Лопать вітроколеса

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности, к лопастям роторов ортогональных ветроустансвок. Известна лопасть ветроколеса, содержащая полое перо с входной и выходной кромками, с боковыми поверхностями аэродинамического профиля, одна из которых имеет длину от входной кромки до зоны максимальной толщины пера [1]. Такая конструкция лопасти обеспечивает самозапуск ветроколеса и работу ветроустановки при больших и малых скоростях ветра» она является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой и принята за прототип. Недостатком лопасти является ее большое сопротивление, обусловленное отрывным обтеканием незамкнутого профиля при любых углах атаки с образованием широкого вихревого следа. При этом теряется большая часть энергии потока. Подъемная сила, возникающая при обтекании такой лопости, снижена из-за неполноты профиля. Коэффициент использования энергии ветра лопастью недостаточно высок. Заявляемое изобретение направлено на создание лопасти ветроколеса, обладающей пониженным сопротивлением и высокой подъемной силой, что позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра при сохранении способности лопасти обеспечивать самозапуск ветроустановки и ее работу при малых скоростях ветра так же, как и при больших. Это обеспечивается привносимыми изменениями в конфигурации профиля лопасти. В результате осуществления изобретения получен следующий технический эффект: трансформировано отрывное обтекание известной лопасти в безотрывное обтекание псевдопрофиля новой лопасти, что обусловило уменьшение ширины следа и интенсивности вихреобразования, а следовательно, снижение сопротивления лопасти, значительное увеличение подъемной силы, что существенно повысило коэффициент использования энергии ветра. Поставленная задача решается тем, что лопасть ветроколеса, содержащая полое перо с входной и выходной кромками, с боковыми поверхностями аэродинамического профиля, одна из которых имеет длину от входной кромки до зоны максимальной толщины пера, согласно изобретению, снабжена дополнительным пером с боковыми поверхностями полнопротяженного аэродинамического профиля, установленным вслед за полым пером таким образом, что его входная кромка расположена в пределах выходной кромки полого пера со стороны его укороченной боковой поверхности. Входная кромка дополнительного пера заведена в полость полого пера, а при малых углах атаки дополнительное перо установлено с зазором между его входной кромкой и выходной кромкой полого пера. Установка вслед за полым пером с незамкнутым аэродинамическим профилем дополнительного пера с полнопротяженным аэродинамическим профилем создает условия для образования при обтекании лопасти потоком воздуха псевдопрофиля с частично твердым и частично жидким контуром. Твердой частью контура псевдопрофиля являются участки профилей основного полого и дополнительного перьев, безотрывно обтекаемые потоком воздуха. Жидкая часть контура образована линиями тока воздуха, оторвавшимися на основном перо и присоединившимися к боковым поверхностям дополнительного пера. Наличие основного полого пера с неполным профилем обеспечивает самозапуск и вывод на рабочий режим ротора оргональной ветроустановки (ВЗУ), а наличие дополнительного пера обеспечивай* безотрывное обтекание всей лопасти (псевдопрофиля) аа счет присоединения оторвавшегося .на полом незамкнутом пере потока воздуха к боковым поверхностям дополнительного пера либо на части траектории движения лопасти (при малой быстроходности), либо на всей ее длине. В результате существенно снижается сопротивление за счет уменьшения ширины вихревого следа и интенсивности вихреобразования и значительно увеличивается подъемная сила, причем ее величина больше, чем сумма подъемных сил полого и дополнительного пера, взятых отдельно. Это происходит потому, что длина контура псевдопрофиля больше суммы длин полого пера и дополнительного. Эти эффекты существенно повышают коэффициент использования энергии ветра. Изобретение иллюстрируется графическими изображениями, где на фиг.1 приведен общий вид лопасти сбоку; на фиг.2 - вид сверху на концевую шайбу; на фиг.3 - поперечный разрез лопасти; на фиг.4-0-примеры образования псевдопрофиля при различных углах атаки. Лопасть ветроколеса состоит из основного полого пера 1 с неполным аэродинамическим профилем и дополнительного пера 2 с полнопротяженным аэродинамическим профилем, установленного вслед за основным 1 пером. Профиль основного полого пера 1 содержит закругленную входную кромку 3, боковые поверхности 4 и 5. Поверхность 4 имеет полную протяженность аэродинамического профиля, а поверхность 5 такой же профиль, но длину от входной кромки 3 до зоны 6 максимальной толщины профиля. Основное полое перо 1 заканчивается выходной кромкой 7. Дополнительное перо 2 содержит входную кромку 8. боковые поверхности 9,10 полнопротяженного аэродинамического профиля, выходную кромку 11. Концевые шайбы 12 соединяют обе части: полое перо 1 и дополнительное перо 2 -в единую конструкцию, т.е. являются общими для обеих частей и ограничивают их по высоте сверху и снизу и служат для уменьшения концевых потерь и вибрационных явлений. Форма концевых шайб 12 может быть отличной от приведенной на фиг.2. Дополнительное перо 2 может иметь профиль различных аэродинамических форм и размеров, Входная кромка 8 дополнительного пера 2 расположена в пределах выходной кромки 7 полого пера 1 вслед за ним со стороны его укороченной боковой поверхности 5, т.е. входная кромка 8 может быть либо заведена в полость полого пера 1, не перекрывая при этом доступа в нее воздуха при запуске, либо устанавливается с зазором относительно выходной кромки 7, т.е. за кромкой 7, но вблизи нее (зазор расположен по ходу потока воздуха при набегании его со Стороны входной кромки 3 полого пера 1). Расположение входной кромки 0 дополнительного пера 2 определяется диапазоном значений угла атаки а набегающего потока при планируемом режиме работы. Диапазон значений углов атаки «зависит от режима работы лопасти. Режим работы определяется, π свою очередь, величиной коэффициента быстроходности 0, который равен отношению линейной скорости движения лопасти по круговой траектории к скорости набегающего потока. Чем больше Θ, тем уже диапазон рабочих значений углов атаки а и, наоборот, чем меньше θ, тем больше диапазон значений a. При малых углах атаки а (от - 5° до і- 5°) допускается устанавливать дополнительное перо 2 с зазором "b" по ходу потока относительно выходной кромки основного полого пера 1, как это показано на фиг.4. В этом случае образуется псевдопрофиль, имеющий частично твердый 13 и частично жидкий 14 участки контура. Величина зазора "b" подбирается опытным путем. В диапазонах значений углов атаки а, превышающих +5°, дополнительное перо 2 устанавливается с заходом его входной кромки в полость пера 1, чтобы уменьшить или исключить неустойчивость жидкого участка 14 контура псевдопрофиля, которая может возникнуть из-за перетока воздуха при наличии зазора (по ходу потока) между основным 1 и дополнительным 2 перьями. Примеры такой установки показаны на фиг.5 (при а- 10°) и фиг.6 (при a + 25°). В этих случаях образуются более толстые профили (псевдопрофили) с твердым 13 и гладким 14 участками контура. Угол b между хордой 15 основного полого пера 1 и хордой 16 дополнительного пера 2 по предварительным стенкам может выбираться в пределах от - 20° до + 30°, при этом положительное направление угла b - по часовой стрелке, если точку пересечения входной кромки 8 и хорды 16 дополнительного пера 2 принять за ось вращения. Величину захода входной кромки 8 дополнительного пера 2 в полость пера 1 и угловое расположение хорды 15 первого относительно хорды 16 второго должны выбираться таким образом, чтобы дополнительное перо 2 не препятствовало доступу потока воздуха в полость пера 1 в процессе запуска ротора. Эти величины рекомендуется подбирать экспериментальным путем. Лопасть работает следующим образом. Рабочими параметрами ВЭУ являются в общем случае величина вращающего момента и частота вращения ротора. Эти параметры задаются потребителем энергии и однозначно определяют величину коэффициента быстроходности при номинальном значении скорости ветра, для которой проектируется установка. В свою очередь, величиной коэффициента быстроходности обуславливается рабочий диапазон углов атаки который и определяет выбор варианта установки дополнительного пера 2, его форму и размеры. При набегании ветрового потока на ветроколесо с предложенными лопастями происходит его самозапуск благодаря наличию полого пера 1, имеющего незамкнутый аэродинамический профиль. При движении ветрокслеса на лопасти возникает подъемная сила, способствующая выводу ротора на рабочий режим. В рабочем режиме происходит образование псевдопрофиля либо на большей части круговой траектории движения лопасти, либо на всей ее длине в зависимости от отношения окружной скорости лопасти к скорости ветра. Псевдопрофиль образуется за счет присоединения оторвавшегося на полом незамкнутом пере 1 потока к дополнительному перу 2 по его боковым поверхностям 9 и 10, В этом случае имеет место безотрывное обтекание псеадопрофиля, контур которого состоит из твердой 13 и жидкой 14 частей. Трансформация отрывного обтекания известной лопасти в безотрывное обтекание псевдопрофиля обуславливает уменьшение ширины следа и интенсивности вихреобразования, и, следовательно, снижение сопротивления и значительное увеличение подъемной силы, что существенно повышает коэффициент использования энергии ветра.