ЛОПАСТЬ РОТОРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2020 года по МПК F03D1/06 F03D80/40 

Настоящее изобретение относится к лопасти ротора ветроэнергетической установки, а также к ветроэнергетической установке с соответствующей лопастью ротора.

Так как лопасти ротора ветроэнергетической установки подвергаются незащищенными воздействию любых погодных условий, при определенных температурах может происходить обледенение лопастей ротора. Для предотвращения этого может использоваться нагрев лопасти ротора. В этом случае либо нагрев может быть выполнен снаружи лопасти ротора, либо нагретый воздух может быть выполнен внутри лопасти ротора.

WO 2017/021350 A1 раскрывает лопасть ротора ветроэнергетической установки с областью основания лопасти ротора и областью вершины лопасти ротора. Далее, по меньшей мере одно ребро выполнено вдоль продольного направления лопасти ротора. Отклоняющий элемент в виде каплеобразной части может быть выполнен на ребре для уменьшения любой турбулентности воздуха во время отклонения.

Целью настоящего изобретения является создание лопасти ротора ветроэнергетической установки, обеспечивающей возможность улучшенного нагрева лопасти ротора.

Эта цель достигается с помощью лопасти ротора ветроэнергетической установки по п. 1 формулы изобретения.

Таким образом, предлагается лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющая область основания лопасти ротора, область вершины лопасти ротора, лицевую сторону, тыльную сторону, переднюю кромку, заднюю кромку и по меньшей мере одно ребро между лицевой стороной и тыльной стороной и вдоль продольного направления лопасти ротора. Кроме того, отклоняющий элемент выполнен между одним концом упомянутого по меньшей мере одного ребра и областью вершины лопасти ротора. По меньшей мере один воздухозаборник выполнен на ребре, при этом воздухозаборник выступает в область между первым и вторым ребрами.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения лопасть ротора имеет элемент для отсоса пограничного слоя, присоединенный к расположенным со стороны вершины лопасти ротора концам первого и второго ребер. Элемент для отсоса пограничного слоя используется для отсоса (турбулентного) пограничного слоя воздушного потока.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения элемент для отсоса пограничного слоя имеет множество щелей.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения первый конец элемента для отсоса пограничного слоя присоединен к первому ребру, а второй конец элемента для отсоса пограничного слоя присоединен к одному концу второго ребра.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения область вершины лопасти ротора имеет по меньшей мере частично полую вершину лопасти ротора. Отклоняющий элемент по существу закрывает область вершины лопасти ротора, при этом между одним концом отклоняющего элемента и обтекателем передней кромки выполнен первый вентиляционный канал, а между одним концом отклоняющего элемента и задней кромкой выполнен второй воздушный канал.

Изобретение далее относится к ветроэнергетической установке, имеющей по меньшей мере одну описанную выше лопасть ротора ветроэнергетической установки.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения теплый или нагретый воздух может быть введен или выполнено его втекание для нагрева лопасти ротора в области основания лопасти ротора. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения нагретый воздух предпочтительно вводится в область между передней кромкой и ребром и течет вдоль передней кромки и ребра от области основания лопасти ротора к области вершины области ротора. В этом случае часть этого воздушного потока может по меньшей мере частично удаляться с помощью воздухозаборника, выполненного на ребре, или часть воздушного потока отклоняется с помощью воздухозаборника в область между двумя ребрами и течет в направлении области основания лопасти ротора. В качестве альтернативы, нагретый воздух может течь в области между задней кромкой и другим ребром от области основания лопасти ротора к области вершины лопасти ротора.

Таким образом, предлагается лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющая область основания лопасти ротора, область вершины лопасти ротора, лицевую сторону, тыльную сторону и по меньшей мере одно ребро, проходящее вдоль продольного направления лопасти ротора. В обычных лопастях ротора вершина лопасти ротора обычно выполнена полой, но заполнена наполнителем из вспененного материала. Это препятствует эффективному нагреву вершины лопасти ротора. Это может вести к образованию льда, в частности в области вершины лопасти ротора, и приводить к опасному падению льда из–за высокой скорости вершины лопасти ротора. Кроме того, выполнена выполненная с возможностью нагрева вершина лопасти с подходящим отклонителем в области вершины лопасти ротора. Кроме того, опционально может быть выполнена перегородка ребра. Для дальнейшего улучшения может быть выполнен байпасный воздухозаборник, который оптимизирует поток в области отклонения, в которой поток пограничного слоя удаляется на конце ребра, и тем самым могут быть уменьшены отрыв потока и турбулентность.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения отклоняющий элемент, например, в виде клинообразного элемента из вспененного материала, выполнен в области вершины лопасти ротора. Отклоняющий элемент служит для отклонения воздушного потока на передней кромке таким образом, что нагретым воздухом также может осуществляться нагрев задней кромки. Клинообразный элемент из вспененного материала может быть выполнен таким образом, что часть воздуха может течь мимо него в вершину лопасти ротора, и может вытекать из нее, чтобы нагревать вершину лопасти ротора. С помощью лопасти ротора в соответствии с изобретением возможно, что основной поток направляется с помощью встроенного отклонителя в направлении фланца лопасти, в то время как вспомогательный поток направляется в области обтекателя передней кромки вдоль отклонителя к вершине лопасти ротора.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения в вершине лопасти ротора могут быть выполнены отверстия, чтобы обеспечить возможность удаления воды из вершины лопасти ротора. Опционально решетка может быть выполнена перед впуском для воздуха в вершине лопасти ротора, чтобы обеспечить возможность предотвращения блокирования удаления воды.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения воздухозаборник может быть выполнен в области одного из ребер, чтобы обеспечить возможность байпаса (обходного пути). Это может привести к отрицательному давлению в торсионном канале стороны вершины.

В соответствии с изобретением объемный расход для нагрева лопасти может быть увеличен. С помощью лопасти ротора в соответствии с изобретением возможно оптимальным образом отклонять воздушный поток при любом расходе и уменьшить потери давления. С помощью лопасти ротора в соответствии с изобретением отрыв потока и турбулентность в области отклонения могут быть уменьшены. Возможно устранение обледенения лопасти ротора или вершины лопасти ротора, чтобы уменьшить падение льда.

С помощью лопасти ротора в соответствии с изобретением воздушный поток для нагрева лопасти ротора улучшается простым образом, без отрицательного влияния при этом на защиту от молний. С помощью воздухозаборника создается отрицательное давление в области между первым и вторым ребрами. Тем самым воздухозаборник служит для поддержания потока.

Дополнительно или в качестве альтернативы, может быть далее выполнен отклоняющий элемент, имеющий наименьшее возможное изменение площади поперечного сечения, причем проточный канал имеет небольшое изменение площади поперечного сечения после установки отклоняющего элемента.

В соответствии с изобретением предлагается лопасть ротора ветроэнергетической установки, имеющая по меньшей мере одно ребро, предпочтительно два ребра, вдоль продольного направления лопасти ротора. Для нагрева лопасти ротора может быть выполнен воздушный поток вдоль ребер. Воздушный поток начинается в области основания лопасти ротора, и, предпочтительно нагретый, воздух течет вдоль первого ребра и/или второго ребра и должен отклоняться в области вершины лопасти ротора. Для улучшения воздушного потока по меньшей мере один воздухозаборник выполнен на одном из ребер, причем отверстие выполнено в ребре в месте расположения воздухозаборника таким образом, что с помощью воздухозаборника отрицательное давление может быть предпочтительно выполнено в области между первым и вторым ребрами. Для дальнейшего улучшения воздушного потока элемент для отсоса пограничного слоя, например, в виде пластины для отсоса пограничного слоя, может быть выполнен на свободных концах первого и второго ребер. Между элементом для отсоса пограничного слоя и воздухозаборником создается синергический эффект, так как воздухозаборник на ребре может создавать отрицательное давление в области между первым и вторым ребрами, в результате чего отсос пограничного слоя с помощью элемента для отсоса пограничного слоя улучшается.

Опционально может быть выполнена полая вершина лопасти ротора, перед которой выполнен отклоняющий элемент, который оставляет свободными первый и второй воздушные каналы между отклоняющим элементом и оболочками лопасти ротора, так что может осуществляться нагрев полой вершины лопасти ротора или через нее может течь теплый воздух.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения по меньшей мере один воздухозаборник выполнен на первом ребре и между первым и вторым ребрами. В области воздухозаборника в ребре может быть выполнено отверстие, так что воздух может течь через это отверстие и воздухозаборник в область между первым и вторым ребрами. Воздухозаборник, во–первых, выполняет функцию отклонения воздушного потока в области между первым ребром и передней кромкой лопасти ротора в область между первым и вторым ребрами, при этом поток затем течет дальше в направлении основания лопасти ротора. Воздухозаборник далее, совместно с элементом для отсоса пограничного слоя, выполняет функцию отсоса, в частности турбулентного, пограничного слоя в области элемента для отсоса пограничного слоя. Совместно с элементом для отсоса пограничного слоя воздухозаборник действует подобно эжекторному насосу и приводит к тому, что отрицательное давление образуется в области между первым и вторым ребрами.

В соответствии с альтернативным аспектом настоящего изобретения воздухозаборник также может быть размещен на втором ребре, когда воздух в области между вторым ребром и концевой кромкой течет от области основания лопасти ротора к области вершины лопасти ротора.

В качестве альтернативы, воздухозаборник может быть выполнен и на первом ребре и на втором ребре, когда воздушный поток направляется и вдоль передней кромки и вдоль задней кромки от области основания лопасти ротора к области вершины лопасти ротора.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения щели 281 в элементе для отсоса пограничного слоя имеют ширину ≤5 мм.

Другие варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Далее подробно описываются со ссылкой на чертежи преимущества и примерные варианты осуществления изобретения.

Фиг. 1 – схематический вид ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 – схематический вид с разрывами лопасти ротора ветроэнергетической установки, показанной на фиг. 1.

Фиг. 3 – схематический вид области вершины лопасти ротора в лопасти ротора в соответствии с изобретением.

Фиг. 4 – схематический вид части лопасти ротора в соответствии с изобретением.

Фиг. 5 – схематическое изображение другой части лопасти ротора в соответствии с изобретением.

Фиг. 6 – схематический вид области стороны вершины лопасти ротора в лопасти ротора в соответствии с изобретением.

На фиг. 1 представлен схематический вид ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением. Ветроэнергетическая установка 100 содержит мачту 102 и гондолу 104 на мачте 102. Аэродинамический ротор 106 с тремя лопастями 200 ротора и обтекателем 110 выполнен на гондоле 104. Аэродинамический ротор 106 приводится во вращательное движение ветром во время работы ветроэнергетической установки, и тем самым также вращает ротор генератора, который связан напрямую или опосредованно с аэродинамическим ротором 106. Электрический генератор размещен в гондоле 104 и вырабатывает электрическую энергию. Угол установки лопастей 200 ротора можно изменять с помощью двигателей для регулирования угла установки, размещенных на основаниях лопастей ротора соответствующих лопастей ротора 200.

На фиг. 2 представлен схематический вид с разрывами лопасти ротора ветроэнергетической установки, показанной на фиг. 1. Лопасть 200 ротора имеет область 200a основания лопасти ротора, область 200b вершины лопасти ротора, вершину 240 лопасти ротора, переднюю кромку 201, заднюю кромку 202, лицевую сторону 200c и тыльную сторону 200d. По меньшей мере одно ребро 210 проходит вдоль продольного направления L лопасти 200 ротора внутри лопасти ротора. Например, могут быть выполнены два ребра 211, 212, которые могут вначале располагаться параллельно и сближаться друг с другом в области вершины 240 лопасти ротора. В этом случае длина первого ребра 211 может быть меньше, чем длина второго ребра 212. Вершина 240 лопасти ротора может быть выполнена в виде отдельной части и может быть прикреплена к остальной части лопасти 200 ротора.

Нагретый воздух может направляться вдоль ребер в направлении вершины 240 лопасти ротора и затем отклоняться. Опционально вершина лопасти ротора может быть выполнена по меньшей мере частично полой, так что часть нагретого воздуха может течь через вершину 240 лопасти ротора для устранения обледенения вершины 240 лопасти ротора.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения нагретый воздух может или генерироваться в области основания лопасти ротора, где воздух нагревают с помощью нагревательного блока 300, или нагретый воздух подается к лопасти ротора в области основания лопасти ротора.

На фиг. 3 представлен схематический вид области вершины лопасти ротора в лопасти ротора в соответствии с изобретением. От области 200a основания лопасти ротора воздушный поток (например, воздух, нагретый с помощью нагревательного блока 300) течет вдоль передней кромки 200c к области 200b вершины лопасти ротора и там сталкивается с отклоняющим элементом 250, который, например, может быть выполнен в виде клинообразного элемента из вспененного материала. Обтекатель 260 передней кромки лопасти ротора может быть выполнен в области 200b вершины лопасти ротора. Отклоняющий элемент 250 имеет первый конец 251 и второй конец 252. Свободное пространство 253 может быть выполнено между вторым концом 252 и обтекателем 260 передней кромки лопасти ротора, так что часть воздушного потока может течь в вершину 240 лопасти ротора через это свободное пространство. Вершина 240 лопасти ротора может по меньшей мере частично содержать полое пространство 241, так что воздух может течь в полое пространство 241 и может вытекать из него. Еще один канал 254 кроме того выполнен между первым концом 251 отклоняющего элемента и задней кромкой 200d, так что воздух может течь через него. Основная часть воздушного потока затем отклоняется с помощью отклоняющего элемента 250 таким образом, что воздух затем может течь между первым ребром 211 и задней кромкой обратно к области 200a основания лопасти ротора.

На фиг. 4 представлен схематический вид части лопасти ротора в соответствии с изобретением. Для дальнейшего улучшения воздушного потока воздухозаборник 270 может быть выполнен на втором ребре 212. Воздухозаборник 270 далее проходит в область между первым и вторым ребрами 211, 212.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения лопасть ротора может иметь воздухозаборник на втором ребре 212 без выполнения отклоняющим элементом 250. Кроме того, лопасть ротора не обязательно должна иметь полую вершину лопасти.

Для дальнейшего улучшения воздушного потока в области вершины лопасти ротора может быть выполнен элемент 280 для отсоса пограничного слоя, который может быть выполнен в области концов первого и второго ребер.

На фиг. 5 представлено схематическое изображение другой части лопасти ротора в соответствии с изобретением. Элемент 280 для отсоса пограничного слоя может быть выполнен в виде пластины для отсоса пограничного слоя и может иметь первый конец 282 и второй конец 283. Второй конец 283 соединен с одним концом первого ребра 212, а первый конец 282 соединен с одним концом ребра 211. Кроме того, выполнены множество удлиненных щелей 281.

На фиг. 6 представлен схематический вид области стороны вершины лопасти ротора в лопасти ротора в соответствии с изобретением. На фиг. 6 в частности показаны вершина 240 лопасти ротора, клинообразный элемент 250 из вспененного материала, воздухозаборник 270 и элемент 280 для отсоса пограничного слоя, например, в виде пластины для отсоса пограничного слоя.

Воздухозаборник 270 выполнен на ребре 212 или в области ребра 212 и служит в качестве байпасного воздухозаборника. С помощью этого воздухозаборника 270 поток в области отклонения может быть оптимизирован таким образом, что поток пограничного слоя удаляется на конце ребра, и отрыв потока и турбулентность уменьшаются. Для дальнейшего улучшения потока в области отклонения выполнен элемент 280 для отсоса пограничного слоя, который содержит удлиненные щели в области отклонения. Отклоняющий элемент 250 может быть реализован в виде клинообразного элемента из вспененного материала и служит для отклонения воздушного потока. Отклоняющий элемент 250 выполнен в области вершины 240 лопасти ротора. Отклоняющий элемент 250 в этом случае может служить в качестве удлинителя ребра и обеспечивать улучшенное направление воздуха в вершину лопасти. В этом случае основной поток, который сталкивается с отклоняющим элементом, может отклоняться таким образом, что, например, он течет между первым и вторым ребрами 211, 212 или между ребром 211 и задней кромкой обратно к основанию лопасти ротора. Часть потока течет между двумя ребрами обратно к основанию лопасти ротора, и часть потока течет между ребром 211 и задней кромкой обратно к основанию лопасти ротора.

Изобретение относится к лопасти ротора ветроэнергетической установки, а также к ветроэнергетической установке с соответствующей лопастью ротора. Лопасть (200) ротора ветроэнергетической установки содержит область (200a) основания лопасти ротора, область (200b) вершины лопасти ротора, лицевую сторону (200c), тыльную сторону (200d), переднюю кромку (201), заднюю кромку (202), по меньшей мере одно ребро (210, 211, 212), проходящее между лицевой стороной (200c) и тыльной стороной (200d) и вдоль продольного направления (L) лопасти (200) ротора, отклоняющий элемент (250), выполненный между одним концом по меньшей мере одного ребра (210, 211, 212) и областью вершины лопасти ротора с возможностью отклонять нагретый воздух, который течет от области (200a) основания лопасти ротора вдоль по меньшей мере одного ребра (210, 211, 212), и по меньшей мере один воздухозаборник (270) на одном из по меньшей мере одного ребра (212). Дополнительно содержит элемент (280) для отсоса пограничного слоя, присоединенный к расположенным со стороны вершины лопасти ротора концам первого и второго ребер (211, 212) для отсоса турбулентного пограничного слоя или открытых мест воздушного потока. Техническим результатом изобретения является обеспечение улучшенного нагрева лопасти ротора. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лопасть (200) ротора ветроэнергетической установки, содержащая область (200a) основания лопасти ротора, область (200b) вершины лопасти ротора, лицевую сторону (200c), тыльную сторону (200d), переднюю кромку (201), заднюю кромку (202), по меньшей мере одно ребро (210, 211, 212), проходящее между лицевой стороной (200c) и тыльной стороной (200d) и вдоль продольного направления (L) лопасти (200) ротора, отклоняющий элемент (250), выполненный между одним концом по меньшей мере одного ребра (210, 211, 212) и областью вершины лопасти ротора с возможностью отклонять нагретый воздух, который течет от области (200a) основания лопасти ротора вдоль по меньшей мере одного ребра (210, 211, 212), и по меньшей мере один воздухозаборник (270) на одном из по меньшей мере одного ребра (212), дополнительно содержащая элемент (280) для отсоса пограничного слоя, присоединенный к расположенным со стороны вершины лопасти ротора концам первого и второго ребер (211, 212) для отсоса турбулентного пограничного слоя или открытых мест воздушного потока.

2. Лопасть (200) ротора ветроэнергетической установки по п. 1, в которой выполнены по меньшей мере одно первое и одно второе ребра (211, 212), при этом воздухозаборник (270) выступает в область между первым и вторым ребрами (211, 212) и служит для создания отрицательного давления в области между первым и вторым ребрами (211, 212).

3. Лопасть (200) ротора ветроэнергетической установки по п. 1 или 2, в которой элемент (280) для отсоса пограничного слоя содержит множество щелей (281).

4. Лопасть (200) ротора ветроэнергетической установки по п. 1 или 3, в которой первый конец (282) элемента (280) для отсоса пограничного слоя присоединен к первому ребру (211), а второй конец (283) присоединен к одному концу второго ребра (212).

5. Лопасть ротора ветроэнергетической установки по одному из пп. 1-4, в которой область (200b) вершины лопасти ротора содержит по меньшей мере частично полую вершину (240) ротора, при этом отклоняющий элемент (250) по существу закрывает область (200b) вершины лопасти ротора, при этом между одним концом (252) отклоняющего элемента (250) и обтекателем (260) передней кромки выполнен первый вентиляционный канал, а между одним концом (251) отклоняющего элемента (250) и задней кромкой (202) выполнен второй воздушный канал.

6. Ветроэнергетическая установка, имеющая по меньшей мере одну лопасть ротора ветроэнергетической установки по одному из пп. 1-4.