лопасти.

Ротор состоит из цилиндрической обечайки 1, которая изнутри подкреплена продольными стрингерами 2 и поперечными дисками 3, в которых выполнены юстировочные отверстия 4. По концам ротора к двум крайним поперечным дискам 3 присоединены цапфы 5, выполненные также с юстировочными отверстиями 4. К наружной поверхности обечайки прикреплены уголки 6 известными способами (контактная сварка, на заклепках и т.д.). Сектора лопасти 7 известными методами соединяются между собой и с уголками 6 образуют винтовую лопасть. На фигуре 4 показано, что внутренняя и наружная дуги секторов выполнены радиусами r_вн и ρ_нар, соответственно, которые определяются радиусом кривизны винтовой линии (5) при r=0.5d и r=0.5D, соответственно. Высота сектора заготовки равна высоте винтовой лопасти 0.5(D-d).

Ротор изготавливается следующим образом. Многие детали ротора (сектора, стрингер, шпангоуты и др.) имеют однотипные размеры, в соответствии с которыми в них выполняются сборочные и юстировочные отверстия. Наружный диаметр шпангоутов 3 выполнен соосно юстировочным отверстиям 4. Цапфы 5 соединяются с двумя шпангоутами 3 и центрируются относительно юстировочных отверстий 4. Затем в ложементы устанавливаются цапфы в сборе с двумя шпангоутами и промежуточные шпангоуты 3 и соосность их контролируется по юстировочным отверстиям 4. Затем шпангоуты известными способами соединяются с стрингерами. В результате жесткий каркас ступицы, наружная поверхность которого, образованная диаметром шпангоутов, осесимметрична оси ротора. На шпангоуты наворачивается обечайка 1, которая соединяется со шпангоутами и стрингерами. По винтовым линиям на обечайке прикрепляются уголки 6, к которым затем прикрепляются сектора лопасти 7. Последние, в свою очередь, соединяются между собой по сборочным отверстиям. Соосность обечайки обеспечивается наружными диаметрами шпангоутов, а расстояние секторов от оси по наружной поверхности обечайки.

Так как сектора очень тонкие, то при соединении их между собой искривление их из плоской формы в криволинейную происходит в пределах упругой деформации и не требует значительных усилий. Например, при относительной толщине сектора δ/D = 5•10^-4 и количестве секторов на шаге n=10 стыковка секторов осуществляется без дополнительных приспособлений для увеличения силы прижатия. Чтобы не допустить неосесимметричность масс, длина ротора выполняется кратной шагу винтовой линии. На каждом шаге контролируется вызванная стыковкой секторов погрешность набегания и устраняется. После установки подшипниковых узлов и соединения с электрогенератором ротор будет преобразовывать энергию ветра в электроэнергию в соответствии с пат. Росси N 1225912.

Выполненный по этой конструкции ротор состоит из тонкостенных элементов, например, при D=1 м он изготавливается из дюраля δ=0.5 мм. Поэтому при больших размерах он имеет малый вес. Это во-первых. Во-вторых, винтовые лопасти для ступицы являются внешними ребрами жесткости, в результате чего ступица приобретает как локальную прочность в промежутке между лопастями, так и общую. Винтовая лопасть в радиальном направлении состоит из ряда винтовых линий. Известно, что винтовая линия на цилиндрической поверхности соединяет две точки по кратчайшему расстоянию. Поэтому любая деформация винтовой лопасти вызывает увеличение этого расстояния, т.е. винтовая лопасть работает на растяжение. Поэтому при малой своей толщине она устойчиво противодействует любым нагрузкам. И в целом такой ротор представляет собой прочную и жесткую конструкцию, все элементы которой воспринимают и центробежную нагрузку и изгибающий момент. В третьих, элементы, из которых состоит ветроротор, позволяют сделать конструкцию с симметрично разнесенными массами относительно оси ротора, т.е. уравновешенную.

Использование: применяется в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ступица ветроротора состоит из цилиндрической обечайки, подкрепленной изнутри продольными стрингерами и поперечными дисками /шпангоутами/, в которых выполнены юстировочные отверстия. В предложенной конструкции винтовая лопасть выполнена из плоских секторов, размеры которых рассчитываются как элементы геометрически правильной винтовой поверхности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветроротор, содержащий ступицу и закрепленные на ней винтовые лопасти, выполненные из отдельных плоских секторов, отличающийся тем, что ступица состоит из цилиндрической обечайки, подкрепленной изнутри продольными стрингерами и поперечными дисками (шпангоутами), в которых выполнены юстировочные отверстия. 2. Ветроротор по п.1, отличающийся тем, что вектор выполнен по дугам окружности радиусом, равным радиусу кривизны винтовой линии Р с длиной хорды 2b и высотой h, которые определяются следующими соотношениями:

b = P•sin 0,5Φ;

n 0,5(D d),
где S шаг винтовой линии;
r расстояние винтовой линии от оси ротора;
Φ угол дуги окружности радиусом, равным Р;
b половина хорды этой дуги;
n число секторов на шаге винтовой линии;
D диаметр ротора;
d наружный диаметр ступицы.