Лопать вітродвигуна

Передбачуваний винахід належить до машинобудування, зокрема до вітродвигунів з горизонтальною та вертикальною віссю обертання. Основним функціональним елементом конструкції вітродвигуна є лопать, яка безпосередньо сприймає своєю поверхнею кінетичну енергію вітру і через жорсткі деталі кріплення передає крутний момент на вал або втулку вітродвигуна. Відомі також конструкції магнітоелектричних вітроагрегатів, у яких постійні магніти жорстко закріплені на лопатях. Крім того й сучасні вітроагрегати з вертикальною віссю обертання двигуна мають лопаті специфічної конструкції. Існують добре апробовані теорії аеродинаміки, які описують оптимальні форми лопатей для різних типів вітроагрегатів. (Сабинин Г.Х. Теория и аэродинамический расчёт ветряных двигателей. Труды ЦАГИ вип.104 М. 1931г.). Однак і для сучасної вітроенергетики залишається актуальним завданням зменшення аеродинамічного опру лопаті, її маси, механічна міцність, здешевлення виготовлення та екологічно безпечна утилізація конструкційних матеріалів. Причому на перший план виходить проблема утилізації лопаті після відпрацювання ресурсу. Термореактивні пластичні матеріали, з яких виготовляють сучасні лопаті, створюють значні проблеми утилізації. Раніше використовували деревину, тканини, але з цими матеріалами були проблеми механічної міцності та гладкості поверхні лопаті. Саме наявність мікровиступів на поверхні лопаті викликає турбулентність потоку повітря при обтіканні профілю. Досягти мінімальних аеродинамічних втрат можна лише з використанням найбільш гладкої поверхні лопатей. Крім того повітря з мікродомішками проявляє діелектричні властивості і необхідно мінімалізувати електростатичні ефекти, тому пластикові матеріали поверхні лопаті не являються найкращими за цими показниками. Відомим і апробованим матеріалом лопаті є метал, з якого вже давно виготовляють лопаті гвинтових літаків, турбін, вітроагрегатів. Металева поверхня еквіпотенціальна і може легко віддавати на корпус електричні заряди, а після полірування має найкращі аеродинамічні властивості. Утилізація металів екологічно безпечна і добре відпрацьована. Недоліком металів є значна маса, яка для лопатей небажана. На практиці найчастіше застосовують комбіновану конструкцію лопаті з пластичного матеріалу й металу, наприклад (Патент США №4278401, F03D1/06, F04D29/34, 1982р.). Така лопать має пластикову порожнисту оболонку, всередині якої виконано металевий каркас жорсткості. Аналогом передбачуваного винаходу є лопать вітродвигуна, в якій зовнішня поверхня виготовлена з пластмаси, а всередині виконана металева каркасна частина (ФРН, заявка №OS 3037677 F03D1/06, 19/05, 1982р.). Така композиція конструкційних матеріалів дійсно забезпечує міцність і легкість, однак поверхня виконана з пластика і тому потрібно, для міцності застосувати тверді матеріали значної товщини. Крім того досить складна конструкція не може без проблем утилізуватися, бо найміцнішою й масивною є зовнішня оболонка. Поверхня такої лопаті може виготовлятись методом відливання і досить складно її відполірувати. Під час роботи виникають деформаційні поперечні зусилля, які можуть витримувати несучі конструкції складної конфігурації, котрі з метою підвищення надійності можуть виготовлятися у формі прямолінійних профілів (А.С. СРСР №808685 F03В3/12, 1981p.), або при пластмасовій зовнішній поверхні лопаті всередині виконані принаймні два внутрішніх поздовжні несучі елементи з металевими вставками (ФРН, заявка №2852447 F03D, 1/06, 1981р.). Однак в названих лопатях технологія виготовлення складна, а зовнішня пластикова оболонка з металевими внутрішніми ребрами жорсткості під час навантажень може відшаровуватись. Прототипом запропонованої лопаті є конструкція (Франц., заявка №24492207, F03D, 1/06, 1981p.), в якій використані штамповані прямопрофільні металеві ребра жорсткості, з'єднані точковою зваркою в певних зонах та пластмасової зовнішньої оболонки навколо них. Застосування штампованого прямопрофільного металевого каркаса з'єднаного точковим зварюванням дозволяє суттєво спростити технологію виготовлення. Однак залишається раніше вказана проблема суцільної масивної пластикової зовнішньої оболонки та надійності закріплення її на прямопрофільному металевому осерді. Крім того суцільний металевий каркасний профіль при забезпеченні механічної міцності повинен мати значну товщину, а звідси і масивність. Запропонована конструкція лопаті дозволяє поєднати механічну міцність, гладкість і жорсткість поверхні з легкістюта мінімальною кількістю полімерної речовини. Це досягається за рахунок того, що зовнішня оболонка лопаті виготовлена з тонкого металевого листа, а гофровані ребра жорсткості мають нерівномірні перфорації, металеві частини з'єднані точковим зварюванням, а вся внутрішня порожнина лопаті з перфорованим осердям заповнена полімерною монтажною піною. Затверділа монтажна піна через перфорації утворює суцільну масу і надає значної жорсткості навіть дуже тонким металевим деталям. Для утворення полімерної піни витрачається дуже мало пластичної речовини і при утилізації нагріванням її можна виплавити і зібрати для повторного використання, а металеву частину переплавити. В запропонованій конструкції лопаті полімерна речовина знаходиться всередині металевої оболонки і захищена від деполімеризуючої дії сонячної радіації, а тому має значно більший ресурс. На відміну від суцільної металевої лопаті, яка давно використовується в традиційних вітродвигунах малої та середньої потужності, запропонована конструкція не тільки легша, але й більш тихохідна завдяки заповнення порожнини полімерною піною і відсутності вібраційних ефектів. Ще однією перевагою запропонованої конструкції є те, що вона більш стійка проти обледеніння, оскільки за тонким шаром металу знаходиться теплоізолююча маса полімерної піни і температура зовнішньої поверхні швидко вирівнюється з температурою повітря. На фіг. схематично зображена запропонована лопать вітродвигуна. Зовнішня тонкостінна металева оболонка 1 лопаті заданої форми закріплена методом точкового зварювання або іншим відомим способом на внутрішньому металевому перфорованому осерді 2, до якого закріплена також цапфа 3. Поперечні перфоровані ребра 4 виконані подвійно гофрованими і закріплені до поздовжнього металевого осердя 2 та металевої оболонки 1. Щільність перфорацій осердя 2 та відстань між його бічними ребрами збільшується в напрямку від цапфи 3 до кінця лопаті. Вся внутрішня порожнина лопаті разом з перфорованим каркасом заповнена затверділою полімерною піною 5.