РОТОР ВЕТРЯНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках с вертикальной осью вращения ротора.

Известен ротор ветродвигателя (H-ротор Дарье), который содержит вертикальный вал, горизонтальные траверсы, соединенные с валом, и вертикальные лопасти крыльевого профиля, установленные параллельно валу на концах траверс (WO 95/09304 A1, МПК 6 - F 03 D 7/06, 06.04.95).

Недостатком известного технического решения является то, что для начала вращения ротора при минимальной скорости ветра 2,5...4 м/с используются выдвижные поворотные щитки, дополнительно увеличивающие площадь взаимодействия лопастей ротора с ветровым потоком, которые для создания дополнительной тянущей силы должны циклически принимать то вертикальное, то горизонтальное положение. При этом для циклического изменения угла поворота щитков применяется сложное устройство, а именно гидравлический или электрогидравлический привод с автоматическим управлением, что усложняет конструкцию и изготовление, снижает надежность и затрудняет эксплуатацию ветродвигателя в целом.

Известная конструкция ротора также не обеспечивает достаточно высоких значений КПД (коэффициента использования ветровой энергии), поскольку поворотные щитки выполнены в виде клапанных крышек, установленных на нижних или верхних торцах вертикальных лопастей ротора. При этом поворотные щитки не имеют крыльевого профиля и, следовательно, используют не аэродинамическую подъемную силу, а силу сопротивления для создания дополнительной тянущей силы. Это является малоэффективным, поскольку рабочие элементы ротора с крыльевым профилем, на которых возникает аэродинамическая подъемная сила, могут перемещаться со скоростью большей, чем скорость ветра, т.е. ротор при прочих равных условиях может быть более быстроходным и иметь лучшее соотношение эффективной мощности и массы. К тому же горизонтальные траверсы в известном роторе не создают дополнительной тянущей силы и не обеспечивают достаточно жесткой конструкции.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке ротора ветряного двигателя, имеющего улучшенные аэродинамические и эксплуатационные характеристики (а именно увеличение тянущей силы и коэффициента использования энергии ветра, уменьшение аэродинамической неустойчивости и сопротивления, увеличение жесткости и упрощение конструкции, повышение надежности и уменьшение массы ротора).

Указанные технические результаты достигаются тем, что в роторе ветряного двигателя, содержащего вертикальный вал и связанные с ним по меньшей мере две вертикальные лопасти крыльевого профиля, расположенные симметрично относительно оси вращения вала, согласно изобретению каждая лопасть связана с упомянутым валом посредством верхнего и нижнего профилированных полукрыльев, находящихся в одной вертикальной плоскости, проходящей через их продольные оси, и установленных под острым углом соответственно к валу и лопасти. При этом корневые части полукрыльев присоединены к валу через узлы крепления и разнесены по вертикали, а концевые части полукрыльев соединены через стыковочные узлы с лопастью и разнесены по ее вертикали с образованием верхней и нижней консолей лопасти и сочлененного крыла замкнутого силового контура в форме трапеции.

Кроме того, соединение верхнего и нижнего полукрыла соответственно с валом и лопастью может образовывать сочлененное крыло замкнутого силового контура в форме неравнобочной или равнобочной трапеции.

Расстояние между узлами крепления верхнего и нижнего полукрыла к валу может быть больше или меньше, чем расстояние между стыковочными узлами соединения верхнего и нижнего полукрыла с лопастью.

Верхние и нижние полукрылья могут иметь двояковыпуклый симметричный профиль.

Наряду с этим верхние полукрылья могут иметь двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной, а нижние полукрылья - двояковыпуклый несимметричный профиль с отрицательной кривизной.

Также верхние и нижние полукрылья могут иметь несимметричный профиль с положительной кривизной.

Рекомендуется ротор снабдить цельноповоротными концевыми щитками аэродинамического профиля, каждый из которых связан со стороны корневой части с центральной частью лопасти через стыковочные узлы с возможностью поворота относительно продольной оси из горизонтального в вертикальное положение.

Предусмотрено, что на законцовке каждого щитка может быть жестко закреплена дополнительная вертикальная лопасть крыльевого профиля.

Дополнительная лопасть может быть выполнена по типу крылышка Уиткомба.

Целесообразно щитки выполнить по конструктивной схеме лонжеронного крыла.

Лонжерон щитка может иметь трубчатую форму.

Предусмотрено, что каждый щиток может быть снабжен автоматическим поворотным механизмом, который включает в себя подшипники, размещенные во внутренней полости трубчатого лонжерона, и осевой торсион, установленный в упомянутых подшипниках, при этом один конец торсиона жестко связан посредством соединительного узла с центральной частью лопасти, а другой конец жестко скреплен с законцовкой (концевой частью) лонжерона.

Кроме того, каждый щиток может быть снабжен поворотным механизмом, который включает в себя подшипники, размещенные во внутренней полости трубчатого лонжерона, и установленный в подшипниках горизонтальный вал с хвостовиком, при этом хвостовик вала жестко связан посредством соединительного узла с центральной частью лопасти.

Наряду с этим ротор может быть снабжен системой автоматического регулирования частоты вращения ротора и исполнительным механизмом, кинематически связанным с поворотным механизмом каждого щитка.

На фиг. 1 изображен общий вид ротора ветродвигателя с сочленненым крылом в форме равнобочной трапеции и цельно- поворотными концевыми щиткам с дополнительными лопастями.

На фиг. 2 изображен общий вид ротора ветродвигателя с сочлененным крылом в форме неравнобочной трапеции и цель- ноповоротными концевыми щитками с дополнительными лопастями в форме крылышек Уиткомба.

Ротор ветряного двигателя содержит вертикальный вал 1 и вертикальные лопасти 2, расположенные параллельно валу и симметрично относительно оси вращения. Каждая лопасть 2 связана с валом 1 посредством верхнего и нижнего профилированных полукрыльев 3, 4, находящихся в одной вертикальной плоскости, проходящей через их продольные оси. Верхние и нижние полукрылья установлены под острым углом соответственно к валу 1 и лопасти 2. Корневые части полукрыльев 3,4 присоединены к валу 1 и разнесены по вертикали. Концевые части (консоли) полукрыльев соединены через стыковочные узлы с центральной частью лопасти 2 и разнесены по ее вертикали с образованием верхней и нижней консолей 5,6 лопасти 2 и сочлененного крыла замкнутого силового контура в форме неравнобочной или равнобочной трапеции. При этом расстояние между узлами крепления верхнего и нижнего полукрыла 3,4 к валу 1 может быть больше или меньше, чем расстояние по вертикали между стыковочными узлами соединения соответствующих полукрыльев с лопастью 2.

Такая конструкция ротора обеспечивает высокие аэродинамические и эксплуатационные характеристики, поскольку появляется дополнительная тянущая сила, возникающая на установленных под углом несущих поверхностях сочлененного крыла трапецевидной формы, уменьшается лобовое и аэродинамическое сопротивление, повышается жесткость и устойчивость конструкции (повышается надежность), уменьшается возможность возникновения циклических и резонансных колебаний (флаттера) и вибраций лопастей и других рабочих элементов ротора. Вследствие выполнения лопастей с консолями уменьшается интенсивность концевого вихря и одностороннего срыва потока с несущих поверхностей сочлененного крыла.

В зависимости от мощности ветродвигателя, географического места его размещения и технологии производства верхние и нижние полукрылья 3,4 могут быть выполнены с двояковыпуклым симметричным профилем или несимметричным профилем с положительной кривизной. Также верхние полукрылья 3 ротора могут иметь двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной, а нижние полукрылья 4 - двояковыпуклый несимметричный профиль с отрицательной кривизной.

Для регулирования частоты вращения и защиты ротора от разрушения при высоких скоростях ветра предусмотрено снабдить ротор цельноповоротными концевыми щитками 7 аэродинамического профиля. Каждый щиток присоединен корневой частью к центральной части лопасти 2 через стыковочные узлы с возможностью поворота относительно продольной оси из горизонтального в вертикальное положение.

Для ослабления интенсивности сбегающих с щитков 7 вихрей, приводящих к повышению вихревого сопротивления, и увеличения тянущей силы рекомендуется на законцовке (концевой части) каждого щитка 7 установить дополнительную вертикальную лопасть 8 крыльевого профиля. При этом дополнительная лопасть может быть выполнена по типу крылышка Уиткомба.

Для уменьшения массы ротора щитки 7 рекомендуется выполнить по конструктивной схеме лонжеронного крыла.

Для увеличения жесткости конструкции и удобства размещения средств механизации щитка 7 целесообразно лонжерон выполнить трубчатой формы.

С целью повышения надежности и упрощения конструкции при использовании поворотных щитков для регулирования частоты вращения и аэродинамического торможения ротора каждый щиток 7 снабжен автоматическим поворотным механизмом, который содержит подшипники, размещенные во внутренней полости трубчатого лонжерона, и осевой торсион, установленный в подшипниках. Один конец торсиона жестко связан посредством соединительного узла с центральной частью лопасти 2, а другой конец жестко скреплен с законцовкой (концевой частью) лонжерона.

В альтернативном решении каждый щиток 7 может быть снабжен поворотным механизмом, который включает в себя подшипники, размещенные во внутренней полости трубчатого лонжерона, и установленный в подшипниках горизонтальный вал с хвостовиком. Хвостовик вала жестко связан посредством соединительного узла с центральной частью лопасти 2. В этом случае ротор ветродвигателя должен быть снабжен системой автоматического регулирования частоты вращения и исполнительным механизмом, кинематически связанным с поворотным механизмом каждого щитка.

Ротор ветряного двигателя работает следующим образом. При движении потока воздуха через ротор на вертикальных лопастях 2, на верхних и нижних профилированных полукрыльях 3,4 сочлененного крыла и на дополнительных лопастях 8 крыльевого профиля, установленных на законцовках цельноповоротных щитков 7 возникают аэродинамические подъемные силы, результирующая которых (тянущая сила) создает крутящий момент, передаваемый через вертикальный вал 1 потребителям механической энергии.

Ротор начинает раскручиваться при минимальной скорости ветра 2...3 м/с без внешней нагрузки, постепенно увеличивая частоту вращения до номинальной величины, поскольку аэродинамические подъемные силы, возникающие на рабочих элементах ротора, с увеличением частоты вращения возрастают. При номинальной частоте вращения к валу ротора подключается внешняя нагрузка - потребитель механической энергии.

При скорости ветра выше расчетной 12...15 м/с мощность на валу 1 ротора может превысить потребляемую мощность. При этом ротор начинает увеличивать частоту вращения сверх номинального значения. Тогда под действием инерционных сил концевые щитки 7 с закрепленными на них лопастями 8 с помощью поворотного механизма начинают поворачиваться относительно продольных осей из горизонтального в вертикальное положение, закручивая осевой торсион поворотного механизма.

При повороте щитков 7 вместе с дополнительными лопастями 8 на некоторый угол относительно горизонтального положения возрастает аэродинамическое сопротивление и уменьшается тянущая сила, что и приводит к снижению частоты вращения ротора до номинальной величины. При этом инерционные силы, действующие на щитки и дополнительные лопасти, уменьшаются. Тогда щитки, благодаря упругим силам торсионов, возвращаются в исходное горизонтальное положение.

При использовании системы автоматического регулирования частоты вращения ротора - система через исполнительный механизм осуществляет синхронный поворот щитков 7 с помощью поворотного механизма, которым снабжен каждый щиток.

Предложенная конструкция ротора ветряного двигателя позволяет улучшить его аэродинамические и эксплуатационные характеристики, в частности обеспечить начало вращения ротора при минимальной скорости ветра 2...3 м/с, получить достаточно высокий КПД (40...45%), повысить жесткость и устойчивость конструкции (повысить надежность). Следует также отметить, что использование в конструкции цельноповоротных концевых щитков позволяет осуществить аэродинамическое торможение ротора в режимах частичной нагрузки и в аварийных ситуациях, например при высоких скоростях ветра (50...60 м/с).

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках с вертикальной осью вращения ротора. Технический результат, заключающийся в увеличении тянущей силы и коэффициента использования энергии ветра, упрощении конструкции и повышении надежности ротора, достигается за счет того, что в роторе, содержащем вертикальный вал и связанные с ними по меньшей мере две вертикальные лопасти крыльевого профиля, расположенные симметрично относительно оси вращения вала, согласно изобретению каждая лопасть связана с валом посредством верхнего и нижнего профилированных полукрыльев, находящихся в одной вертикальной плоскости, проходящей через их продольные оси, и установленных под острым углом соответственно к валу и лопасти, при этом корневые части полукрыльев присоединены к валу через углы крепления и разнесены по вертикали, а концевые части полукрыльев соединены через стыковочные узлы с лопастью и разнесены по ее вертикали с образованием верхней и нижней консоли лопасти и сочлененного крыла замкнутого силового контура в форме трапеции. 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ротор ветряного двигателя, содержащий вертикальный вал и связанные с ним по меньшей мере две вертикальные лопасти крыльевого профиля, расположенные симметрично относительно оси вращения вала, отличающийся тем, что каждая лопасть связана с валом посредством верхнего и нижнего профилированных полукрыльев, находящихся в одной вертикальной плоскости, проходящей через их продольные оси, и установленных под острым углом соответственно к валу и лопасти, при этом корневые части полукрыльев присоединены к валу через узлы крепления и разнесены по вертикали, а концевые части полукрыльев соединены через стыковочные узлы с лопастью и разнесены по ее вертикали с образованием верхней и нижней консоли лопасти и сочлененного крыла замкнутого силового контура в форме трапеции. 2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что соединение верхнего и нижнего полукрыла соответственно с валом и лопастью образует сочлененное крыло замкнутого силового контура в форме неравнобочной трапеции. 3. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что соединение верхнего и нижнего полукрыла соответственно с валом и лопастью образует сочлененное крыло замкнутого силового контура в форме равнобочной трапеции. 4. Ротор по п. 2 или 3, отличающийся тем, что расстояние между узлами крепления полукрыльев к валу больше, чем расстояние по вертикали между стыковочными узлами соединения полукрыльев с лопастью. 5. Ротор по п. 2 или 3, отличающийся тем, что расстояние по вертикали между узлами крепления полукрыльев к валу меньше, чем расстояние между стыковочными узлами соединения полукрыльев с лопастью. 6. Ротор по п.1, или 4, или 5, отличающийся тем, что верхнее и нижнее полукрыло имеют двояковыпуклый симметричный профиль. 7. Ротор по п.1, или 4, или 5, отличающийся тем, что верхнее полукрыло имеет двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной, а нижнее полукрыло - двояковыпуклый несимметричный профиль с отрицательной кривизной. 8. Ротор по п.1, или 4, или 5, отличающийся тем, что верхнее и нижнее полукрыло имеют двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной. 9. Ротор по п.1, или 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что ротор снабжен цельноповоротными концевыми щитками аэродинамического профиля, каждый из которых связан со стороны корневой части с центральной частью лопасти с возможностью поворота относительно продольной оси из горизонтального в вертикальное положение. 10. Ротор по п. 9, отличающийся тем, что на законцовке каждого щитка жестко закреплена дополнительная вертикальная лопасть крыльевого профиля. 11. Ротор по п.10, отличающийся тем, что дополнительная лопасть выполнена по типу крылышка Уиткомба. 12. Ротор по п.9, или 10, или 11, отличающийся тем, что щитки выполнены по конструктивной схеме лонжеронного крыла. 13. Ротор по п.12, отличающийся тем, что лонжерон щитка имеет трубчатую форму. 14. Ротор по п.13, отличающийся тем, что каждый щиток снабжен автоматическим поворотным механизмом, который включает в себя подшипники, размещенные во внутренней полости трубчатого лонжерона, и осевой торсион, установленный в подшипниках, при этом один конец торсиона жестко связан посредством соединительного узла с центральной частью лопасти, а другой конец жестко скреплен с законцовкой лонжерона. 15. Ротор по п.13, отличающийся тем, что каждый щиток снабжен поворотным механизмом, который включает в себя подшипники, размещенные во внутренней полости трубчатого лонжерона, и установленный в подшипниках горизонтальный вал с хвостовиком, при этом хвостовик вала жестко связан посредством соединительного узла с центральной частью лопасти. 16. Ротор по п.15, отличающийся тем, что ротор снабжен системой автоматического регулирования частоты вращения ротора путем синхронного поворота щитков относительно их продольной оси и исполнительным механизмом, кинематически связанным с поворотным механизмом каждого щитка.