Лопасть ветродвигателя

Лопасть ветродвигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

. 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 (/)

СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 F 03 D 3 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4770133/06 (22) 19.12.89 (46) 07.02.92. Бюл. ¹ 5 (71) Днепропетровский государственный университет им. 300-летия воссоединения

Украины с Россией (72) Н. Н. Харченко, Ю. А. Арышев и Г. К. Волков (53) 621.548.5 (088.8) (56) 1. Патент США № 4504192, кл. F 03 D 7/06, опублик. 1985. (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 ветр.а.

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, -SU 1710823 А1

2 мки, 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. 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

1710823

Выполнение обшивки из листов плоскопараллельной формы, а всего сечения лопасти в виде параллелограмма исключает необходимость получать точный аэроди намический профиль, что всегда связано с при- 4 менением специальных технологий и вызывает немалые трудозатраты, поэтому предлагаемое техническое решение значительно упрощает технологию изготовления лопастеи, что представляет возможным их производство в условиях неспециализированных 5 предприятий.

Покрытие поверхностей оболочки и внутренней поверхности канала спецлаком, который снижает сцепление поверхности оболочки с воздушным потоком, уменьшает в пограничном слое циркуляции воздушных 5 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 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 воздуlllHbfx ffoTQKd: псрвыЙ вЂ” 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. кромке, скользя по лакированной поверхности в режиме обтекания, близком к ламинарному, в точке сопряжения с нижней лийией канала из-за малого сцепления с по5 верхностью скольжения отрывается от нее и в дальнейшем, смешиваясь со струей, непосредственно попадающей в створ канала, образует над нижней боковой поверхностью канала разрежение, которое увеличивает

10 подъемную силу лопасти.

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

На фиг. 1 изображена лопасть, попереч15 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 со20 бои нижнеи 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

35 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

". угловой скоростью о3.

Коэффициент подъемной силы (C, ) и коэффициент лобового сопротивления (С„)

0 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 С был максимальным. При этом будет достигнуто наиболее благоприятное условие преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию ветродвигателя. На фиг. 3 возле

1710823

5 6 каждого положения лопасти показаны со- После перехода стру труи линии сопряжения ставляющие аэродинамической силы, дей- передней кромки 1 с нижней боковой поверхствующей 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. Eãî Так, в положении III u V 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 I, Ц и V(Большая часть этого пот

1 составляющие, направленные по оси у соз- канала 5 и скользит в "б вдоль верхнеи боковины дают положительный крутящий момент, а со 0 канала 7, передавая ей часть еи 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 че ше, чем под поверхR совр астет о Д до в связи с тем, что плечо ностью 7. Лопасть будет испытыв т вать усилие

R- sin г

° p р т до R и намного превышает подъема. Над верхней плоскостью 4 у ол а выбирается таким, чтобы 15 жение увеличивает общую подъемную силу. тью разрезатраты энергии на перемещение лопасти Скользящий по нижней плоскости 3 сти поток движении от О о р отоке были минимальны. При воздуха все время «накатыва ется» на нижедо угол меняет свой знак лежащую ее поверхность и отда с от и ательн р ц ого на положительныи. 3наче- своего скоростного напора тдает еи часть ние, отличное от О, гол +а п ио р на протяжении т, угол +а приобретает всей длины плоскости . В конце своего скольв точке, когда y;sin6)x;cos6. Чем меньше 20 ження он смешивается с потоком, выходябудет достигнуто значение угла б тем боль- щим с кана 5

t ала и движется вдоль задней ше количество энергии мы можем получать плоскости 2. Эт тот смешанныи. поток, взаимо, передает еи свое избыс ветроустановки. На величину угла о влияет действуя с кромкой 2 пе форма лопасти. Чем выше будет значение точное давление, повышая общее значение у «, TeM мень значение 6 можно за- 25 подъемной силы. Так как повер ст 7 и 4 кладывать в конструкцию направляющих, соединяются в самой верхней линии лоп ии лопасти ранстве.. р щ о ожение лопасти в прост- и поток воздуха проходит р не по верхнеи

/ плоскости 4, а внутри канала, то увеличение

За один полный обо от о р р тора, когда угла 4таки не грозит опасности срыва потока лопасть последовательно пройдет все поло- на верхнем конт е к ур, как это происходит в от до, произоидет трансформа- ЗО известных конструкциях аэродинамического ция обтекаемых поверхностей, и уже в новом профиля, когда угол атаки превышает к ицикле те поверхности, которые были перед- тическое значение. Поэтому в предлагаемой ними и верхними стан т за

Не измениться ж у дними и нижними. конструкции предоставляется возможно ни ься же при этом их аэродинами- увеличить угол атаки на 9 — 12 по с авнесть ческом качеств . пом у у. помогает форма лопасти, нию с существующими профилями, что позна — по сравневыполненная в ви е д параллелограмма (см. 35 воляет увеличить общее значение подъемной изменение положения точек лопасти А и Б). силы.

При движении лопасти во встречном повоздуха, движущегося со скоростью, токе (от VII до 1 положения), когда н жно (фиг. 1), лопасть аз р 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 40 образом, что нижняя 3 и верхняя 4 плоскости гол в предлагаемой конструкции между становятся параллельными потоку вет а. передней кромкой и ни о " Р " жней плоскостью зна- Плошадь обтекания при этом будет миниу в тра. чительно уменьшает ее б у лобовое сопротивле- мальнои и равнои высоте параллелограмма. ние. Перемещению лопасти будут препятст, Над плоскостью 4 не будет создаваться развовать силы, возникаю щие от взаимодеист- 45 Режение, а под лоскостью 3 — избыточное вия 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 наб д бегающего потока величина разрежения над ней незначительна. от степени турбулентности в нем и уровня Вертикальная составляющая скоростного поверхностной

p " щероховатости. Поэтому по- напоРа, действУющаЯ на пеРеднюю кромкУ 1, крытие передней кромки Iлаком,,который 50 компенсируется противоположно направленсгладит неровности, повысит чистоту пове!эх ной составляющей скоростного напора, дейности до зеркальной и снизит коэффициент, ствующей на поверхность 7. Малые глы сце плени я ее с воз с воздушным потоком, а значит наклона этих поверхностей к вектору скоь . алые углы тем самым меньшит т у шит толщину турбулентного рости ветрового потока значительно снипограничного слоя р слоя, приведет к снижению жают лобовое сопротивление лопасти. сопротивления движению лопасти. Поэтому 55 Подобная же картина будет наблюдаться в основном ежим т р ечения воздушного по- и на траектории движения лопасти от точки тока по к омке 1 б е удет близким к ламинар- III до точки V. Так как линейная скорость ному, т. е. число Ре и у, о рейнольдса будет намного лопасти выше скорости ветра, то в точках, меньше критического значения Re,,=5.1ф близких к IV, возникает необходимость прн1710823

7 кладывать дополнитсльную 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 ное сопротивление перемещению. При переходе на более крутую траекторию (точка V) 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

8 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.

7 ф 5 6

1710823

Составитель Г. Волков

Редактор С. Пекарь ТехредА. Кравчук Корректор Л. Пилипенко

Заказ 324 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/б

Производственно-издательский комбинат «Патент», r Ужгород, ул. Гагарина, 101