Лопасть ветродвигателя Советский патент 1992 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к устройствам для преобразования кинетической энергии потока ветра в механическую энергию и может использоваться в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения.

Известен ротор ветродвигателя с вертикальной осью вращения, лопасти которого имеют аэродинамический профиль, замкнутый по контуру таким образом, что внутри образуется, проходной канал для потока ветра.

Недостатки этой системы - жесткая связь лопасти с траверсой и высокое аэро- динамическое сопротивление при движении лопасти во встречном потоке.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является лопасть ветродвигателя,

в оболочке которой с помощью лонжерона закреплены каналы для прохода воздушного потока 1 .

Однако в такой конструкции из-за локальных циркуляционных потоков во время движения лопасти во встречном потоке наблюдается рост аэродинамического сопротивления, что отрицательно сказывается на коэффициент преобразования энергии ветра в механическую. Кроме того, такой профиль при изготовлении требует повышенных трудовых и материальных затрат.

Цель изобретения - упрощение изготовления лопасти.

Поставленная цель достигается тем, что оболочка снабжена нервюрами и дополнительными лонжеронами, а внутренние каналы выполнены поперечными и наклонены к хорде лопасти. При этом они разделены

00 ГС

GO

нервюрами на секции. Входные и выходные отверстия каждого канала расположены соответственно на передней и -задней кромках оболочки. Боковые поверхности каналов, соединенные с нервюрами, представляют основной лонжерон и с помощью дополнительных лонжеронов эти поверхности закреплены на оболочке. При этом поперечное сечение самой оболочки выполнено в форме параллелограмма. Наружные поверхности оболочки и внутренние поверхности каналов покрыты лаком, имеющим низкий коэффициент сцепления с воздушным потоком.

Применение наклонного канала, соединяющего переднюю и заднюю кромки оболочки, позволяет передать часть скоростного напора воздушной струи через верхнюю -стенку канала и лонжероны на лопасть, увеличив при этом ее подъемную силу. Так как верхняя линия канала соединяется с наивысшей точкой оболочки лопасти, то над верхней плоскостью лопасти образуется разрежение, которое также увеличивает подъемную силу. Под задней кромкой встречаются два воздушных потока: первый - выходящий из канала, второй - скользящий по нижней плоскости. Их увеличенное давление передается на заднюю кромку и также увеличивает подъемную силу лопасти. Так как нижняя плоскость образует с набегающим потоком положительный угол атаки, вертикальная составляющая скоростного напора направлена вверх, увеличивая общее значение подъемной силы. Острый угол между нижней плоскостью и передней кромкой резко снижает лобовое сопротивление лопасти, особенно при движении ее во встречном потоке ветра, когда относительная скорость движения лопасти по отношению к движущимся частицам воздуха достигает максимальной величины. Такое конструктивное решение позволяет существенно уменьшить потери энергии на перемещение лопасти на возврат- нон части траектории ее движения.

Выполнение обшивки из листов плоскопараллельной формы, а всего сечения лопасти в виде параллелограмма исключает необходимость получать точный аэродинамический профиль, что всегда связано с при- менением специальных технологий и вызывает немалые трудозатраты, поэтому предлагаемое техническое решение значительно упрощает технологию изготовления лопастей, что представляет возможным их производство в условиях неспециализированных предприятий.

Покрытие поверхностей оболочки и внутренней поверхности канала спецлаком, который снижает сцепление поверхности оболочки с воздушным потоком, уменьшает в пограничном слое циркуляции воздушных потоков на их поверхностях и тем самым снижает сопротивление движению лопасти в омываемом потоке. Кроме того, струя воздушного потока, движущаяся по передней

o

5

5

кромке, скользя по лакированной поверхности в режиме обтекания, близком к ламинарному, в точке сопряжения с нижней линией канала из-за малого сцепления с поверхностью скольжения отрывается от нее и в дальнейшем, смешиваясь со струей, непосредственно попадающей в створ канала, образует над нижней боковой поверхностью канала разрежение, которое увеличивает подъемную силу лопасти,.

Таким образом, предлагаемая форма лопасти позволяет дополнительно существенно улучшить ее аэродинамическое качество.

На фиг. 1 изображена лопасть, полереч- 5 ное сечение; на фиг. 2 - то же, вид в плане; на фиг. 3 - положение лопасти в роторе ветродвигателя при его вращении.

Лопасть ветродвигателя состоит из оболочки, представляющей собой переднюю 1 и заднюю 2 кромки, соединенные между со- 0 бой нижней 3 и верхней 4 плоскостями таким образом, что сечение оболочки имеет форму параллелограмма.

Внутри оболочки наклонно к хорде проходят поперечные каналы 5, которые с помощью лонжеронов б соединяются своими верхними боковыми поверхностями 7 с верхней плоскостью 4, а нижними боковыми поверхностями 8 - с нижней плоскостью 3. Каналы разделены нервюрами 9. Каждая нервюра, расположенная в середине лопасти разграничивает два смежных канала, а нервюры на концах лопасти одновременно также служат базой для крепления цапф 10, которыми лопасть устанавливается в подшипниках траверс ветроколеса. После сварки и обработки сварных швов наружные 5 поверхности оболочки и внутренние поверхности каналов покрываются лаком, снижающим сцепление поверхности оболочки с воздушным потоком.

Лопасть ветродвигателя работает следующим образом.

На фиг. 3 показано последовательное изменение положения лопасти в пространстве во время вращения ротора. Это достигается поворотом ее оси в подшипниках траверс ветроколеса.

Движущийся поток воздуха, омывая лопасть, создает на валу ротора крутящий момент, вращающий вал по часовой стрелке с угловой скоростью со.

Коэффициент подъемной силы (С,,) и коэффициент лобового сопротивления (С) изменяется в каждом новом положении лопасти на окружности ротора, .так как при этом изменяется угол атаки а. Устройством управления положением лопасти на окружности ротора угол а в каждой конкретной позиции выбирается таким, чтобы коэффициент мощности Ср был максимальным. При этом будет достигнуто наиболее благоприятное условие преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию ветродвигателя. На фиг. 3 возле

0

0

0

5

каждого положения лопасти показаны составляющие аэродинамической силы, действующей на лопасть. Как видно из фиг. 3, часть сил, действующих на лопасть, создают положительный крутящий момент, а часть - отрицательный.

Так, в положении III и V обе составляющие аэродинамической силы создают положительный момент, а в положении I, II и VI составляющие, направленные по оси у создают положительный крутящий момент, а составляющие, направленные по оси х - тормозящий отрицательный момент. В положе,- ниях от VII до 0 в связи с тем, что плечо / -cosp растет до R и намного превышает

to

После перехода струи .линии сопряжения передней кромки 1 с нижней боковой поверхности 8 канала она смешивается с воздушным потоком, движущимся в створе канала 5. Смешанный поток частично изменяет свое предыдущее направление движения. Его новое направление и величина скорости могут быть определены векторным сложением. Большая часть этого потока попадает внутрь канала 5 и скользит вдоль верхней боковины канала 7, передавая ей часть своей кинетической энергии. При этом над поверхностью 8 давление будет меньше, чем под поверхностью 7. Лопасть будет испытывать усилие подъема. Над верхней плоскостью 4 разре/ -sinp, угол а выбирается таким, чтобы 15 жекие увеличивает общую подъемную силу, затраты энергии на перемещение лопасти

во встречном потоке были минимальны. При движении от 0 до 1 угол меняет свой знак с отрицательного на положительный. Значение, отличное от 0, угол -fct приобретает в точке, когда f/,,cos6, Чем меньше 20 жения он смешивается с потоком, выходяСкользящий по нижней плоскости 3 поток воздуха все время «накатывается на нижележащую ее поверхность и отдает ей часть своего скоростного напора на протяжении всей длины плоскости . В конце своего скольбудет достигнуто значение угла б, тем больше количество энергии мы можем получать с ветроустановки. На величину угла б влияет форма лопасти. Чем выше будет значение Су/С, тем меньшее значение б можно закладывать в конструкцию направляющих, определяющих положение лопасти в пространстве.

За один полный оборот ротора, когда лопасть последовательно пройдет все положения от 0 до VII, произойдет трансформация обтекаемых поверхностей, и уже в новом цикле те поверхности, которые были передними и верхними, станут задними и нижними. Не измениться же при этом их аэродинамическому качеству, помогает форма лопасти, выполненная в виде параллелограмма (см. изменение положения точек лопасти А и Б).

При пересечении набегающего потока воздуха, движущегося со скоростью Vy (фиг. 1), лопасть разделяет его на две части. Одна часть скользит по нижней плоскости 3,

25

30

35

щим с канала 5 и движется вдоль задней плоскости 2. Этот смешанный поток, взаимодействуя с кромкой 2, передает ей свое избыточное давление, повышая общее значение подъемной силы. Так как поверхности 7 и 4 соединяются в самой верхней линии лопасти и поток воздуха проходит не по верхней плоскости 4, а внутри канала, то увеличение угла атаки не грозит опасности срыва потока на верхнем контуре, как это происходит в известных конструкциях аэродинамического профиля, когда угол атаки превышает критическое значение. Поэтому в предлагаемой конструкции предоставляется возможность увеличить угол атаки на 9-12° по сравнению с существующими профилями, что позволяет увеличить общее значение подъемной силы.

При движении лопасти во встречном потоке (от VII до I положения), когда нужно будет обеспечить минимальное лобовое сопротивление, лопасть устанавливается таким

а другая - по передней кромке 1. Острый 40 образом, что нижняя 3 и верхняя 4 плоскости

угол в предлагаемой конструкции между передней кромкой и нижней плоскостью значительно уменьшает ее лобовое сопротивление. Перемещению лопасти будут препятствовать силы, возникающие от взаимодействия частичек воздуха с поверхностями 1, 3 и 7. Величина этих сил зависит в основном от числа Рейнольдса набегающего потока, от степени турбулентности в нем и уровня, поверхностной шероховатости. Поэтому по45

становятся параллельными потоку ветра. Площадь обтекания при этом будет минимальной и равной высоте параллелограмма. . Над плоскостью 4 не будет создаваться разрежение, а под плоскостью 3 - избыточное давление. Из-за малого угла наклона поверхности 8 к направлению ветрового потока величина разрежения над ней незначительна. Вертикальная составляющая скоростного напора, действующая на переднюю кромку 1,

крытие передней кромки 1 лаком, который 50 компенсируется противоположно направлен

сгладит неровности, повысит чистоту поверхности до зеркальной и снизит коэффициент , сцепления ее с воздушным потоком, а значит, тем самым уменьшит толщину турбулентного пограничного слоя, приведет к снижению сопротивления движению лопасти. Поэтому 55 в-основном режим течения воздушного потока по кромке 1 будет близким -к ламинарному, т. е. число Рейнольдса будет намного меньше критического значения / екр 5-105.

ной составляющей скоростного напора, действующей на поверхность 7. Малые углы наклона этих поверхностей к вектору скорости ветрового потока значительно снижают лобовое сопротивление лопасти.

Подобная же картина будет наблюдаться и на траектории движения лопасти от точки III до точки V. Так как линейная скорость лопасти выше скорости ветра, то в точках, близких к IV, возникает необходимость при

После перехода струи .линии сопряжения передней кромки 1 с нижней боковой поверхности 8 канала она смешивается с воздушным потоком, движущимся в створе канала 5. Смешанный поток частично изменяет свое предыдущее направление движения. Его новое направление и величина скорости могут быть определены векторным сложением. Большая часть этого потока попадает внутрь канала 5 и скользит вдоль верхней боковины канала 7, передавая ей часть своей кинетической энергии. При этом над поверхностью 8 давление будет меньше, чем под поверхностью 7. Лопасть будет испытывать усилие подъема. Над верхней плоскостью 4 разрежекие увеличивает общую подъемную силу,

жения он смешивается с потоком, выходяСкользящий по нижней плоскости 3 поток воздуха все время «накатывается на нижележащую ее поверхность и отдает ей часть своего скоростного напора на протяжении всей длины плоскости . В конце своего сколь5

0

5

щим с канала 5 и движется вдоль задней плоскости 2. Этот смешанный поток, взаимодействуя с кромкой 2, передает ей свое избыточное давление, повышая общее значение подъемной силы. Так как поверхности 7 и 4 соединяются в самой верхней линии лопасти и поток воздуха проходит не по верхней плоскости 4, а внутри канала, то увеличение угла атаки не грозит опасности срыва потока на верхнем контуре, как это происходит в известных конструкциях аэродинамического профиля, когда угол атаки превышает критическое значение. Поэтому в предлагаемой конструкции предоставляется возможность увеличить угол атаки на 9-12° по сравнению с существующими профилями, что позволяет увеличить общее значение подъемной силы.

При движении лопасти во встречном потоке (от VII до I положения), когда нужно будет обеспечить минимальное лобовое сопротивление, лопасть устанавливается таким

0 образом, что нижняя 3 и верхняя 4 плоскости

5

становятся параллельными потоку ветра. Площадь обтекания при этом будет минимальной и равной высоте параллелограмма. . Над плоскостью 4 не будет создаваться разрежение, а под плоскостью 3 - избыточное давление. Из-за малого угла наклона поверхности 8 к направлению ветрового потока величина разрежения над ней незначительна. Вертикальная составляющая скоростного напора, действующая на переднюю кромку 1,

компенсируется противоположно направлен

ной составляющей скоростного напора, действующей на поверхность 7. Малые углы наклона этих поверхностей к вектору скорости ветрового потока значительно снижают лобовое сопротивление лопасти.

Подобная же картина будет наблюдаться и на траектории движения лопасти от точки III до точки V. Так как линейная скорость лопасти выше скорости ветра, то в точках, близких к IV, возникает необходимость прикладывать дополнительную энергию на перемещение лопасти, так как она будет испытывать встречное сопротивление частичек воздуха со скоростью, равной разности линейной скорости лопасти и Vg . Поэтому профиль лопасти ориентируется на минимал яое сопротивление перемещению. При переходе на более крутую траекторию (точка V) лопасть разворачивается и воспринимает давление ветра всей своей плоскостью, т, е.1 работает как парус. Угол наклона хорды к оси х выбирается таким, чтобы суммарный момент от Ki и у; был максимальным.

Применение предлагаемой конструкции лопасти в ветродвигателях с коэффициентом быстроходности более 1 позволяет существенно снизить аэродинамическое сопротивление, увеличить подъемную силу, исключить необходимость переориентации профиля по направлению потока ветра и упростить

конструкцию, а значит, и снизить затраты на ее изготовление.

Формула изобретения

1.Лопасть-ветродвигателя, содержащая оболочку с внутренними каналами и лонжероном, отличающаяся тем, что, с целью упрощения изготовления, оболочка снабжена нервюрами и дополнительным лонжероном, внутренние каналы выполнены поперечными, наклонены к хорде и разделены нервюрами на секции, входные и выходные отверстия которых расположены соответственно на входной и выходной кромках оболочки, при этом лонжероны укреплены между стенками каналов и оболочки, а поперечное сечение последней выполнено в виде параллелограмма.

2.Лопасть по п, 1, отличающаяся, тем, что наружные поверхности оболочки и внутренние поверхности каналов покрыты лаком.

. Изобретение относится к ветротехнике и может быть использовано в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения. Цель изобретения - .упрощение изготовления лопасти. Лопасть ветродвигателя состоит из оболочки, представляющей собой переднюю и заднюю кромки, соединенные между собой нижней и верхней плоскостями таким образом, что сечение оболочки имеет форму параллелограмма. Внутри оболочки наклонно к хорде проходят поперечные каналы, которые с помощью лонжеронов подсоединяются своими верхними боковыми поверхностями к верхней плоскости, а нижними боковыми поверхностями - к нижней плоскости. Каналы разделены нервюрами. Каждая нервюра, расположенная в середине лопасти, разграничивает два смежных канала, а нервюры на концах лопасти одновременно также служат базой для крепления цапф, которыми лопасть устанавливается в подшипниках траверс ветроколеса. После сварки и обработки сварных швов наружные поверхности оболочки и внутренние поверхности каналов покрываются лаком. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. i (/)

Я.

3 8 Фиг. 1