Ротор ветродвигателя

 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам с вертикальной осью вращения ротора. Технический результат, заключающийся в улучшении эксплуатационных и аэродинамических характеристик, повышении КПД и упрощении конструкции ротора, достигается тем, что ротор ветродвигателя, содержащий вертикальный вал (1), по меньшей мере две радиальные траверсы (2), жестко скрепленные с валом (1), и вертикальные лопасти крыльевого профиля (3), каждая из которых жестко закреплена на конце траверсы (2) параллельно валу (1), согласно изобретению, каждая траверса (2) снабжена полукрылом аэродинамического профиля (4), корневая часть которого связана с лопастью (3), и дополнительной лопастью крыльевого профиля (5), жестко закрепленной на концевой части полукрыла (4). Использование в конструкции ротора дополнительных лопастей крыльевого профиля, выполнение несущих элементов -полукрыльев и траверс аэродинамического профиля и установка их под определенным углом к горизонтальной плоскости, а также возможность выполнения полукрыльев цельноповоротными позволяет получить высокий КПД (до 40 - 45%) и улучшить аэродинамические и эксплуатационные характеристики, в частности обеспечить начало вращения ротора при минимальной скорости ветра 2 - 3 м/с и предотвратить его разнос в аварийных ситуациях, например, при скорости ветра 50 - 60 м/с. 24 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках с вертикальной осью вращения ротора для преобразования энергии ветра в механическую энергию и другие виды энергии.

Известен ротор ветродвигателя / Н-ротор Дарье/, который содержит вертикальный вал, радиальные траверсы, соединенные с валом, и вертикальные лопасти крыльевого профиля, установленные параллельно валу на концах траверс /заявка PCT, WO, A1, 95/09304, Мкл.6 F 03 D 7/06, 06.04.95 /.

Недостатком такого технического решения является то, что для начала вращения ротора при минимальной скорости ветра 2,5 - 4 м/с используются выдвижные поворотные щитки, дополнительно увеличивающие площадь взаимодействия лопастей ротора с ветровым потоком, которые для создания дополнительной тянущей силы должны циклически принимать то вертикальное, то горизонтальное положение. При этом для циклического изменения угла поворота щитков применяется сложное устройство, а именно гидравлический или электрогидравлический привод с автоматическим управлением, что усложняет конструкцию и изготовление, снижает надежность и затрудняет эксплуатацию ветродвигателя в целом.

Кроме того, известная конструкция ротора не обеспечивает достаточно высокие значения КПД /коэффициента использования ветровой энергии/, поскольку поворотные щитки выполнены в виде клапанных крышек, установленных на нижних или верхних торцах вертикальных лопастей ротора, не имеют крыльевого профиля и, следовательно, используют не подъемную силу, а силу сопротивления для создания дополнительной тянущей силы. Это является малоэффективным, поскольку рабочие элементы ротора, на которые действует подъемная сила могут перемещаться со скоростью большей, чем скорость ветра, т.е. ротор при прочих равных условиях может быть более быстроходным и иметь лучшее соотношение эффективной мощности и массы. К тому же в известном роторе ветродвигателя для работы гидропривода поворотных щитков требуется дополнительная затрата мощности ротора.

Цель изобретения - улучшение эксплуатационных и аэродинамических характеристик, повышение КПД и упрощение конструкции ротора.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в роторе ветродвигателя, который содержит вертикальный вал, по меньшей мере две радиальные траверсы, жестко скрепленные с валом, и вертикальные лопасти крыльевого профиля, каждая из которых жестко закреплена на конце траверсы параллельно валу, каждая траверса снабжена полукрылом аэродинамического профиля, корневая часть которого связана с лопастью, и дополнительной лопастью крыльевого профиля, жестко закрепленной на концевой части полукрыла.

Кроме того, каждая траверса может быть выполнена крыльевого профиля.

Предусмотрено, что угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью хорд крыльевого профиля траверсы может составлять от 0 до 30 градусов.

Крыльевой профиль каждой траверсы может быть выполнен двояковыпуклым симметричным или двояковыпуклым несимметричным.

Целесообразно выполнить траверсы по конструктивной схеме лонжеронного крыла.

Для снижения массы лонжеронное крыло может быть выполнено однобалочной конструкции.

Для повышения жесткости и устойчивости на кручение рекомендуется лонжеронное крыло выполнить двухбалочной конструкции.

Предусмотрено, что угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью хорд профилей полукрыла был равен от 0 до 60 градусов.

Профиль полукрыла может быть выполнен двояковыпуклым несимметричным или двояковыпуклым симметричным.

Дополнительная лопасть может быть установлена вертикально и жестко закреплена средней частью на концевой части полукрыла.

Предусмотрено, что дополнительная лопасть может быть жестко закреплена на концевой части полукрыла своей корневой частью и установлена плоскостью хорд профилей под углом 90 - 150^o относительно плоскости хорд профилей полукрыла.

Целесообразно при этом, чтобы профиль дополнительной лопасти был выполнен двояковыпуклым несимметричным.

Также рекомендуется профиль каждой лопасти выполнить двояковыпуклым несимметричным.

Кроме того, корневая часть полукрыла может быть жестко связана с лопастью.

Каждая лопасть может быть снабжена шарнирным узлом, при этом корневая часть полукрыла связана с лопастью через шарнирный узел с возможностью поворота полукрыла относительно продольной, оси траверсы.

Ротор может быть снабжен устройством для автоматического циклического изменения и фиксации угла поворота полукрыла относительно продольной оси траверсы.

Целесообразно траверсы выполнить полыми и каждую траверсу снабдить торсионом, установленным в ее полости на шарнирном узле, при этом один конец торсиона жестко закрепить в корневой части траверсы, а другой жестко закрепить в корневой части полукрыла.

Ротор может быть снабжен расположенными под траверсами несущими кронштейнами, при этом один конец каждого из кронштейнов жестко скреплен с валом, а другой жестко скреплен с лопастью.

Поперечное сечение каждого кронштейна может иметь двояковыпуклый профиль.

Полукрыло может быть выполнено прямой формы в плане.

Кроме того, полукрыло может быть выполнено стреловидной формы в плане.

Стреловидное полукрыло может быть выполнено с прямой или обратной стреловидностью.

На фиг.1 изображен в изометрии общий вид ротора ветродвигателя с полукрылом на каждой траверсе и дополнительной лопастью, присоединенной корневой частью к концевой части полукрыла и установленной под некоторым углом относительно плоскости хорд полукрыла.

На фиг. 2 показана конструктивная схема цельноповоротного стреловидного полукрыла с дополнительной лопастью и торсионом, размещенным в полости двухбалочного лонжеронного крыла /траверсе/ на шарнирном узле.

На фиг. 3 изображен в изометрии общий вид ротора ветродвигателя с несущими кронштейнами и с установленными на каждой траверсе полукрылом и вертикальной дополнительной лопасти, которая закреплена средней частью на концевой части полукрыла.

На фиг. 4 показаны возможные углы установки рабочих элементов ротора.

Ротор ветродвигателя содержит вертикальный вал 1, закрепленные на валу 1 радиальные траверсы 2 и вертикальные лопасти 3 крыльевого профиля, установленные на концах траверс 2 параллельно валу 1. На каждой траверсе установлены также полукрыло 4 аэродинамического профиля, корневая часть которого связана с лопастью 3, и дополнительная лопасть 5 крыльевого профиля, жестко закрепленная на концевой части полукрыла 4.

Высокие аэродинамические и эксплуатационные характеристики, увеличение КПД и упрощение конструкции определяются тем, что предлагаемая конструкция ротора обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление, поскольку уменьшается количество несущих элементов, создающих лобовое сопротивление при вращении ротора, и увеличение результирующей тянущей силы за счет установки дополнительных лопастей крыльевого профиля. Это позволяет начать вращение ротора при минимальной скорости воздушного потока, равной 2 - 3 м/с и повысить КПД до 40 - 45%. Дополнительная лопасть может быть жестко закреплена на концевой части полукрыла 4 своей корневой частью /фиг. 1/ и установлена под некоторым углом , равным 90 - 150^o, относительно плоскости хорд полукрыла /фиг. 4/, что также уменьшает аэродинамическое сопротивление полукрыла /увеличивает КПД ротора/, вследствие уменьшения интенсивности концевого вихря, интерференции и одностороннего срыва потока.

Корневая часть полукрыла 4 может быть жестко связана с лопастью 3. Однако, с целью использования аэродинамического торможения для регулирования частоты вращения и защиты ротора от разрушения в случае высоких скоростей ветра /до 50 - 60 м/с/, предусмотрено выполнение полукрыла 4 цельноповоротным /фиг. 2/. Для этого корневая часть полукрыла 4 связана с лопастью 3 через шарнирный узел /осевой шарнир/ с возможностью поворота полукрыла 4 относительно продольной оси траверсы 2. Траверсы 2 выполнены полыми и каждая траверса снабжена торсионом 6, установленным в ее полости на шарнирном узле 7 /фиг. 2/. Один конец торсиона 6 жестко закреплен в корневой части траверсы 2, а другой - в корневой части полукрыла 4. Шарнирный узел 7, выполненный как осевой шарнир, может быть расположен в лопасти 3 или/и в силовых элементах траверсы 2.

Траверсы 2 целесообразно выполнить крыльевого профиля. Для улучшения аэродинамических характеристик ротора предусмотрено выполнение профиля траверc 2 и профиля полукрыльев 4 двояковыпуклым симметричным или несимметричным. Причем для возникновения подъемной силы, направленной вверх, рекомендуется выполнить профиль каждой траверсы 2 и полукрыла 4 двояковыпуклым несимметричным с положительной кривизной.

Для увеличения тянущей силы угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью хорд крыльевого профиля траверc 2 может быть установлен от 0 до 30 градусов, а угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью хорд профилей полукрыла может быть установлен от 0 до 60 градусов /фиг. 4/. Для этой же цели профиль лопастей 3 и дополнительных лопастей 5 выполняется двояковыпуклым несимметричным.

Траверсы 2 могут быть выполнены по конструктивной схеме лонжеронного крыла.

Для уменьшения массы траверсы 2 могут быть выполнены по конструктивной схеме однобалочного лонжеронного крыла, а для повышения жесткости и устойчивости конструкции на кручение и для удобства размещения торсиона 6 может быть применено лонжеронное крыло двухбалочной конструкции 8 /фиг. 2/.

Для роторов ветродвигателей с мощностью на валу выше 50 - 70 кВт можно рекомендовать дополнительную лопасть 5 установить вертикально и жестко закрепить в средней ее части на концевой части полукрыла 4 /фиг. 3/.

Для уменьшения циклических и резонансных колебаний /флаттера/ и вибраций лопастей и других рабочих элементов ротора, которые могут возникнуть при работе ротора ветродвигателя под воздействием различных внешних нагрузок, аэродинамических и инерционных сил, целесообразно ротор снабдить несущими кронштейнами 9, расположенными под траверсами 2. При этом один конец кронштейна 9 жестко скреплен с валом 1, а другой - с лопастью 3 /фиг.3/.

Для уменьшения лобового сопротивления поперечное сечение каждого кронштейна 9 имеет двояковыпуклый профиль /симметричный или несимметричный/.

Для упрощений конструкции и удешевления производства полукрыло 4 может быть выполнено прямой /прямоугольной/ формы в плане. Однако, для улучшения аэродинамических характеристик, а именно для увеличения тянущей силы, уменьшения вибраций типа "бафтинг" путем выноса дополнительной лопасти 5 и лопасти 3 из области завихренного потока и области "затенения", создаваемой рабочими элементами при вращении ротора, предусмотрено выполнение полукрыла 4 стреловидной формы в плане с прямой или обратной стреловидностью.

Ротор ветродвигателя работает следующим образом. При движении потока воздуха через ротор со скоростью 2 - 3 м/с на лопастях 3, дополнительных лопастях 5 и остальных рабочих элементах /траверсах, полукрыльях/ с крыльевым профилем, установленных под углом к горизонтальной плоскости, возникают аэродинамические подъемные силы, результирующая которых создает крутящий момент, передаваемый посредством силовых элементов ротора через вал 1 потребителям механической энергии.

Ротор начинает раскручиваться при минимальной рабочей скорости ветра 2-3 м/с без внешней нагрузки /потребителя механической энергии/, постепенно увеличивая частоту вращения до номинальной величины, поскольку аэродинамические подъемные силы /а следовательно и тянущие силы/, возникающие на рабочих элементах ротора, с увеличением частоты вращения возрастают. При номинальной частоте вращения к валу ротора подключают внешнюю нагрузку. При скорости ветра выше расчетной 12 - 15 м/с мощность на валу ротора может превысить мощность, потребляемую внешней нагрузкой. При этом ротор ветродвигателя увеличивает частоту вращения сверх номинального значения. Тогда под действием центробежных сил выполненное цельноповоротным полукрыло 4 вместе с закрепленной на ней дополнительной лопастью 5 начинает поворачиваться на некоторый угол относительно продольной оси траверсы 2, закручивая торсион 6, на конце которого жестко закреплено полукрыло 4 /фиг. 2/. При повороте полукрыла 4 и дополнительной лопасти 5 увеличивается аэродинамическое сопротивление, а тянущая сила уменьшается, что и приводит к снижению частоты вращения ротора до номинальной величины. При снижении частоты вращения центробежные силы, действующие на дополнительные лопасти 5, уменьшаются и полукрылья 4 вместе с лопастями 5, благодаря упругим силам торсионов 6, возвращаются в исходное /рабочее/ положение. Такая конструкция механизма автоматического поворота полукрыла позволяет поддерживать частоту вращения ротора номинальной и предотвратить разнос ротора в аварийной ситуации, например, при отсутствии внешней нагрузки на валу и при скоростях ветра до 50 - 60 м/с.

Ветродвигатели с роторами типа Дарье с вертикальной осью вращения нашли уже промышленное применение, поскольку, по сравнению с ветродвигателями, снабженными роторами пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения, они при одинаковой мощности имеют примерно в два раза меньшую окружную скорость лопастей и для их эффективной работы не требуется установка сложных устройств ориентации на ветер.

Вследствие этого упрощается конструкция, снижаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях и других конструктивных элементах ротора.

Использование в конструкции предлагаемого ротора дополнительных лопастей крыльевого профиля, выполнение рабочих элементов - полукрыльев, траверс с аэродинамическим профилем и с возможностью их установки под определенным углом к горизонтальной плоскости, а также применение цельно-поворотного полукрыла позволяет улучшить эксплуатационные и аэродинамические характеристики, обеспечить высокий КПД, технологичность и простоту конструкции ротора типа Дарье.

Формула изобретения

1. Ротор ветродвигателя, содержащий вертикальный вал, по меньшей мере две радиальный траверсы, жестко скрепленные с валом, и вертикальные лопасти крыльевого профиля, каждая из которых жестко закреплена на конце траверсы параллельно валу, отличающийся тем, что каждая траверса снабжена полукрылом аэродинамического профиля, корневая часть которого связана с лопастью, и дополнительной лопастью крыльевого профиля, жестко закрепленной на концевой части полукрыла.

2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что каждая траверса выполнена крыльевого профиля.

3. Ротор по п. 2, отличающийся тем, что угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью хорд крыльевого профиля траверсы составляет от 0 до 30^o.

4. Ротор по п. 2 или 3, отличающийся тем, что крыльевой профиль каждой траверсы выполнен двояковыпуклым симметричным.

5. Ротор по п. 2 или 3, отличающийся тем, что крыльевой профиль каждой траверсы выполнен двояковыпуклым несимметричным.

6. Ротор по п. 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что траверсы выполнены по конструктивной схеме лонжеронного крыла.

7. Ротор по п. 6, отличающийся тем, что лонжеронное крыло выполнено однобалочной конструкции.

8. Ротор по п. 6, отличающийся тем, что лонжеронное крыло выполнено двухбалочной конструкции.

9. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью хорд профилей полукрыла равен от 0 до 60^o.

10. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, отличающийся тем, что профиль полукрыла выполнен двояковыпуклым симметричным.

11. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, отличающийся тем, что профиль полукрыла выполнен двояковыпуклым несимметричным.

12. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающийся тем, что дополнительная лопасть установлена вертикально и жестко закреплена средней частью на концевой части полукрыла.

13. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающийся тем, что дополнительная лопасть жестко закреплена на концевой части полукрыла своей корневой частью и установлена плоскостью хорд профилей под углом 90 ^oC 150^o относительно плоскости хорд профилей полукрыла.

14. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, отличающийся тем, что профиль дополнительной лопасти выполнен двояковыпуклым несимметричным.

15. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, отличающийся тем, что профиль каждой лопасти выполнен двояковыпуклым несимметричным.

16. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, отличающийся тем, что корневая часть полукрыла жестко связана с лопастью.

17. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, отличающийся тем, что каждая лопасть снабжена шарнирным узлом, при этом корневая часть полукрыла связана с лопастью через шарнирный узел с возможностью поворота полукрыла относительно продольной оси траверсы.

18. Ротор по п. 17, отличающийся тем, что ротор снабжен устройством для автоматического циклического изменения и фиксации угла поворота полукрыла относительно продольной оси траверсы.

19. Ротор по п. 17, отличающийся тем, что траверсы выполнены полыми и каждая траверса снабжена торсионом, установленным в ее полости на шарнирном узле, при этом один конец торсиона жестко закреплен в корневой части траверсы, а другой конец торсиона жестко закреплен в корневой части полукрыла.

20. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, отличающийся тем, что ротор снабжен расположенными под траверсами несущими кронштейнами, при этом один конец каждого из кронштейнов жестко скреплен с валом, а другой жестко скреплен с лопастью.

21. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, отличающийся тем, что поперечное сечение каждого кронштейна имеет двояковыпуклый профиль.

22. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающийся тем, что полукрыло выполнено прямой формы в плане.

23. Ротор по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, отличающийся тем, что полукрыло выполнено стреловидной формы в плане.

24. Ротор по п. 23, отличающийся тем, что стреловидное полукрыло выполнено с прямой стреловидностью.

25. Ротор по п. 23, отличающийся тем, что стреловидное полукрыло выполнено с обратной стреловидностью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4