ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2016 года по МПК F03D1/06 F03D80/00 

Настоящее изобретение относится к лопасти ротора ветроэнергетической установки.

Лопасть ротора ветроэнергетической установки имеет область основания лопасти ротора, наконечник лопасти ротора, переднюю кромку лопасти ротора, заднюю кромку лопасти ротора, сторону всасывания и сторону нагнетания. Как правило, лопасть ротора присоединена к ступице ветроэнергетической установки в области основания лопасти ротора. Таким образом, лопасти ротора присоединены к ротору ветроэнергетической установки и заставляют ротор вращаться при наличии достаточной скорости ветра. Это вращение можно преобразовать в электрическую энергию с помощью электрического генератора.

Лопасть ротора приводится в движение по принципу аэродинамической подъемной силы. При воздействии ветра на лопасть ротора воздух направляется вдоль лопасти как выше ее, так и ниже ее. Как правило, лопасть искривляется таким образом, чтобы воздух выше лопасти проходил по большей траектории вокруг профиля и, таким образом, протекал быстрее, чем воздух вдоль обратной стороны. Поэтому над лопастью (на стороне всасывания) создается пониженное давление, и под лопастью (на стороне нагнетания) создается повышенное давление.

В документе ЕР 1944505 А1 раскрыта лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющей множество вихревых генераторов на стороне всасывания лопасти ротора.

В документе EP 2484898 A1 раскрыта лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющей множество вихревых генераторов. Вихревые генераторы выполнены в области рядом с основанием лопасти ротора.

В документе WO 2013/014080 А2 раскрыта лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющей множество вихревых генераторов. В нем также описано то, как лопасть ротора можно модернизировать с помощью вихревых генераторов. В данном случае вихревые генераторы выполнены на стороне всасывания лопасти ротора и в области рядом с основанием лопасти ротора.

В документе WO 2007/140771 А1 раскрыта лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющей множество вихревых генераторов на стороне всасывания лопасти ротора.

В документе WO 2008/113350 А2 также раскрыта лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющая множество вихревых генераторов. Вихревые генераторы выполнены на стороне всасывания лопасти ротора.

В документе WO 2006/122547 А1 раскрыта лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющая множество вихревых генераторов на стороне всасывания лопасти ротора.

В документе WO 2012/082324 А1 раскрыта лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющая множество вихревых генераторов, причем вихревые генераторы выполнены в области рядом с основанием лопасти ротора.

Работа ветроэнергетической установки производит шум, который необходимо по возможности снизить, чтобы обеспечить положительное отношение к ветроэнергетическим установкам среди населения.

Данная задача решена с помощью лопасти ротора ветроэнергетической установки по п.1 формулы.

Таким образом, выполнена лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющая сторону всасывания, сторону нагнетания, область рядом с основанием, наконечник лопасти ротора, переднюю кромку лопасти ротора и заднюю кромку лопасти ротора. Лопасть ротора дополнительно имеет множество критических точек по длине лопасти ротора, которые вместе могут образовывать линию критических точек. В области линии критических точек выполнено множество вихревых генераторов. Линия критических точек находится на обратной стороне (которая обычно упоминается как сторона нагнетания) в области ротора.

Критическая точка является такой точкой на поверхности лопасти ротора, в которой скорость потока уменьшается до нуля, поэтому кинетическая энергия может полностью преобразовываться в энергию давления. Положение критической точки может изменяться при изменении шагового угла. Критическая точка представляет собой такую точку, в которой разделяется поток, и часть потока протекает поверх стороны всасывания лопасти ротора, а другая часть потока протекает поверх стороны нагнетания.

Согласно аспекту изобретения вихревые генераторы выполнены в продольном направлении на более чем 50%, в частности более чем 60% от длины лопасти ротора, (т.е. последние 50%-40% лопасти ротора в направлении наконечника лопасти ротора выполнены с вихревыми генераторами в области линии критических точек).

Вихревые генераторы могут иметь форму, например, полукруга, овала или стрелки на виде сверху. Диаметр вихревых генераторов составляет менее чем 100 мм. Расстояние между соседними вихревыми генераторами составляет по меньшей мере один раз от диаметра и максимум десять раз от диаметра вихревых генераторов.

Высота вихревых генераторов составляет максимум одну четверть диаметра. 3D-форма вихревых генераторов может представлять собой диск с постоянной толщиной или участок сферы с круглой основной формой.

Дополнительные конфигурации изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Ниже более подробно описаны преимущества и варианты осуществления посредством примера изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан схематичный вид ветроэнергетической установки согласно изобретению;

на фиг. 2 показан схематичный вид лопасти ротора согласно первому варианту осуществления;

на фиг. 3 показан схематичный вид в разрезе лопасти ротора согласно первому варианту осуществления;

на фиг. 4 показан общий вид участка лопасти ротора ветроэнергетической установки согласно второму варианту осуществления и

на фиг. 5 показана полярная диаграмма для иллюстрации изменения в коэффициенте подъемной силы в зависимости от эффективного угла установки лопасти ротора ветроэнергетической установки.

На фиг.1 показан схематичный вид ветроэнергетической установки согласно изобретению. Ветроэнергетическая установка 100 имеет опорную стойку 102 и обтекатель 104. На обтекателе 104 находится ротор 106, имеющий три лопасти 200 ротора и лобовой обтекатель 110. Во время работы лопасть 106 ротора приводится во вращение с помощью ветра и тем самым приводит к вращению электрического генератора, расположенного под обтекателем, который вырабатывает электрическую энергию в результате вращения. Шаг лопастей ротора или угол установки лопастей 200 ротора может изменяться шаговыми двигателями, установленными на основаниях лопастей ротора соответствующих лопастей 200 ротора.

На фиг.2 показан схематичный вид лопасти ротора ветроэнергетической установки согласно первому варианту осуществления. Лопасть 200 ротора имеет переднюю кромку 211 лопасти ротора, заднюю кромку 212 лопасти ротора, наконечник 213 лопасти ротора и область 214 основания лопасти ротора. Лопасть ротора дополнительно имеет продольное направление L, которое продолжается от области 214 основания лопасти ротора до наконечника 213 лопасти ротора. Лопасть ротора дополнительно имеет линию 215 критических точек, которая продолжается на стороне нагнетания в области ротора. Так как поперечное сечение лопасти ротора изменяется в продольном направлении L, критическая точка также изменяется для каждого участка лопасти ротора. Таким образом, линия 215 критических точек может быть образована из множества критических точек. Множество вихревых генераторов выполнено в области линии 215 критических точек. Лопасть 200 ротора прикреплена с возможностью отсоединения к ротору 16 ветроэнергетической установки с помощью области 214 основания лопасти ротора. Конец области 214 основания лопасти ротора, который прикреплен к ротору 106, например к ступице ротора, имеет круглую конфигурацию и может прикрепляться с возможностью отсоединения к ступице ротора 106 посредством множества винтовых соединений.

Вихревые генераторы 300 выполнены в области линии 215 критических точек под определенным углом установки, например под номинальным углом установки.

Если требуется, вихревые генераторы 300 можно выполнить как с длиной от 50% до 100% от лопасти ротора, так и от области 214 основания лопасти ротора. В частности, вихревые генераторы 300 можно выполнить как на длине между 60% и 100% от длины лопасти ротора, так и от области 214 основания лопасти.

При выполнении вихревых генераторов в области критических точек лопасти ротора могут положительным образом влиять на разделение потока на задней кромке лопасти ротора.

Вихревые генераторы 300 могут иметь форму круга, овала или стрелки при виде сверху. Диаметр вихревых генераторов составляет менее чем 100 мм (например, 20 мм). Расстояние между соседними вихревыми генераторами 300 составляет по меньшей мере один раз от диаметра вихревых генераторов и максимум десять раз от диаметра вихревых генераторов. Высота вихревых генераторов составляет максимум одну четверть от диаметра вихревых генераторов. Трехмерная форма может соответствовать диску с постоянной толщиной или участку сферы с круглой основной формой. Наружный контур стрелки при виде сверху может иметь форму пирамиды. Хотя ориентация в направлении потока является несущественной в случае круглой основной формы, пирамида сориентирована своей вершиной в направлении потока.

На фиг. 3 показан схематичный вид в разрезе лопасти ротора ветроэнергетической установки согласно первому варианту осуществления. Лопасть 200 имеет переднюю кромку 210 лопасти ротора, заднюю кромку 212 лопасти ротора, сторону 216 всасывания и сторону 217 нагнетания. Вихревые генераторы 300 выполнены в области стороны 217 нагнетания и в области критической точки или линии 215 критических точек.

На фиг. 4 показан общий вид участка лопасти ротора согласно второму варианту осуществления. На данном участке лопасть 200 ротора имеет два вихревых генератора 300, которые выполнены в области линии 215 критических точек. Если требуется, вихревые генераторы 300 можно также выполнить в области линии 215 критических точек, чтобы при номинальной работе они были расположены в области линии критических точек. Если эффективный угол установки увеличивается в целом или локальным образом из-за изменения ветрового режима (например, при порывистом ветре или при работе в условиях градиента ветра по высоте), критическая точка движется за вихревыми генераторами, и на вихревых генераторах появляются вихревые нити 400, которые стабилизируют более крупные области отрыва на стороне всасывания и которые таким образом по-прежнему обеспечивают поток в контакте и для поддержания подъемной силы даже при неблагоприятных условиях набегающего потока. На фиг. 4 показаны центральная линия 215b между сторонами всасывания и нагнетания, линия 215а критических точек с эффективным углом установки α_eff при номинальной скорости (номинальном диапазоне) и линия 215с критических точек под эффективным углом установки α_eff в области срыва потока.

На фиг. 5 показана полярная диаграмма для иллюстрации изменения коэффициента подъемной силы в зависимости от эффективного угла установки или шагового угла при числе Рейнольдса 6 миллионов. Это показывает изменение коэффициента C_L подъемной силы в зависимости от эффективного угла α_eff потока для лопасти ротора без вихревых генераторов 600 и для лопасти ротора, имеющей вихревые генераторы 500. Таким образом, из фиг. 5 можно увидеть, что использование вихревых генераторов или турбулизаторов согласно изобретению приводит к задержке в начале отрыва воздушного потока. Коэффициент C_L подъемной силы увеличивается, то есть лопасть ротора с вихревыми генераторами согласно изобретению может достичь более высокого коэффициента подъемной силы и может достичь более высокого эффективного угла установки α_eff. Таким образом, максимальный коэффициент C_L подъемной силы увеличивается при более высоких углах установки лопасти ротора. Для ветроэнергетической установки при постоянной работе означает улучшение статических характеристик отрыва с профилем при одной и той же минимизации времени негативного увеличения сопротивления. Это объясняет уменьшение шума по отношению к лопастям ротора в стационарных условиях поступающего потока, поэтому ветроэнергетическая установка согласно изобретению позволяет уменьшить уровень шума.

Изобретение относится к лопасти ротора ветроэнергетической установки и к ветроэнергетической установке, содержащей по меньшей мере одну такую лопасть. Лопасть ротора ветроэнергетической установки содержит переднюю кромку (211) лопасти ротора, заднюю кромку (212) лопасти ротора, основание (214) лопасти ротора для присоединения к ветроэнергетической установке и наконечник (213) лопасти ротора, сторону (216) всасывания и сторону (217) нагнетания, линию (215) критических точек вдоль продольного направления (L) лопасти ротора от основания (214) лопасти ротора до наконечника (213) лопасти ротора при предопределенном угле установки лопасти ротора и множество вихревых генераторов (300) в области линии (215) критических точек, причем линия (215) критических точек находится в области стороны (217) нагнетания. Изобретение направлено на снижение уровня шума от работы лопастей ротора ветроэнергетической установки. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лопасть ротора ветроэнергетической установки, содержащая
переднюю кромку (211) лопасти ротора, заднюю кромку (212) лопасти ротора, основание (214) лопасти ротора для присоединения к ветроэнергетической установке и наконечник (213) лопасти ротора,
сторону (216) всасывания и сторону (217) нагнетания,
линию (215) критических точек вдоль продольного направления (L) лопасти ротора от основания (214) лопасти ротора до наконечника (213) лопасти ротора при предопределенном угле установки лопасти ротора, и
множество вихревых генераторов (300) в области линии (215) критических точек,
причем линия (215) критических точек находится в области стороны (217) нагнетания.

2. Лопасть ротора по п. 1, в которой вихревые генераторы (300) выполнены в области более 50% от длины лопасти ротора вдоль продольного направления (L).

3. Лопасть ротора по п. 1 или 2, в которой вихревые генераторы (300) имеют форму круга, овала или стрелки при виде сверху.

4. Лопасть ротора по п. 1 или 2, в которой диаметр вихревых генераторов (300) меньше 100 мм.

5. Лопасть ротора по п. 1 или 2, в которой высота вихревых генераторов (300) соответствует максимум одной четверти от диаметра вихревых генераторов (300).

6. Лопасть ротора по п. 1 или 2, в которой форма вихревых генераторов (300) соответствует диску с по существу постоянной толщиной или участку сферы с круглой основной формой.

7. Лопасть ротора по п. 1 или 2, в которой расстояние между соседними вихревыми генераторами (300) соответствует в пределах от одного до десяти раз от диаметра вихревых генераторов (300).

8. Лопасть ротора по п. 1 или 2, в которой предопределенный угол установки представляет собой эффективный угол установки в номинальном диапазоне.

9. Ветроэнергетическая установка, содержащая по меньшей мере одну лопасть ротора ветроэнергетической установки по любому из пп. 1-8.