РОТОР ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2001 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам с вертикальной осью вращения ротора.

Известен ротор ветроэнергетической установки (Н-ротор Дарье), который содержит вертикальный вал, верхние и нижние горизонтальные траверсы аэродинамического профиля, соединенные с валом, и вертикальные лопасти крыльевого профиля, установленные на концах траверс симметрично относительно оси вращения вала (WO 95/09304 А1, 06.04.95, F 03 D 7/06).

В этом роторе вертикальные лопасти выполнены прямоугольной формы в плане, а траверсы установлены горизонтально. Для такой конфигурации лопастей характерны большая высота и толщина профиля, а следовательно большая масса. При вращении ротора на прямоугольных лопастях с увеличением угла атаки наступает срыв потока как на концах лопасти, так и в центральной ее части. Вследствие этого возрастает индуктивное (лобовое) сопротивление и уменьшается тянущая сила, что приводит в целом к ухудшению аэродинамических характеристик ротоpa. Кроме того, на горизонтальных траверсах не возникает дополнительной тянущей силы.

Известен также ротор ветродвигателя, содержащий вертикальный вал, верхние и нижние горизонтальные траверсы, соединенные с валом, и лопасти крыльевого профиля, установленные параллельно валу на концах траверс (SU 1236149 А1, 07.06.86, F 03 D 3/06).

В этой конструкции ротора задняя кромка каждой лопасти выполнена прямолинейной с углом стреловидности, равным нулю градусов, а передняя кромка выполнена с переменной стреловидностью с изломом в центре лопасти и положительным углом стреловидности в корневой части. При этом консольные (концевые) части лопасти имеют прямоугольную форму в плане.

Однако для такой конструкции ротора характерно перетекание пограничного слоя воздуха от середины лопасти к ее концевым частям и появление концевых срывов потока, особенно на больших углах атаки набегающего на лопасти ветрового потока. Концевые срывы ухудшают аэродинамические характеристика ротора, поскольку увеличивается лобовое сопротивление и уменьшается тянущая сила, возникающая на лопастях крыльевого профиля. Поэтому для получения удовлетворительных характеристик ротора конструкторам приходится использовать лопасти большой высоты и площади и, следовательно, большей массы. Наряду с этим на траверсах, установленных горизонтально, не возникает дополнительная тянущая сила, способствующая улучшению аэродинамических характеристик (повышению коэффициента использования энергии ветра) ротора.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке конструкции и аэродинамической компоновки рабочих элементов (лопастей, траверс, вала) ротора, имеющего улучшенные аэродинамические характеристики.

Указанный технический результат (улучшение аэродинамических характеристик) достигается тем, что в роторе ветроэнергетической установки, содержащем вертикальный вал, верхние и нижние траверсы аэродинамического профиля, расположенные попарно друг над другом и присоединенные к валу через узлы крепления, разнесенные по его высоте, и по меньшей мере две лопасти крыльевого профиля, установленные на концах парных траверс симметрично относительно оси вращения вала посредством стыковочных узлов, разнесенных по высоте лопасти с образованием верхней и нижней консолей последней, согласно изобретению, корневая часть каждой лопасти, расположенная между стыковочными узлами, выполнена прямоугольной формы в плане с прямолинейными передней и задней кромками. При этом передняя и задняя кромки каждой консоли имеют отрицательный угол стреловидноста. Плоскость хорд профилей корневой части лопасти расположена параллельно оси вала. Верхние и нижние парные траверсы находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через продольные линии фокусов профилей траверс. Каждая из траверс установлена под острым углом относительно горизонтальной плоскости. Причем наружные концы траверс направлены вверх.

Кроме того, предусмотрено, что угол стреловидности задней кромки каждой консоли лопасти был выполнен большим, чем угол стреловидности передней кромки.

Рекомендуется, чтобы плоскости хорд профилей соответственно верхней и нижней консолей были установлены под углом по отношению к плоскости хорд профилей корневой части лопасти, при этом концевая часть каждой консоли обращена к валу.

Целесообразно, чтобы угол между плоскостью хорд профилей каждой консоли и плоскостью хорд корневой части лопасти составлял 1 - 8^o.

Рекомендуется также, чтобы угол стреловидности передней кромки каждой консоли находился в пределах от минус 2 до минус 15^o.

Кроме того, отношение высоты корневой части лопасти к высоте лопасти может составлять от 0,2 до 0,45.

Предусмотрено, что каждая лопасть может быть снабжена профилированным отклоняемым щитком с возможностью его поворота или выдвижения, установленным у задней кромки корневой части лопасти, причем задняя кромка щитка в убранном положении расположена на одной линии с задней кромкой корневой части лопасти.

Целесообразно, чтобы отношение хорды профиля щитка к хорде корневой части лопасти составляло от 0,25 до 0,4, а отношение высоты щитка к высоте корневой части лопасти находилось в пределах от 0,65 до 0,9.

Предусмотрено также, что каждый щиток может быть снабжен приводным механизмом для изменения и фиксации угла его отклонения.

Наряду с этим, ротор может быть снабжен системой автоматического регулирования частоты вращения ротора путем синхронного поворота щитков относительно их продольной оси и исполнительным механизмом, кинематически связанным с приводным механизмом каждого щитка.

На фиг. 1 изображена аэродинамическая схема ротора ветроэнергетической установки.

На фиг. 2 изображена лопасть ротора в плане с профилированным щитком, установленным в ее корневой части.

Ротор ветроэнергетической установки, содержит вертикальный вал 1, верхние 2 и нижние траверсы 3 аэродинамического (крыльевого) профиля, расположенные попарно друг над другом и присоединенные через узлы крепления, разнесенные по высоте вала 1, и по меньшей мере две вертикальные лопасти 4 крыльевого профиля. Лопасти установлены на концах парных траверс 2, 3 симметрично относительно оси вращения вала посредством стыковочных узлов, разнесенных по высоте лопасти. Лопасть 4 состоит из верхней и нижней консолей 5, 6 и корневой части 7. Корневая часть лопасти, расположенная между стыковочными узлами, имеет прямоугольную форму в плане с прямолинейными передней и задней кромками 8, 9. Передняя и задняя кромки 10, 11 верхней и нижней консоли 5, 6 имеют отрицательный угол стреловидности (обратную стреловидность). Плоскость хорд профилей корневой части 7 лопасти расположена параллельно оси вала. Парные верхние и нижние траверсы 2, 3 находятся в одной вертикальной плоскости, которая проходит через продольные линии фокусов профилей траверс. Каждая из траверс установлена под острым углом относительно горизонтальной плоскости, т.е. к плоскости, перпендикулярной оси вала. Причем наружные концы траверс направлены вверх.

Такая конструкция обеспечивает высокие аэродинамические характеристики ротора, поскольку выполнение лопастей с консолями, имеющими обратную стреловидиость (отрицательный угол стреловидности), уменьшает возможность возникновения концевого срыва потока на консолях и позволяет затянуть появление вихревых срывов с лопастей до больших углов атаки ветрового потока. Наряду с этим, выполнение корневой части 7 прямоугольной формы в плане и расположение ее между стыковочными узлами траверз 2, 3 препятствует перетеканию пограничного слоя воздуха вдоль размаха (высоты) лопасти. Уменьшение интенсивности вихревых срывов и перетекания потока на лопастях приводит к увеличению тянущей силы и к уменьшению аэродинамического сопротивления ротора. Кроме того, появляется дополнительная тянущая сила, возникающая на траверсах, установленных под острым углом к горизонтальной плоскости.

Кроме того, для снижения массы ротора и, следовательно, для обеспечения начала вращения ротора при низкой скорости ветра, целесообразно, чтобы угол стреловидности задней кромки 11 каждой консоли лопасти был выполнен большим, чем угол стреловидности передней кромки 10.

Для повышения аэродинамической устойчивости, уменьшения возможности возникновения резонансных колебаний и вибраций лопастей и ротора в целом рекомендуется, чтобы плоскости хорд профилей соответственно верхней и нижней консолей 5,6 были установлены под углом по отношению к плоскости хорд профилей корневой части 7 лопасти, при этом концевая часть каждой консоли была обращена к валу.

Желательно для повышения аэродинамической устойчивости ротора, чтобы угол между плоскостью хорд профилей каждой консоли и плоскостью хорд корневой части лопасти составлял 1 - 8^o.

Для уменьшения интенсивности вихревого срыва потока с лопасти и затягивания момента срыва на большие углы атаки ветра рекомендуется, чтобы угол стреловидности передней кромки каждой консоли находится в пределах от минус 2 до минус 15^o.

Наряду с этим целесообразно, чтобы отношение высоты корневой части лопасти к высоте лопасти составляло от 0,2 до 0,45.

Предусмотрено, что для изменения аэродинамических характеристик ротора, каждая лопасть может быть снабжена профилированным отклоняемым щитком 12 с возможностью его поворота или выдвижения, установленным у задней кромки корневой части 7 лопасти, причем задняя кромка щитка в убранном положении расположена на одной линии с задней кромкой 9 корневой части лопасти. Таким образом, щиток 12 представляет собой профилированную подвижную часть корневой части 7 лопасти, отклоняемую с целью увеличения (или уменьшения) тянущей силы ротора и увеличения аэродинамического сопротивления. Отклоняемые щитки могут быть выполнены как поворотные, т.е. поворачиваемые относительно продольной (вертикальной) оси вращения щитка, связанной с корневой частью лопасти, или как выдвижные, т.е. поворачиваемые относительно оси вращения и одновременно смещаемые назад вдоль хорд профилей корневой части 7. При этом увеличивается и несущая поверхность лопасти 4 в целом. Установка щитка на корневой части лопасти обусловлена отсутствием одностороннего срыва потока в этой части лопасти, поскольку последняя расположена между верхней и нижней траверсой 2, 3.

Для повышения эффективности действия щитка рекомендуется, чтобы отношение хорды профиля щитка к хорде корневой части лопасти составляло от 0,25 до 0,4, а отношение высоты щитка к высоте корневой части лопасти находилось в пределах от 0,65 до 0,9.

Кроме того, каждый щиток может быть снабжен приводным механизмом для изменения и фиксации угла его отклонения.

Предусмотрено также, что ротор может быть снабжен системой автоматического регулирования частоты его вращения путем синхронного поворота щитков относительно их продольной оси и исполнительным механизмом, кинематически связанным с приводным механизмом каждого щитка.

Ротор ветроэнергетической установки работает следующим образом. При движении потока воздуха через ротор на лопастях 4 крыльевого профиля, на верхних и нижних траверсах 2,3 аэродинамического (крыльевого) профиля 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 3...4 м/с без внешней нагрузки, постепенно увеличивая частоту вращения до номинальной величины, поскольку аэродинамические подъемные (тянущие) силы, возникающие на несущих элементах ротора (лопастях и траверсах), с увеличением частоты вращения возрастают. При номинальной частоте вращения к валу ротора подключается внешняя нагрузка - потребитель механической энергии.

В случае установки на лопастях 4 отклоняемых профилированных щитков 12, перед началом вращения ротора щитки отклоняются на некоторый угол (20...40^o) внутрь ротора, увеличивая таким образом эффективную кривизну лопасти. При этом увеличивается тянущая сила и ротор начинает вращение без внешней нагрузки при меньшей скорости ветра, а именно при 2...3 м/с. По мере достижения номинальной частоты вращения щитки убираются, поскольку с увеличением частоты вращения отклоненные щитки начинают создавать дополнительное аэродинамическое сопротивление.

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 система автоматического регулирования частоты вращения ротора через исполнительный механизм осуществляет синхронное отклонение щитков 12 с помощью приводного механизма, которым снабжен каждый щиток. При повороте щитков 12 на угол 90^o (внутрь ротора или на его внешнюю сторону) возрастает аэродинамическое сопротивление и уменьшается тянущая сила, что и приводит к снижению частоты вращения ротора до номинальной величины.

Предложенная конструкция ротора ветроэнергетической установки позволяет улучшить его аэродинамические характеристики путем увеличения тянущей силы и уменьшения лобового сопротивления, в частности, обеспечить начало вращения ротора при минимальной скорости ветра 2...3 м/с, получить достаточно высокий коэффициент использования энергии ветра (40...45%), а также осуществить аэродинамическое торможение ротора в режимах частичной нагрузки и в аварийных ситуациях, например, при высоких (штормовых) 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 разработке конструкции ротора, имеющего улучшенные аэродинамические характеристики, обеспечивается за счет того, что в роторе ветроэнергетической установки, содержащем вертикальный вал, верхние и нижние траверсы аэродинамического профиля, расположенные попарно друг над другом и присоединенные к валу через узлы крепления, разнесенные по его высоте, и по меньшей мере две лопасти крыльевого профиля, установленные на концах парных траверс, симметрично относительно оси вращения вала посредством стыковочных узлов, разнесенных по высоте лопасти с образованием верхней и нижней консолей последней, согласно изобретению корневая часть каждой лопасти, расположенная между стыковочными узлами, выполнена прямоугольной формы в плане с прямолинейными передней и задней кромками, передняя и задняя кромки каждой консоли имеют отрицательный угол стреловидности, плоскость хорд профилей корневой части лопасти расположена параллельно оси вала, верхние и нижние парные траверсы находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через продольные линии фокусов профилей. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ротор ветроэнергетической установки, содержащий вертикальный вал (1), верхние и нижние траверсы (2, 3) аэродинамического профиля, расположенные попарно друг над другом и присоединенные к валу через узлы крепления, разнесенные по его высоте, и по меньшей мере две лопасти (4) крыльевого профиля, установленные на концах парных траверс симметрично относительно оси вращения вала посредством стыковочных узлов, разнесенных по высоте лопасти с образованием верхней и нижней консолей (5, 6) последней, отличающийся тем, что корневая часть (7) каждой лопасти, расположенная между стыковочными узлами, выполнена прямоугольной формы в плане с прямолинейными передней и задней кромками (8, 9), передняя и задняя кромки (10, 11) каждой консоли имеют отрицательный угол стреловидности, плоскость хорд профилей корневой части (7) лопасти (4) расположена параллельно оси вала (1), верхние и нижние парные траверсы (2, 3) находятся в одной вертикальной плоскости, проходящей через продольные линии фокусов профилей. 2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что каждая из траверс установлена под острым углом относительно горизонтальной плоскости, причем наружные концы траверс направлены вверх. 3. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол стреловидности задней кромки (11) каждой консоли (5, 6) лопасти выполнен большим, чем угол стреловидности передней кромки (10). 4. Ротор по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что плоскости хорд профилей соответственно верхней и нижней консолей установлены под углом по отношению к плоскости хорд профилей корневой части лопасти, при этом концевая часть каждой консоли обращена к валу. 5. Ротор по п.4, отличающийся тем, что угол между плоскостью хорд профилей каждой консоли и плоскостью хорд корневой части лопасти составляет 1 - 8^o. 6. Ротор по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что угол стреловидности передней кромки каждой консоли находится в пределах от минус 2 до минус 15^o. 7. Ротор по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что отношение высоты корневой части лопасти к высоте лопасти составляет 0,2 - 0,45. 8. Ротор по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что каждая лопасть (4) снабжена профилированным отклоняемым щитком (12) с возможностью его поворота или выдвижения, установленным у задней кромки (9) корневой части (7) лопасти, причем задняя кромка щитка в убранном положении расположена на одной линии с задней кромкой (9) корневой (7) части лопасти. 9. Ротор по п. 8, отличающийся тем, что отношение хорды профиля щитка (12) к хорде корневой части (7) лопасти составляет 0,25 - 0,4, а отношение высоты щитка к высоте корневой части лопасти находится в пределах 0,65 - 0,9. 10. Ротор по п. 8 или 9, отличающийся тем, что каждый щиток снабжен приводным механизмом для изменения и фиксации угла его отклонения. 11. Ротор по п.10, 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 приводным механизмом каждого щитка.