Ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (варианты)

Ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к ветряным установкам с вертикальной осью вращения, конкретно к аэродинамической компоновке ротора, конструкции, форме и монтажу лопастей ротора, конструкции аэродинамических органов управления.

Целью изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра до 37%, обеспечение возможности самораскрутки ротора и ограничение скорости вращения при сильном ветре, снижение шума от работы установки, создание простой в изготовлении и недорогой ветряной установки с малыми эксплуатационными затратами, способной по прочности выдерживать ураганный ветер до 45-60 м/с.

Вертикально-осевые ветряные установки имеют хорошо известное преимущество по сравнению с горизонтально-осевыми: они не требуют ориентации их на ветер. В то же время их коэффициент использования энергии ветра ниже, чем у горизонтально-осевых установок. Под коэффициентом использования энергии ветра Ср понимается отношение механической энергии ротора (произведение крутящего момента на скорость вращения) к потоку кинетической энергии ветра через сметаемую ротором поверхность. Кроме того, вертикально-осевые установки имеют низкий аэродинамический крутящий момент при выходе из состояния покоя. Более того, при небольшой скорости вращения, когда линейная скорость лопастей близка к скорости ветра, возможен тормозящий момент со стороны потока воздуха, и тогда самораскрутка ротора становится практически невозможной.

Известно много изобретений роторов ветроустановок с прямыми вертикальными лопастями. Российские патенты №21226500 RU от 18.06.2001, №2188335 RU от 18.06.2002, №2136960 RU от 8.01.98, №2174190 от 19.05.2000, иностранные изобретения WO 9601368 от 6.07.94, ЕР 679805 от 14.10.93, DE 4402778 от 27.01.94, US 4087202 от 2.05.1978, US 427809 от 23.06.1981, US 6974309 от 13.12.2005.

Последнее американское изобретение наиболее близко к настоящему по целям и способам их достижения и может являться прототипом для настоящего изобретения. Прототип представляет из себя одноярусную компоновку турбины с вертикальной осью вращения, в которой к центральному валу крепятся горизонтальные лопасти-обтекатели, по две на каждую основную лопасть, которые к ним крепятся. Недостатком прототипа является применение центрального вала, существенно снижающего коэффициент использования энергии ветра. Кроме того, одноярусная компоновка обладает малой способностью к самораскрутке ротора, что видно из графиков. Т.е. недостатком прототипа является недостаточное внимание к аэродинамической компоновке ротора, что не позволило авторам превзойти рубеж 30% по коэффициенту Ср, несмотря не применение достаточно эффективных профилей основных лопастей. В дополнение к вышесказанному прототип является дорогостоящей конструкцией вследствие специальной профилировки основных лопастей.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем: ротор вертикально-осевой установки, содержащий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально в плоскости, близкой к горизонтальной, отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к которым с чередованием прикреплены указанные лопасти по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус, при этом обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов, а свободные концы лопастей покрыты концевыми обтекателями, выступающими за край профиля лопасти на величину от 0,5 до 1 минимальной толщины профиля.

Кроме того, лопасти выполнены с симметричным профилем с расположением максимальной толщины на 23%-37% длины хорды профиля, считая от его носка, и с утолщенной хвостовой частью. Лопасти имеют установочный угол от 2 до 5 градусов, определяемый как угол между хордой профиля и перпендикуляром к радиусу, проведенному из центра вращения в аэродинамический центр лопасти. Аэродинамические тормоза при больших оборотах, сжимая удерживающую их пружину под действием центробежных сил и двигаясь по винтовой направляющей, отклоняются в разные стороны до 60 градусов от первоначального положения.

Длина лопастей каждого яруса составляет не менее 60% от диаметра ротора.

Длина хорды лопастей составляет от 10% до 17% диаметра ротора.

Ротор вертикально-осевой установки содержит ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально в плоскости, близкой к горизонтальной, отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к концам которых прикреплено силовое кольцо, к которому смонтированы вверх и вниз указанные лопасти с образованием верхнего и нижнего ярусов, при этом лопасти верхнего яруса установлены со смещением относительно лопастей нижнего яруса на половину углового расстояния между лопастями в ярусе, верхние концы лопастей верхнего яруса и нижние концы лопастей нижнего яруса соединены сплющенными кольцами, высота сечения которых составляет 0,5-0,65 от ширины их сечения, причем обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов.

При этом лопасти выполнены с симметричным профилем с расположением максимальной толщины на 23%-37% длины хорды профиля, считая от его носка, и с утолщенной хвостовой частью.

Лопасти имеют установочный угол от 2 до 5 градусов, определяемый как угол между хордой профиля и перпендикуляром к радиусу, проведенному из центра вращения в аэродинамический центр лопасти.

Аэродинамические тормоза при больших оборотах, сжимая удерживающую их пружину под действием центробежных сил и двигаясь по винтовой направляющей, отклоняются в разные стороны до 60 градусов от первоначального положения.

Длина лопастей каждого яруса составляет не менее 60% от диаметра ротора.

Длина хорды лопастей составляет от 10% до 17% диаметра ротора.

Заявляемый ротор имеет центральную ступицу, через которую проходит вертикальная ось вращения, от ступицы радиально и почти горизонтально отходят две или более силовых траверс, образующих равные углы между собой и каждая из которых заключена в аэродинамические обтекатели. На части или на всех траверсах обтекатели могут быть смонтированы из двух секций разной длины (с большей длиной ближе к оси вращения), эти секции служат центробежными аэродинамическими тормозами, ограничивающими предельную скорость вращения турбины, тем самым предотвращая ее разрушение под действием центробежных сил. К концам траверс может крепиться силовое кольцо, к которому, в свою очередь, крепятся вверх и вниз вертикальные лопасти ротора, образующие верхний и нижний ярусы ветрового ротора. При этом лопасти верхнего яруса сдвинуты в угловом направлении по отношению к лопастям нижнего яруса на величину половины угла между соседними лопастями в одном ярусе. Такая компоновка обеспечивает возможность самораскрутки ротора даже при не очень качественных лопастях. Длина лопастей должна превышать величину 0.6D, где D=2R -диаметр ротора и кольца, на котором крепятся лопасти. Далее для снижения генерации шума и распределения силовых нагрузок на лопасти их концы соединяются прочными кольцами: верхние концы лопастей верхнего яруса и нижние концы лопастей нижнего яруса. Эти кольца играют важнейшую роль в обеспечении прочности турбины при сильных ветрах.

Для увеличения коэффициента использования энергии ветра лопасти имеют специально разработанные и тестированные симметричные профили с относительной толщиной 20%-25% от длины хорды с расположением максимальной толщины на расстоянии 23%-37% длины хорды, считая от носка профиля. Более близкое к носку положение максимальной толщины способствует самостарту ротора, но уменьшает эффективность при работе на номинальном режиме, поэтому мы используем, в основном, профили с 35% удалением максимальной толщины от носка длины. Дальнейшее повышение эффективности достигается установкой лопастей под углом от 2 до 5° к линии, перпендикулярной к радиусу, проведенному из центра вращения в условный аэродинамический центр профиля лопасти. В режиме раскрутки ротора некоторое время существуют моменты, когда ветер дует в хвост лопасти. Утолщенный конец лопасти гарантирует при этом отсутствие вибраций потока вследствие многократного отрыва, отсюда имеем снижение генерации шума и продление жизни установки. Существует еще одно расчетно-экспериментальное ограничение, состоящее в том, что длина хорды лопасти должна находится в диапазоне от 0.1D до 0.17D (D - диаметр ротора), чтобы обеспечивать необходимый уровень коэффициента использования энергии ветра.

Во втором варианте, когда лопастей в каждом ярусе только две, они крепятся непосредственно к силовым траверсам, их концы при этом покрываются пластинами, края которых выступают за профиль лопасти на величину от 0.5 до 1 максимальной толщины лопасти. Это способствует снижению вихреобразования и повышению крутящего момента. Сами лопасти могут подкрепляться растяжками.

Для лопастей предлагаемой установки была рассчитана и сгенерирована серия лопастей.

В таблице 1 приведен относительный профиль для серии с расположением максимальной толщины на 35% длины хорды от носка профиля.

Таблица 1
Относительные координаты профиля (абсцисса х отнесена к длине хорды b, а ордината y отнесена к максимальной толщине профиля с)
х/b	0	0.001	0.002	0.003	0.004	0.005	0.006	0.007	0.008	0.009
y/с	0.00000	0.03508	0.04961	0.06076	0.07016	0.07844	0.08592	0.09281	0.09922	0.10523
х/b	0.01	0.02	0.03	0.04	0.05	0.06	0.07	0.08	0.09	0.1
y/с	0.11093	0.15687	0.19213	0.22185	0.24804	0.27118	0.29141	0.30957	0.32634	0.34223
х/b	0.15	0.2	0.25	0.3	0.35	0.4	0.45	0.5	0.55	0.6
y/с	0.40872	0.45435	0.48235	0.49625	0.50000	0.49524	0.48092	0.45740	0.42710	0.39212
х/b	0.65	0.7	0.75	0.8	0.85	0.86	0.87	0.88	0.89	0.9
y/с	0.35309	0.31077	0.26637	0.22063	0.17387	0.16448	0.1550	0.14576	0.13646	0.12722
х/b	0.91	0.92	0.93	0.94	0.95	0.96	0.97	0.973	0.976	0.979
y/с	0.11805	0.10894	0.09981	0.09061	0.08124	0.07165	0.06187	0.05891	0.05595	0.05299
х/b	0.982	0.985	0.988	0.991	0.994	0.997	1
y/с	0.05003	0.04708	0.04409	0.04061	0.03617	0.02967	0.00000

Максимальная толщина «с» в этой таблице может варьироваться от 18% до 25% длины хорды, обеспечивая профили, применяемые для разных целей. Средние толщины обеспечивают хорошую самораскрутку, высокую эффективность и достаточную прочность.

Подробно опишем вариант конструкции, представленный на фиг.1. Ротор 1 имеет ступицу 2, в которой скомпонован электрогенератор, закрытый кожухом 9. От ступицы 2 радиально идут силовые траверсы, закрытые аэродинамическими обтекателями 3, которые служат и в качестве аэродинамических тормозов. Силовое кольцо 4 крепится к концам траверс, а к нему вверх и вниз монтируются лопасти 5 и 6. Лопасти 5 соединяются вверху кольцом 7, а лопасти 6 соединяются внизу кольцом 8. Ступица 2 монтируется на мачту 10, которая удерживается растяжками 11. На фиг.2 представлена форма профиля, соответствующая приведенной в таблице 1. На фиг.3 показано, как задается установочный угол лопасти. На фиг.4 показано сечение верхнего кольца (или нижнего). Для ликвидации вихреобразования высота «h» в отношении ширины «d» составляет от 0.5 до 0.65.

На фиг.5 виден случай, когда ротор вращается с максимальной скоростью, части аэродинамических тормозов 32 и 31 отклонены при этом в разные стороны, обеспечивая тем самым малый уровень колебаний, обусловленный несбалансированными вертикальными силами. На фиг.6 показан аэродинамических регулятор, состоящий из двух аэродинамических поверхностей 31 и 32, отклоняемых в разные стороны. При малых скоростях вращения эти поверхности находятся в одной плоскости, удерживаемые поджатой пружиной 35. При увеличении оборотов до максимальных части 31 и 32 под действием центробежной силы сжимают пружину 35 и, двигаясь по винтовым линиям, отклонятся до 60 градусов от положения равновесия, оказывая тормозящее действие на ротор.

Фиг.7 демонстрирует вариант конструкции ротора, когда лопасти крепятся непосредственно на концах траверс. На фиг.8 показано положение аэродинамических тормозов при максимальной скорости вращения.

1. Ротор вертикально-осевой ветряной установки, содержащий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально в плоскости, близкой к горизонтальной, отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к которым с чередованием прикреплены указанные лопасти по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус, при этом обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов, а свободные концы лопастей покрыты концевыми обтекателями, выступающими за край профиля лопасти на величину от 0,5 до 1 максимальной толщины профиля.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что лопасти выполнены с симметричным профилем с расположением максимальной толщины на 23-37% длины хорды профиля, считая от его носка, и с утолщенной хвостовой частью.

3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что лопасти имеют установочный угол от 2 до 5°, определяемый как угол между хордой профиля и перпендикуляром к радиусу, проведенному из центра вращения в аэродинамический центр лопасти.

4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что аэродинамические тормоза при больших оборотах, сжимая удерживающую их пружину под действием центробежных сил и двигаясь по винтовой направляющей, отклоняются в разные стороны до 60° от первоначального положения.

5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что длина лопастей каждого яруса составляет не менее 60% от диаметра ротора.

6. Ротор по п.1, отличающийся тем, что длина хорды лопастей составляет от 10 до 17% диаметра ротора.

7. Ротор вертикально-осевой ветряной установки, содержащий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально в плоскости, близкой к горизонтальной, отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к концам которых прикреплено силовое кольцо, к которому смонтированы вверх и вниз указанные лопасти с образованием верхнего и нижнего ярусов, при этом лопасти верхнего яруса установлены со смещением относительно лопастей нижнего яруса на половину углового расстояния между лопастями в ярусе, верхние концы лопастей верхнего яруса и нижние концы лопастей нижнего яруса соединены сплющенными кольцами, высота сечения которых составляет 0,5-0,65 от ширины их сечения, причем обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов.

8. Ротор по п.7, отличающийся тем, что лопасти выполнены с симметричным профилем с расположением максимальной толщины на 23- 37% длины хорды профиля, считая от его носка, и с утолщенной хвостовой частью.

9. Ротор по п.7, отличающийся тем, что лопасти имеют установочный угол от 2 до 5°, определяемый как угол между хордой профиля и перпендикуляром к радиусу, проведенному из центра вращения в аэродинамический центр лопасти.

10. Ротор по п.7, отличающийся тем, что аэродинамические тормоза при больших оборотах, сжимая удерживающую их пружину под действием центробежных сил и двигаясь по винтовой направляющей, отклоняются в разные стороны до 60° от первоначального положения.

11. Ротор по п.7, отличающийся тем, что длина лопастей каждого яруса составляет не менее 60% от диаметра ротора.

12. Ротор по п.7, отличающийся тем, что длина хорды лопастей составляет от 10 до 17% диаметра ротора.