ЛОПАСТЬ ВЕТРОКОЛЕСА Российский патент 2003 года по МПК F03D1/06 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к лопастям ветроэнергетических установок малой мощности.

Известны фирмы, выполняющие лопасти ветроэнергетических установок из пластмасс. Так, фирма Bergey Windpower Co (США) изготавливает пластиковые лопасти ветроэнергетических установок, фирма Proven (Великобритания) - из полипропилена. ("Ветроэнергетические установки малой мощности". Аналитическая справка. М.: Информэлектро, 1991, с. 21, 27).

Эти лопасти приняты в качестве аналогов предлагаемого изобретения.

Недостаток таких лопастей заключается в том, что их прочность низка из-за невысоких усталостных характеристик, что сокращает срок эксплуатации лопастей (там же, с, 3).

Известна лопасть ветроэнергетической установки, срок эксплуатации которой увеличен за счет усложнения конструкции лопасти (патент Германии DE 4225599, опубликован 17 февраля 1994 г.). Лопасть по этому патенту состоит из двух частей - лобовой и хвостовой (заполненной пенопластом). Обе части лопасти, а также верхняя и нижняя оболочки ее соединены между собою с помощью клея и заклепок.

Этот патент принят за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком лопасти-прототипа является ее невысокая надежность при эксплуатации из-за клепаных и клеевых соединений, которые в условиях переменных ветровых нагрузок подвержены разрушению, а также невысокая удельная прочность (отношение прочности к мacce), так как лопасть утяжелена крепежными металлическими деталями и заполнителем между верхней и нижней оболочками.

Эти недостатки устранены в предлагаемом изобретении.

Существенными признаками, характеризующими предлагаемое изобретение, являются выполнение лопасти из стеклопластика, имеющей перо и комель для закрепления лопасти в ступице ветроколеса. Отличительными признаками лопасти являются: монолитное выполнение оболочки, при этом перо лопасти имеет внутреннюю полость, а образующая эту полость оболочка имеет переменную толщину, определяемую по формуле:

где С - толщина оболочки в определяемом сечении лопасти, мм.

21 - коэффициент корреляции с размерностью,
R - радиус ветроколеса, м.

r - радиус определяемого сечения лопасти, м.

V - скорость ветра, м/с.

σ - разрушающее напряжение, кГ/см².

Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения срока эксплуатации лопасти путем обеспечения следующих технических результатов:
- повышение надежности лопасти благодаря ее монолитной конструкции, не имеющей клепаных, клеевых и иных соединений;
- повышение удельной прочности лопасти путем уменьшения ее массы за счет выполнения пера лопасти полым внутри, а оболочки - переменной толщины соответственно величинам нагрузок,
На чертежах схематично изображено:
Фиг.1. Лопасть в разрезе.

Фиг. 2. Лопасть в сборе со ступицей с указанием радиуса колеса R и радиуса сечения лопасти r.

Лопасть 1 содержит перо 2, внутри которого расположена полость 3, образованная оболочкой 4 переменной толщины. С помощью комля 5 лопасть крепится в ступице 6, имеющей ось вращения 7. Толщина оболочки 4 плавно уменьшается от комля к концу лопасти 1.

Лопасть 1 используется в сборе с помощью комля 5 и ступицы 6 в ветроколесе (не показано).

Под действием ветровой нагрузки на перо 2 приводится в движение ветроколесо, с дальнейшим преобразованием кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Благодаря монолитному исполнению оболочки 4 повышается ее надежность. Полость 3 обеспечивает уменьшение массы лопасти 1 и, следовательно, повышает удельную прочность ее. Переменная толщина оболочки также обеспечивает увеличение удельной прочности лопасти 1 за счет максимально возможного уменьшения массы пера 2.

Примером конкретного определения толщины оболочки 4 является лопасть 1 для скорости ветра V=30 м/с, при радиусе колеса R₁=2,5 м (измеряемом от оси 7 ступицы 6). Радиус r₁=l,5 м поперечного сечения лопасти 1, в котором определяется толщина оболочки 4, также измеряется от оси 7. Материал лопасти - эпоксидный стеклопластик с разрушающим напряжением на сжатие σ=3000 кГ/см².

Эти данные подставляем в формулу для определения толщины оболочки:

На остальных сечениях лопасти радиусом r_j толщина оболочки C_j определяется аналогично.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к лопастям ветроэнергетических установок малой мощности. Технический результат, заключающийся в увеличении срока эксплуатации лопасти путем повышения ее надежности и удельной прочности, обеспечивается за счет того, что в лопасти ветроколеса из стеклопластика, содержащей перо, оболочку и комель для закрепления лопасти в ступице ветроколеса, согласно изобретению оболочка выполнена монолитной, при этом перо имеет внутреннюю полость, а оболочка, образующая полость, имеет переменную толщину, определяемую по установленной математической зависимости. 2 ил.

Лопасть ветроколеса из стеклопластика, содержащая перо, оболочку и комель для закрепления лопасти в ступице ветроколеса, отличающаяся тем, что оболочка выполнена монолитной, при этом перо имеет внутреннюю полость, а оболочка, образующая полость, имеет переменную толщину, определяемую по формуле

где С - толщина оболочки в определяемом сечении лопасти, мм;
21 - коэффициент корреляции,
R - радиус ветроколеса, м;
r - радиус определяемого сечения лопасти, м;
V - скорость, ветра, м/с;
σ - разрушающее напряжение на сжатие, кГ/см².