Лопасть ветродвигателя

(51)5 Р 03 Р 3 06 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(71) Днепропетровский государственный университет им. 300-летия воссоединения Украины с Россией(54) ЛОПАСТЪ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ (57) 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 кроИзобретение 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 аэродинамическое сопротивление при движении лопасти во встречном потоке.Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является лопасть ветродвигателя.80,1710823 А 1 2мки, 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 разделенынервюрами. 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. в оболочке которой с помощью лонжерона закреплены каналы для прохода воздушного потока 1Однако 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 разделены40 Выполнение обшивки из листов плоско- параллельной формы, а всего сечения лопасти в виде параллелограмма исключает необходимость получать точный аэродинамический профиль, что всегда связано с при. 45 менением специальных технологий и вызывает немалые трудозатраты, поэтому предлагаемое техническое решение значительно упрощает технологию изготовления лопастей, что представляет возможным их производство в условиях неспециализированных 50 предприятий,Покрытие поверхностей оболочки и внутренней поверхности канала спецлаком, который снижает сцепление поверхности оболочки с воздушным потоком, уменьшает в пограничном слое циркуляции Воздушных 55 потоков на их поверхностях и тем самым снижает сопротивление движению лопасти в омываемом потоке. Кроме того, струя воздушного потока, движущаяся по передней нервюрами на секции. Входные и выходные отверстия каждого канала расположенысоответственно 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 увеличиваег 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 возвратной части траектории ее движения. 10 15 20 25 30 35 кромке, скользя по лакированной поверхности в режиме обтекания, близком к ламинарному, в точке сопряжения с нижней лийией канала из-за малого сцепления с поверхностью скольжения отрывается от нееи в дальнейшем, смешиваясь со струей, непосредственно попадающей в створ канала,образует над нижней боковой поверхностьюканала разрежение, которое увеличиваетподъемную силу лопасти,.Таким образом, предлагаемая формалопасти позволяет дополнительно существенно улучшить ее аэродинамическое качество.На фиг. 1 изображена лопасть, поперечное сечение; на фиг. 2 - то же, вид в плане;на фиг. 3 - положение лопасти в ротореветродвигателя при его вращении.Лопасть ветродвигателя состоит из оболочки, представляющей собой переднюю 1и заднюю 2 кромки, соединенные между собой нижней 3 и верхней 4 плоскостями такимобразом, что сечение оболочки имеет формупараллелограмма.Внутри оболочки наклонно к хорде проходят поперечные каналы 5, которые с помощью лонжеронов б соединяются своимиверхними боковыми поверхностями 7 с верхней плоскостью 4, а нижними боковыми поверхностями 8 - . с нижней плоскостью 3.Каналы разделены нервюрами 9. Каждаянервюра, расположенная в середине лопастиразграничивает два смежных канала, а нервюры на концах лопасти одновременно также служат базой для крепления цапф 1 О,которыми лопасть устанавливается в подшипниках траверс ветроколеса. После сварки и обработки сварных швов наружныеповерхности оболочки и внутренние поверхности каналов покрываются лаком, снижающим сцепление поверхности оболочки с воздушным потоком.Лопасть ветродвигателя работает следующим образом,На фиг. 3 показано последовательноеизменение положения лопасти в пространстве во время вращения ротора. Это достигается поворотом ее оси в подшипниках траверс ветроколеса.Движущийся поток воздуха, омываялопасть, создает на валу ротора крутящиймомент, вращающий вал по часовой стрелке". угловой скоростью в.Коэффициент подъемной силы (С, ) икоэффициент лобового сопротивления (С)изменяется в каждом новом положении лопасти на окружности ротора, так как приэтом изменяется угол атаки а. Устройствомуправления положением лопасти на окружности ротора угол а в каждой конкретнойпозиции выбирается таким, чтобы коэффициент мощности С был максимальным. Приэтом будет достигнуто наиболее благоприятное условие преобразования кинетическойэнергии ветрового потока в механическуюэнергию ветродвигателя, На фиг, 3 возле1708235 6 каждого положения лопасти показаны со- После перехода струтруи линии сопряжения ставляюшие аэродинамической силы, дей- передней кромки 1 с нижней боковой поверх. ствующей на лопасть. Как видно из фиг. 3, ности 8 канала она смешивается с воздушчасть сил, действующих на лопасть, создают ным потоком, движущимся в створе канала 5, положительныи крутящий момент, а часть - 5 Смешанный поток частично изменяет свое отрицательный, предыдущее направление движения. ЕгоТак, в положении 111 и Ч обе составляю- новое направление и величина скорости мощие аэродинамической силы создают поло- гут быть определены векторным сложением,тока попадает внутрь жительный момент, а в положении 1, 1 и Ч 1 Большая часть этого потосоставляющие, направленные по оси у соз- канала 5 и скользит в "бвдоль верхнеи боковины дают положительный крутящий момент, а со- О канала 7, передавая ей частьеи часть своеи кинетинад поверхностью ставляющие, направленные по оси х - тор- ческой энергии. При этом на п мозящий отрицательный момент. В положе;, 8 давление будет меньше чеше, чем под поверх- Я совр астет о Ядо в связи с тем, что плечо ностью 7, Лопасть будет испытывт вать усилие Я з 1 п гр р т до Я и намного превышает подъема. Над верхней плоскостью 4р, у ол а выбирается таким, чтобы 15 жение увеличивает общую подъемную силу.тью разрезатраты энергии на перемещение лопасти Скользящий по нижней плоскости 3сти поток движении от О ор отоке были минимальны. При воздуха все время накатыва ется на нижедо угол меняет свой знак лежащую ее поверхность и отда с от и ательнр ц ого на положительныи. Значе- своего скоростного напорантдает еи часть ние, отличное от О, гол +а п иор на протяжениит, угол +а приобретает всей длины плоскости. В конце своего сколь- в точке, когда у;яппи)х;соМ. Чем меньше 20 ження он смешивается с потоком, выходя- будет достигнуто значение угла б тем боль- шим с кана 5Фала и движется вдоль задней ше количество энергии мы можем получать плоскости 2. Эттот смешанныи. поток, взаимою, передает еи свое избыс ветроустановки. На величину угла 6 влияет действуя с кромкой 2 пе форма лопасти. Чем выше будет значение точное давление, повышая общее значение/, тем меньшее значение 6 можно за- подъемной силы. Так как поверхности 7 и 4 кладывать в конструкцию направляющих, соединяются в самой верхней линии лопии лопасти ранствер ш о ожение лопасти в прост- и поток воздуха проходитр не по верхнеиплоскости 4, а внутри канала, то увеличениеЗа один полный обо от ор р тора, когда угла чтаки не грозит опасности срыва потока лопасть последовательно пройдет все поло- на верхнем конт е кур, как это происходит вот до, произоидет трансформа- ЗО известных конструкциях аэродинамического ция обтекаемых поверхностей, и уже в новом профиля, когда угол атаки превышает к и- цикле те поверхности, которые были перед- тическоезначение. Поэтому в предлагаемой ними и верхними стан т заНе измениться жр, у дними и нижними, конструкции предоставляется возможнони ься же при этом их аэродинами- увеличить угол атаки на 9 - 12 по с авнесть ческом качеств, пому у, помогает форма лопасти, нию с существующими профилями, что позна - по сравневыполненная в ви ед параллелограмма (см. З 5 воляет увеличить общее значение подъемной изменение положения точек лопасти А и Б). силы.При движении лопасти во встречном по- воздуха, движущегося со скоростью Ы токе (от Ч 11 до 1 положения), когда н жно (фиг. 1), лопасть азр деляет его на две частй будет обеспечить минимальное лобовое сов ния, когда нужно Одна часть скользит по ни жней плоскости 3, противление, лопасть устанавливается таким а другая - по передней кромке 1. Острый 4 О образом, что нижняя 3 и верхняя 4 плоскости гол в предлагаемой конструкции между становятся параллельными потоку вет а. передней кромкой и нио " р " жней плоскостью зна- Плошадь обтекания при этом будет миниу в тра. чительно уменьшает ее бу лобовое сопротивле- мальнои и равнои высоте параллелограмма.н н ние. Перемещению лопасти будут препятст-, Над плоскостью 4 не будет создаваться развовать силы, возникаю шие от взаимодеист режение, а под плоскостью 3 - избыточноеювия частичек воздуха с поверхностями 1, 3 давление. Из-за малого угла наклона пои 7. Величина этих сил з ависит в основном верхности 8 к направлению ветрового потока от числа Рейноль са набд бегающего потока, величина разрежения над ней незначительна. от степени турбулентности в нем и уровня Вертикальная составляющая скоростного поверхностнойр " щероховатости. Поэтому по- напора, действующая на переднюю кромку 1, крытие передней кромкилаком, который О компенсируется противоположно направлен- сгладит неровности, повысит чистоту поверх- ной составляющей скоростного напора, дейности до зеркальной и снизит коэффициент, ствующей на поверхность 7. Малые глы сцепления ее с возс воздушным потоком, а знаЧит, наклона этих поверхностей к вектору скоь . алые углы тем самым меньшит ту шит толщину турбулентного рости ветрового потока значительно снипограничного слояр слоя, приведет к снижению жают лобовое сопротивление лопасти. сопротивления движению лопасти. Поэтому 55 Подобная же картина будет наблюдаться восновном ежим тр ечения воздушного по- и на траектории движения лопасти от точки тока по к омке 1 б ер удет близким к ламинар- П 1 до точки Ч. Так как линейная скорость ному, т. е. число Рейу,о Рейнольдса будет намного лопасти выше скорости ветра, то в точках, меньше критического значения йе=5 1 ф близких к 1 Ч, возникает необходимость прн110823 7кладывать дополнитсльную энергию на перемещение лопасти, так как она будет испытывать встречное сопротивление частичек воздуха со скоростью, равной разности линейной скорости лопасти и 1 . Поэтому профиль лопасти ориентируется на минимал ное сопротивление перемещению. При переходе на более крутую траекторию (точка Ч) лопасть разворачивается и воспринимает давление ветра всей своей плоскостью, т. е, работает как парус. Угол наклона хорды к оси х выбирается таким, чтобы суммарный момент от х; 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 направлснгпо потока ветра и упростить 8конструкцию, а значит, и снизить затраты на ее изготовление.Формула изобретения1. 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.1710823 Составитель ГТехред А. КравчукТираж екарь ВНИИПИ Государственного комит 113035, Москва,Производственно-издательский кта по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССЖ - 35, Раушская наб., д. 4/бмбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 Редактор С Заказ 324 олков Корректор Л. Пилипенко Подписное