Багатолопатевий ротор вітродвигуна із зовнішнім та проміжним(и) кільцями аеродинамічної форми

Ротор вітродвигуна, що перетворює енергію вітрового потоку в енергію обертання вала елект 3 2. Відносно низький Ср. 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 також зменшує аеродинамічну якість лопаті і значно знижує Ср. 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 2 - є багатолопатевий ротор 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 1. Зовнішнє кільце має перетин у вигляді профілю аеродинамічної форми (може бути як симетричним, так і несиметричним) з хордою паралельною повітряному потоку. Зовнішнє кільце з метою спрощення і здешевлення його виготовлення, транспортування і монтажу складається з окремо виготовлених і жорстко скріплених при монтажі сегментів. Зовнішнє кільце зміцнене лонжеронами, нервюрами і міцною оболонкою або тільки міцною оболонкою (без лонжеронів) з метою перерозподілу вітрового навантаження переважно з лопатей на зовнішнє кільце. Такий перерозподіл відбувається за рахунок того, що кільце не дає зігнутися лопаті від сильного вітру подібно ободу і спицям колеса велосипеда. При цьому вітрове навантаження на лопать надає не згинаюче зусилля, а витягаюче. За рахунок того, що розірвати 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. Збільшення кількості лопатей (знаходиться в межах від 6 до 16, оптимально 8-9) 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 Ср. При кількості лопатей менш ніж 6 відбувається занадто нерівномірне завантаження кільця, що приводить до потреби робити його занадто міцним і жорстким, а тому занадто тяжким. Це додає навантаження на лопаті замість його зменшення. Збільшення кількості лопатей більш ніж 16 є зай 88976 4 вим, оскільки рівномірність навантаження на кільце вже достатня. Зовнішнє кільце також усуває індуктивні втрати і стабілізує лопаті (перш за все, зменшує вірогідність флатера). Аналог 2 має на багато кращі характеристики та можливості у зрівнянні з традиційними 3-х лопатевими вітровими роторами. Аеродинамічні розрахунки для ротора з діаметром 120м, числом лопатей, рівним 8, зовнішнім кільцем шириною 1,5м, завтовшки 0,3м і номінальною швидкістю вітру 18м/с, показують: 1. Оптимальна швидкість переміщення кінців лопатей складає 74м/с при швидкості вітру 12м/с і 94м/с при швидкості вітру 18м/с. 2. За рахунок зменшення профільних втрат, унаслідок зниження окружної швидкості і відносної товщини лопатей, а також усунення кінцевих втрат досягнутий Ср, перевищуючий 60% в діапазоні швидкостей вітру від початкової до номінальної. 3. Завдяки збільшенню номінальної швидкості вітру і Ср номінальна потужність збільшена з 4,5МВт (у аналогів 1 з діаметром ротора 120м) до 20МВт. Максимальна швидкість вітру збільшена до 35м/с. 4. Розрахунок загального річного збору електроенергії показує його збільшення в 2-3 рази, залежно від вітрового класу місця установки вітрового агрегату. 5. З'явилася можливість збільшити максимальні розміри ротора з існуючих, діаметром 120126м, до діаметрів 250-300м. 6. Завдяки перерозподілу частини навантаження з лопатей на зовнішнє кільце спрощується можливість, з метою здешевлення виробництва, транспортування та монтажу, розділити лопаті на декілька частин, які з'єднуються при монтажі ротора. Недоліки аналога 2: 1. Подорожчання конструкції на всіх етапах виробництва, транспортування, монтажу та технічного обслуговування за рахунок більшої кількості лопатей, зовнішнього кільця, підвищення потужності генератора та більшого навантаження на башту навіть при істотному здешевленню кожної лопаті. 2. Додаткові складності при монтажі ротора, пов'язані з тим, що поки кільце не зібране, довгі лопаті, у тому числі і в горизонтальному положенні, повинні витримувати власну вагу та вагу прикріплених до їх кінців сегментів кільця. Основні задачі, вирішувані за допомогою винаходу: 1. Подальше зменшення навантаження на зовнішнє кільце і на лопаті, особливо під час монтажу ротора. 2. Покращення стабілізації середніх частин лопатей без зміцнення лопатей, що найбільш важливо для роторів діаметрами вище ніж 150-200м при збільшених номінальних швидкостях вітру. Задачі розв'язуються застосуванням у багатолопатевому роторі із зовнішнім кільцем (аналог 2) хоча б одного проміжного кільця, аналогічного зовнішньому кільцю. Проміжні кільця поділяють лопаті на зовнішні частини та внутрішні, мають вигляд крила із високою аеродинамічною якістю з 5 хордою паралельною повітряному потоку. Під паралельністю тут і у формулі винаходу, також як і в аналогу 2, розуміється вид конструкції, а не точне значення паралельності (реальний нахил хорди може бути в межах 0-20 градусів). Припускається, що для роторів з діаметрами 150-240м. достатнім буде наявність одного проміжного кільця, для діаметрів 250-300м. - двох. Усі кільця, також як і зовнішнє кільце аналогу 2, складаються з окремих сегментів, які з'єднуються при монтажі. Для уніфікації вони можуть бути однаковими, а їх кількість може бути кратною числу лопатей. Далі в тексті буде описаний варіант з одним проміжним кільцем. Варіант з двома та більш проміжними кільцями повністю аналогічний. Зменшення навантаження на лопать і на зовнішнє кільце відбудеться за рахунок того що проміжне кільце візьме на себе частину навантаження з внутрішньої частини лопаті, аналогічно перерозподілу навантаження зовнішнім кільцем у аналогу 2. Навантаження на зовнішнє кільце відбудеться тільки за рахунок зовнішньої частини лопаті. Також відбудеться стабілізація середніх частин лопатей, що дозволить не збільшувати товщину їх оболонок та товщину їх лонжеронів (якщо вони є) для забезпечення жорсткості. З'єднання частин лопатей між собою здійснюється за допомогою проміжного кільця, розташованого між ними, та може бути як жорстким, так і регульованим. Кріплення частин лопатей до кілець, також як і в аналогу 2, є рухомим та може здійснюватися в наступних варіантах: 1. Фіксацією виходячого з кінця частини 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). 2. Фіксацією закріплених в кільці валів в підшипниках втулок, розташованих в кінцях частин лопатей. 3. Фіксацією шпильок із різьбою, які виходять з кінців частин лопатей, гайками у фланцях коротких валів втулок, розташованих в кільцях, подібно кріпленню корінцевих частин лопатей до центральної втулки ротора. 4. Фіксацією шпильок із різьбою, які виходять з коротких валів втулок кілець, гайками у фланцях кінців частин лопатей. 5. Фіксацією шпильок із різьбою, які виходять з валів втулок кінців частин лопатей, гайками у фланцях кілець. 6. Фіксацією шпильок із різьбою, які виходять з кілець, гайками в шліцах валів втулок кінців частин лопатей. Такі варіанти кріплення кільця дозволяють вільно міняти установлені кути лопатей залежно від конкретної швидкості вітру. Варіанти кріплення можуть припускати наявність пристрою примусового повороту зовнішньої частини лопаті. Передача обертаючого моменту одному валу втулки щодо іншого валу (або обертаючого моменту від втулки до валу) може здійснюватися, наприклад, шестерневою передачею або від електромотору, або за допомогою механічної тяги з пристрою по 88976 6 вороту, що знаходиться в центральній втулці ротора. Пристрій примусового повороту зовнішньої частини лопаті дозволить додатково зменшити навантаження на зовнішнє кільце та на зовнішню частину лопаті за рахунок максимального навантаження для внутрішньої частини лопаті при швидкостях вітру вище номінальної, що бажано з огляду на більш вузькі та тонкі зовнішні частини лопатей. До того ж немає сенсу повертати всю лопать, якщо достатньо повернути тільки вузьку зовнішню частину. Отримане нерівномірне навантаження на лопать дасть результат тільки за наявністю проміжного кільця, яке стабілізує середню частину лопаті. З метою зменшення індуктивних втрат, також як і в аналогу 2, зазор між частинами лопатей та кільцями 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. Вали кріплення частин лопатей та кілець повинні бути порожніми для проходження проводу-блискавковідводу, який з'єднує металізовану смугу зовнішньої частини зовнішнього кільця з центральною втулкою ротора, та проводів пристрою регулювання установлених кутів зовнішньої частини лопаті (якщо він є). Наявність проміжного кільця не погіршить аеродинамічні та покращить міцнісні (а, звідси вагові та вартісні) якості ротора діаметром більш ніж 120-150м, тому, перелічені вище параметри та переваги аналогу 2 збережуться і для запропонованого у винаході ротора. На Фіг.1 показаний загальний вид ротора, що має 8 лопатей, проміжне і зовнішнє кільця. На Фіг.2 та 3 представлений фрагмент ротора, що показує варіант з'єднання частин лопаті між собою та з втулкою проміжного кільця, при якому вали частин лопатей уставлені один в другий та не передбачене окреме регулювання установлених кутів зовнішньої частини лопаті. На Фіг.4 та 5 представлений фрагмент ротора, що показує варіант з'єднання вала кінця зовнішньої частини лопаті з втулкою зовнішнього кільця, при якому зовнішнє кільце містить 2 лонжерони круглого перетину та не передбачений пристрій повороту кінця лопаті. Фіг.2 та 4 показують з'єднання в розрізі в площині обертання ротора. Фіг.3 та 5 показують з'єднання в розрізі перпендикулярному площині обертання ротора. Цифрами на малюнках Фіг.1-5 позначені: 1. зовнішня частина лопаті; 2. внутрішня частина лопаті; 3. зовнішнє кільце; 4. проміжне кільце; 5. нервюра лопаті; 6. нервюра кільця; 7. втулка проміжного кільця як частина нервюри; 8. підшипник (повинен бути закритого типу і розраховуватися на великий термін експлуатації без додаткового змазування); 9. гайка-фіксатор внутрішнього кільця підшипника; 7 10. шайба-фіксатор зовнішнього кільця підшипника; 11. зовнішній стиковий вал; 12. внутрішній стиковий вал; 13. гвинти кріплення вала до нервюри лопаті; 14. стикові болти для фіксації валів між собою; 15. технологічні люк-отвори для доступу до внутрішніх частин при монтажі конструкції; 16. стиковий вал для зовнішнього кільця; 17. лонжерони зовнішнього кільця; 18. втулка зовнішнього кільця. Замість стикових болтів 14 можна застосовувати кільця та шпильки, установлені в пази між стиковими валами. Лонжерон в лопаті може існувати, може бути відсутній або знаходитися тільки в її кінці для жорсткої фіксації в лопаті виходячого з кінця лопаті валу. Існує багато інших способів кріплення, які можна застосувати для реалізації конструкції, що пропонується, в тому числі й з можливістю регулювання установлених кутів частин лопатей. Креслення показані лише для наочності конструкції та як варіант доказу її можливості здійснення. Технології виготовлення, транспортування і монтажу лопатей ротора вже налагоджені в аналогах 1 і відрізняються тільки зміною їх форми і збільшенням їх кількості. Виготовлення і транспортування окремих секторів кілець проводиться аналогічно лопатям. При цьому для виготовлення сегментів кілець, лопатей, нервюр і лонжеронів (якщо вони є) може використовуватися багатошарова оболонка з шарів скловолокна, заповнених епоксидним або поліефірним клеєм. Виготовлення втулок і валів кілець та лопатей також не є складним. З'єднання між собою сегментів кілець прово 88976 8 диться 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 доступу до внутрішньої частини кільця або лопаті можна використовувати технологічні люк-отвори (наприклад, прямокутні), виконані (на етапі виробництва) вирізанням ділянки оболонки кільця або лопаті. Надалі ці ділянки оболонки гвинтами (або шурупами) кріпляться в люкотворах до встановлених зсередини накладок, а створені щілини замащуються герметиком. Монтаж ротора може здійснюватися як за допомогою високого крана, так і за допомогою невеликого крана, закріпленого на спеціальній платформі, яка здатна переміщатися вертикально по башті турбіни, яка будується (найбільш перспективно). При монтажі ротора спочатку внутрішні частини лопатей кріпляться до установленій на башті втулці вала генератора, як і аналоги 1. Після цього з платформи, закріпленої за башту або піднятої краном, до кінців лопатей почергово кріпляться сегменти проміжного кільця та скріплюються між собою, періодично обертаючи для цього вал генератора. Далі до готового проміжного кільця та внутрішніх частин лопатей кріпляться зовнішні частини лопатей. Після цього аналогічно кріпляться сегменти зовнішнього кільця та з'єднуються між собою. В результаті, всі операції по виготовленню, транспортуванню, монтажу і експлуатації ротора не представляють великої складності і технічно здійснимі. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 88976 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601