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 3 84360 2. Швидкість переміщення кінців лопатей при швидкості вітру 12м/с, що знаходиться в межах 70100м/с. 3. Початкову швидкість вітру (швидкість вітру включення генератора), яка становить 3-4м/с, номінальну швидкість вітру (швидкість вітру ви ходу генератора на номінальну потужність) - 12-14м/с, максимальну швидкість вітру (швидкість вітру виключення генератора) - 21-27м/с. 4. В діапазоні швидкостей вітру від початкової до номінальної середній Cp для різних моделей знаходиться в межах 35-45%. 5. Максимальні діаметри ротора, які не перевищують 120м із вагою лопаті до 20т. Основні недоліки 3 - лопатевих роторів: 1. Складність суттєво збільшити розміри існуючих роторів, оскільки вага лопатей та їх вартість збільшаться на багато більше, а аеродинамічна якість погіршиться. 2. Відносно низький Cp. Він зменшується в зовнішній (кінцевій) частині лопаті за рахунок індуктивних, так званих кінцевих втрат, а також через великі 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. 3. Неефективне використовування потужних вітрів. Швидкості вітру вище 12-14м/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 та суттєвого їх подорожчання практично неможливо. Аналог за п.2 має кількість лопатей більше 3 і зовнішнє кільце, що фіксує кінці лопатей. Зовнішнє кільце є легкою тонкою ненавантаженою 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 оптимальної швидкості обертання ротора і, як наслідок, зменшує профільні втрати 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 аналогу за п.2 також як і у аналогів за п.1 є неефективне використовування потужних 4 вітрів, оскільки конструкція не дозволяє істотно знизити навантаження на лопаті. Велике навантаження на лопаті не дозволяє також суттєво збільшити розміри ротора. 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, оскільки конструкція не дозволяє істотно знизити відносну товщину лопатей. Недоліком аналогу є й висока складність та вартість виготовлення, транспортування та монтажу цільного зовнішнього кільця. Основною задачею, вирішуваною за допомогою винаходу, є підвищення ефективності роторів вітрових турбін за рахунок максимального Cp в якомога більшому діапазоні швидкостей вітру при найбільших розмірах ротора при мінімізації додаткових витрат. Задача розв'язується (пункт 1 формули винаходу) застосуванням багатолопатевого ротора з віссю обертання паралельною вітровому потоку з радіально розташованими лопатями, кінці яких сполучені рухомо з міцним 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 повітряному потоку. Під паралельністю тут і у формулі винаходу розуміється вид конструкції, а не точне значення паралельності (реальний нахил хорди щодо осі обертання може бути в межах 0-20 градусів). Зовнішнє кільце на відміну від аналогу за п.2 з метою спрощення і здешевлення його виготовлення, транспортування і установки складається з окремо виготовлених і жорстко скріплених при монтажі сегментів. Для уніфікації вони можуть бути однаковими, а їх кількість може бути кратною числу лопатей, яке 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, і дешевше за рахунок зменшення товщини оболонки і застосування менш дорогих матеріалів (наприклад, скловолокна замість углеволокна) навіть при істотному збільшенні швидкості вітру. Необхідно лише забезпечити достатню жорсткість лопаті для протидії спробам 5 84360 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. Збільшення кількості лопатей необхідне, поперше, для більш рівномірного розподілу навантаження на зовнішнє кільце, по-друге, для зменшення оптимальної окружної швидкості 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. На відміну від аналога за п.2, кріплення кінця лопаті до кільця є рухомим і може здійснюватися у двох варіантах: 1. Фіксацією виходячого з кінця лопаті валу, наприклад кінця лонжерона, у підшипнику втулки, розташованої в кільці і закріпленої за його лонжерон (лонжеронів кільця може бути дещо) або за нервюри (за відсутністю лонжеронів кільця). Лонжерон в лопаті може існувати, може бути відсутній або знаходитися тільки в її кінці для жорсткої фіксації в лопаті виходячого з кінця лопаті валу. 2. Фіксацією закріплених в кільці валів в підшипниках втулок, розташованих в кінцях лопатей. Такі варіанти кріплення кільця дозволяють вільно міняти настановні кути лопатей залежно від конкретної швидкості вітру. Варіанти кріплення можуть припускати наявність у втулці пристрою примусового повороту кінця лопаті. Передача обертаючого моменту валу лопаті щодо втулки кільця в першому варіанті кріплення, або втулці лопаті щодо валу кільця в другому випадку, може здійснюватися, наприклад, шестерневою передачею або від електромотору, або за допомогою механічної тяги з пристрою повороту всієї лопаті, що знаходиться в центральній втулці ротора. З метою зменшення індуктивних втрат кінця лопаті зазор між ним і зовнішнім кільцем не повинен бути великим і знаходитися в межах 0,5-10см (оптимально 1-2см). Унаслідок температурних (сезонних) невеликих змін розмірів ротора в невеликих межах мінятиметься конусність ротора. 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, оптимальна швидкість переміщення кінців лопатей складає 74 м/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 близько 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 6 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. Пропонований винахід за рахунок меншого завантаження лопатей і зниження їх окружної швидкості дозволяє збільшити розміри ротора при збереженні аеродинамічної якості і міцності конструкції аж до діаметра ротора 300м. Пункт 2 формули винаходу відрізняється від пункту 1 тим, що завдяки перерозподілу частини навантаження з лопатей на зовнішнє кільце, лопаті ротора, з метою здешевлення їх виготовлення і транспортування до місця установки, можуть виготовлятися з 2-3 окремих частин. Збірка таких лопатей проводиться на місці установки ротора перед його монтажем. Недоліками винаходу є ускладнення та подорожчання виготовлення, транспортування і монтажу ротора та турбіни в цілому навіть при істотному здешевленні кожної лопаті. На Фіг.1 показаний загальний вид ротора, що має 8 лопатей і зовнішнє кільце. На Фіг.2,3 представлений фрагмент ротора, що показує варіант з'єднання вала кінця лопаті із втулкою міцного зовнішнього кільця, при якому зовнішнє кільце містить 2 лонжерони круглого перетину та не передбачений пристрій повороту кінця лопаті. 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 люк-отвір 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 зміною їх форми і збільшенням їх кількості. Виготовлення і транспортування окремих секторів зовнішнього кільця проводиться аналогічно лопатям. При цьому для виготовлення сегментів кільця, лопатей, нервюр і лонжеронів (якщо вони є) може використовуватися багатошарова оболонка з шарів скловолокна, заповнених епоксидним або поліефірним клеєм. Виготовлення втулок і валів зовнішнього кільця та лопатей також не є складним. З'єднання між собою сегментів кільця, так само як і сегментів лопатей (якщо лопаті складові) проводиться з'єднанням лонжеронів (якщо вони є), наприклад, подовжньо-роз'ємною муфтою, та гвинтовим (або шурупами) з'єднанням оболонок міцними внутрішніми накладками або широкими нервюрами. Для доступ у до внутрішньої частини кільця або лопаті можна використовувати технологічні люкотвори(наприклад, прямокутні), виконані (на етапі 7 84360 виробництва) вирізанням ділянки оболонки кільця або лопаті. Надалі ці ділянки оболонки гвинтами (або шур упами) кріпляться в люк-отворах до встановлених зсередини накладок. При монтажі ротора на місці установки спочатку збираються лопаті (якщо вони складові), потім вони кріпляться до встановленій на башті втулки валу генератора, як і аналоги за п. 1. Після цього з Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 довгої платформи, піднятої краном або підйомником, 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. 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