Багатолопатевий ротор вітродвигуна із зовнішнім кільцем аеродинамічної форми

1. Ротор вітродвигуна, що перетворює енергію вітрового потоку в енергію обертання вала електрогенератора, з віссю обертання, паралельною вітровому потоку, радіально розташованими лопатями з регульованими кутами установки з перетином у вигляді профілю аеродинамічної форми, що 3 83890 профільні втрати (втрати тертя лопаті об повітря), викликані високою швидкістю переміщення кінців лопатей. В частині лопаті, розташованої ближче до центру, швидкості переміщення лопатей нижче, зате вище відносна товщина лопаті, необхідна для достатньої міцності. Велика товщина зменшує аеродинамічну якість лопаті і значно знижує Cp. Іншим недоліком 3 - лопатевих роторів є неефективне використовування потужних вітрів з швидкостями вище за номінальну. Швидкості вітру вище 13-14м/с бувають ще часто, а потужність ротора вже обмежена, велика частина енергії при цьому втрачається. Підвищити номінальну потужність заважає, перш за все, значне збільшення вітрового навантаження на лопаті. Зробити лопаті міцнішими без погіршення аеродинамічної якості практично неможливо. Аналог за п. 2 має кількість лопатей більше 3 і зовнішнє кільце, що фіксує кінці лопатей. Зовнішнє кільце є легкою ненавантаженою тонкою оболонкою з перетином у вигляді несиметричного аеродинамічного профілю. Його призначенням є стабілізація кінців лопатей і усунення індуктивних втрат ротора, що викликають його додатковий шум. Кожна лопать має лонжерон і нервюри, аналогічно крилу літака, і тонку оболонку. Лонжерон грає при цьому роль стяжного болта, яким лопать кріпиться до центральної втулки і до зовнішнього кільця. Збільшення кількості лопатей приводить до зменшення швидкості обертання ротора і, як наслідок, зменшує профільні втрати в кінці лопаті, збільшуючи Cp. Зовнішнє кільце усуває індуктивні втрати і за рахунок стабілізації лопатей (перш за все, зменшує вірогідність флатера, тобто резонансних коливань лопатей) дозволяє трохи зменшити відносну товщину лопаті, тим самим підвищити Cp за рахунок невеликого поліпшення аеродинамічної якості. Завдяки збільшенню числа лопатей і усуненню індуктивних втрат у винаході заявляється про можливість досягнення Cp, рівного 55%. Недоліком аналога за п. 2 також є неефективне використовування потужних вітрів з швидкостями вище за номінальну. Конструкція не дозволяє суттєво підвищи ти навантаження на лопаті. Недостатньо вдалим є і кріплення кінця лопаті до зовнішнього кільця, що ускладнює можливість повороту лопаті відносно кільця. Цей поворот необхідний для вибору оптимальних настановних кутів в робочому діапазоні швидкостей вітру. Крім того, Cp хоча і вище ніж у аналогів за п. 1, але також не максимальний. Основною задачею, вирішуваною за допомогою винаходу, є підвищення ефективності вітрових турбін за рахунок максимального використовування енергії вітрового потоку в площі, охоплюваній ротором, при мінімізації додаткових витрат. Максимального використовування енергії вітрового потоку можна добитися тільки за рахунок максимального Cp в якомога більшому діапазоні швидкостей вітру при найбільших розмірах ротора. Для цього необхідно збільшити номінальну і максимальну швидкості вітр у із збереженням високого Cp. Задача розв'язується застосуванням багатолопатевого ротора з віссю обертання паралельною вітровому потоку з радіально розташованими 4 лопатями, кінці яких сполучені зовнішнім кільцем. Лопаті мають форму крила з високою аеродинамічною якістю, необхідну крутку і можливість регулювання оптимального для відповідної швидкості вітру кута установки подібно аналогам п. 1. Зовнішнє кільце має перетин у вигляді профілю аеродинамічної форми (може бути як симетричним, так і несиметричним) з хордою паралельною (або майже паралельною) повітряному потоку. Кількість лопатей знаходиться в межах від 6 до 16 (оптимально 8 - 9). Принциповою відмінністю конструкції від аналога за п. 2 є зміцнення кільця лонжеронами, нервюрами і міцною оболонкою або тільки міцною оболонкою (без лонжеронів) з метою перерозподілу ві трового навантаження переважно з лопатей на зовнішнє кільце. Такий перерозподіл відбудеться за рахунок того, що кільце не дасть зігнутися лопаті від сильного вітру подібно ободу і спицям колеса велосипеда. При цьому вітрове навантаження на лопать надаватиме не згинаюче зусилля, а витягаюче. За рахунок того, що порвати лопать складніше, ніж зламати, її можна зробити тонше (максимальна відносна товщина може бути не більше 25-30%), значно поліпшивши аеродинамічну якість навіть при суттєвому збільшенню швидкості вітру. Необхідно лише забезпечити достатню жорсткість лопаті для протидії спробам вітру повернути кінець лопаті. Іншими словами, замість системи з однією опорою лопатей, існуючу в аналозі 2, у винаході, що заявляється, існує система з двома опорами лопатей - це і втулка ротору і кільце. На відміну від аналога за п. 2, кріплення кінця лопаті до кільця здійснюється за допомогою з'єднання виходячого з кінця лопаті валу, наприклад кінця лонжерона, з підшипником втулки, розташованої в кільці і закріпленої за його лонжерон (лонжеронів кільця може бути кілька) або за пару нервюр (при відсутності лонжеронів кільця). Лонжерон в лопаті може бути відсутній або знаходитися тільки в її кінці для жорсткої фіксації в лопаті виходячого з кінця лопаті валу. Збільшення числа лопатей необхідне, поперше, для більш рівномірного розподілу навантаження на зовнішнє кільце, по-друге, для зменшення окружної швидкості кінців лопатей, з метою зменшення профільних втрат і збільшення Cp. При кількості лопатей менш ніж 6 відбудеться занадто нерівномірне завантаження кільця, що приведе до потреби робити його занадто міцним і жорстким, а тому занадто тяжким. Велика маса кільця додасть навантаження на лопаті замість його зменшення. Збільшення кількості лопатей більш ніж 16 суттєво не додасть рівномірності навантаження на кільце, оскільки ця рівномірність вже достатня, і, с точки зору підвищення вартості, буде зайвим. Аеродинамічні розрахунки показують: для ротора з діаметром 120м, числом лопатей, рівним 8, зовнішнім кільцем шириною 1,5м, завтовшки 0,3м і номінальною швидкістю вітру 18м/с, швидкість переміщення кінців лопатей складає 74м/с при швидкості вітру 12м/с і 94м/с при швидкості вітру 18м/с (аналоги за п. 1 при діаметрі ротора 120м мають швидкість переміщення кінців лопатей бли 5 83890 зько 100м/с при швидкості вітру 12м/с). За рахунок зменшення профільних втрат, унаслідок зниження окружної швидкості і відносної товщини лопатей, а також усунення кінцевих втрат досягнутий Cp, перевищуючий 60% в діапазоні швидкостей вітру від початкової до номінальної. Завдяки збільшенню номінальної швидкості вітру і Cp номінальна потужність збільшена з 4,5МВт (у аналогів за п. 1 з діаметром ротора 120м) до 20МВт. Максимальна швидкість вітру збільшена до 35м/с. Розрахунок загального річного збору електроенергії показує його збільшення в 2 - 3 рази, залежно від вітрового класу місця установки вітрового агрегату. Додатковою перевагою винаходу є можливість ще більше збільшити розміри ротора при збереженні аеродинамічної якості і міцності конструкції за рахунок меншого завантаження лопатей аж до діаметра ротора 200м. Недоліками конструкції є, по-перше, ускладнення її виготовлення, доставки і монтажу, подруге, збільшення потужності ротора приводить до збільшення вітрового тиску на ротор, що вимагає більш міцної башти, по-третє, збільшення номінальної швидкості вітру зменшує коефіцієнт завантаження електромережі через меншу вірогідність сильних вітрів. Недоліком є і невелике збільшення початкової швидкості вітру через менш ефективне використовування слабих вітрів, унаслідок погіршення коефіцієнта корисної дії мало завантаженого потужного генератора. Уникнути малого навантаження можна, якщо використовувати поєднання на одному валу дво х генераторів, один з яких потужніше іншого у декілька разів. При слабому вітрі працює малопотужний генератор, при посиленні вітру відбувається підключення обмоток потужного. Варіант 1 винаходу відрізняється від основного тим, що зовнішнє кільце, з метою здешевлення його виготовлення, доставки до місця установки і монтажу, виготовляється з окремих сегментів, число яких для уніфікації кратно кількості лопатей. Збірка такого кільця проводиться при монтажі ротора. Варіант 2 винаходу відрізняється від варіанту 1 тим, що і лопаті ротора, з метою здешевлення їх виготовлення і доставки до місця установки, виготовляються з 2-3 окремих сегментів. Збірка таких лопатей проводиться на місці установки ротора перед їх монтажем. На Фіг.1 показаний загальний вид ротора, що має 8 лопатей і зовнішнє кільце. На Фіг.2, 3 представлений фрагмент ротора, що показує з'єднання 6 кінця лопаті із зовнішнім кільцем для варіанту, при якому зовнішнє кільце містить 2 лонжерони круглого перетину. Фіг.2 показує з'єднання в розрізі в площині обертання ротора. Фіг.3 показує з'єднання в розрізі перпендикулярному площині обертання ротора. Цифрами на малюнках Фіг.1, 2, 3 позначені: 1. лопать; 2. зовнішнє кільце; 3. лонжерон лопаті; 4. лонжерони кільця; 5. втулка кільця; 6. нервюра лопаті; 7. нервюри кільця; 8. підшипник (повинен бути закритого типу і розраховуватися на великий термін експлуатації без додаткового змазування); 9. гайка-фіксатор вала відносно внутрішнього кільця підшипника; 10. технологічний люкотвір для доступ у до втулки при монтажі кільця і можливої зміни підшипника при експлуатації конструкції. Технології виготовлення, транспортування і монтажу лопатей ротора вже налагоджені в аналогах за п. 1 і відрізняються тільки невеликою зміною їх форми і збільшенням їх кількості. Виготовлення і транспортування окремих секторів зовнішнього кільця проводиться аналогічно лопатям. При цьому для виготовлення кільця, лопатей, нервюр і лонжеронів (якщо вони є) може використовуватися багатошарова оболонка з шарів скловолокна, заповнених епоксидним або поліефірним клеєм. Виготовлення втулок зовнішнього кільця також не є складним. З'єднання між собою сегментів кільця, так само як і сегментів лопатей (якщо лопаті складові) проводиться спочатку з'єднанням лонжеронів (якщо вони є), наприклад, подовжньо-роз'ємною муфтою, потім клейовим і гвинтовим з'єднанням оболонок внутрішніми накладками або широкими нервюрами. Для доступу до внутрішньої частини кільця або лопаті можна використовувати технологічні люк-отвори, виконані розрізанням ділянки оболонки кільця або лопаті. Надалі ці ділянки оболонки гвинтами кріпляться в люк-отворах до встановлених зсередини накладок. При монтажі ротора на місці установки спочатку збираються лопаті (якщо вони складові), потім вони закріплюються до встановленій на башті втулки валу генератора, як і аналоги за п. 1. Після цього з довгої платформи, піднятої краном або закріпленої за башту, до кінців лопатей по черзі кріпляться сегменти кільця і скріпляються між собою, періодично повертаючи для цього вал генератора. В результаті, всі операції по виготовленню, транспортуванню, монтажу і експлуатації ротора не представляють великої складності і технічно здійснимі. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83890 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601