Лопать

1. Лопать, що формована з армованої волокном полімерної оболонки, з можливістю кріплення торцевою частиною комеля до елементів маточини ротора, та містить не менше одної закладної деталі з матеріалу підвищеної міцності під кріпильні елементи, яка відрізняється тим, що в пустотілому комелі з боку торця кріплення лопаті до фланця маточини оболонкою комеля з армованого полімерного матеріалу охоплено, за рахунок перегину оболонки, й приєднано не менш однієї закладної деталі із кріпильними отворами, що повторює контур поперечного перерізу торцевої частини комеля, і загнута частина оболонки з'єднана з основною частиною оболонки комеля. 2. Лопать за п. 1, яка відрізняється тим, що закладна деталь виконана комбінованою, причому основний елемент закладної деталі, що несе навантаження, виготовлений з металу й має кріпильні отвори з гвинтовою різьбою, а додатковий елемент закладної деталі виготовлений з полімерного матеріалу, причому основний елемент закладної деталі розташований в стик з торцевою частиною оболонки комеля з армованого полімерного матеріалу в місці перегину, а додатковий елемент закладної деталі розташований із боку з'єднання загнутої ділянки оболонки комеля з армованого полімерного матеріалу з основною ділянкою обо 2 (19) 1 3 Винахід належить до вітроенергетики та осьових насосів і вентиляторів градирень, а саме до конструкції лопаті та елементів її кріплення. Відома лопать ротора, описана в патенті Російської Федерації № 2172434, що має пріоритет від 17.04.1996 року, а опублікований 20.08.2001 року, індекс МПК F04D 29/02; F04D29/34. Згідно з патентом, лопать, що підлягає кріпленню до маточини вентилятора, виготовлена, власне кажучи, з композиційного матеріалу на основі пластику з посилюючими волокнами, підстава (комель) лопаті містить металеве кільце із засобами для кріплення лопаті до маточини ротора, отвір якого має площу поперечного перерізу, що збільшується в напрямку периферії лопатки, в отворі кільця розташований жорсткий посилюючий елемент, причому композиційний матеріал заходить у кільце, а посилюючі волокна у підставі лопатки ротора проходять в отвір кільця між посилюючим елементом і стінкою отвору, власне кажучи, паралельно їй. Причому отвір кільця має форму зрізаного конуса. Посилюючий елемент містить вуглецеві волокна, причому посилюючий елемент являє собою пасмо вуглецевих волокон, згорнуте в формі диска, що утворений у процесі виготовлення лопатки ротора і розташований в отворі кільця із забезпеченням притиску посилюючих волокон в отворі в напрямку стінки отвору. Лопатка ротора має склад композиційного матеріалу з волокон і пластику в підставі лопатки ротора, що вибраний з урахуванням виконання умови, що композиційний матеріал у підставі має параметр лінійного розширення, адаптований до параметра лінійного розширення металевого кільця. Композиційний матеріал являє собою епоксидний пластик з посилюючими скловолокнами. Посилення скловолокном в підставі лопатки ротора доповнено посилюючими вуглецевими волокнами, що проходять поперек скловолокон. Недоліками відомої конструкції є те, що металеве кільце для кріплення лопаті до маточини ротора знаходиться ззовні і утримує лопать притисканням конічного кінця комеля до маточини, що визиває необхідність виконувати кінцівку комеля високої міцності, але для лопатей великих розмірів, які використовуються у вітряних генераторах та вентиляторах градирень, така конструкція не забезпечить необхідної несучої здатності і стійкості до циклічних навантажень. Відома лопать вітряної електростанції описана в міжнародній заявці PCT/DK2009/000008 з пріоритетом від 14 січня 2008 року, міжнародна публікація WO2009/089833 від 23 липня 2009 року, індекс МПК F03D1/06. Лопать для вітрової електростанції містить не менш двох втулок у комелі згаданої лопаті для її кріплення в маточині, зазначені втулки розташовані уздовж поверхні лопаті, щонайменше кілька втулок не є паралельними. Згадані втулки нерівномірно розташовані в торці комеля лопаті, наприклад, щонайменше кілька згаданих втулок близько розташовані одна до одної з навітряної і/або підвітряної сторони лопаті. 97206 4 У лопаті для вітряної електростанції сегмент комеля згаданої лопаті не є циліндричним. Лопать для вітряної електростанції містить не менш однієї втулки в комелі згаданої лопаті для її кріплення в маточині, де вказа(на/ні) втулк(а/і) міст(ить/ять) два отвори для кріпильних деталей для даної втулки, причому принаймні деякі з даних отворів не є паралельними. У лопать для вітряної електростанції частково вставлена щонайменше одна втулка. Підшипник кочення складається з кільця підшипника із двома або більше отворами для установки кріпильних деталей з метою кріплення лопаті вітрової турбіни до згаданого підшипника кочення, причому не менш двох зазначених отворів спрямовані під різними кутами таким чином, щоб встановлені кріпильні деталі в згаданих отворах не були паралельними, та згадані отвори виконані у внутрішньому кільці підшипника кочення, причому згадані отвори розширені поблизу поверхні для одержання стикових з'єднань із метою затягування кріпильних деталей, таких як гайки й/або головки болтів кріпильних деталей, встановлених у зазначених отворах. Маточина для вітряної електростанції складається щонайменше з одного стикового з'єднання із двома або більше отворами для установки кріпильних деталей з метою кріплення лопаті вітрової турбіни до зазначеного стикового з'єднання, причому не менш двох згаданих отворів спрямовано під різними кутами таким чином, щоб установлені кріпильні деталі в даних отворах не були паралельними. Спосіб виготовлення лопаті для вітряної електростанції включає вкладення декількох втулок у комелі згаданої лопаті, де щонайменше кілька згаданих втулок не є паралельними, і включає вкладення зазначених втулок в основному уздовж поверхні лопаті, а також включає створення не менш одного клина за згаданими втулками й не менш декількох зазначених клинів з різною довжиною. Загальними ознаками є ті, що вказують на те, що в комелі закріплені закладні різьбові втулки для кріплення лопаті до маточини. Недоліками відомого винаходу є складність установки великої кількості окремих різьбових втулок у торці комеля, до того ж втулки роздільно встановлені у отвори, що висвердлені у торці комеля, і тому підвищена трудомісткість підгонки розташування втулок для їх збігу з отворами в маточині ротора, що ще призводить до нерівномірного навантаження втулок, а те, що торцева частина комеля має вставні втулки просто в торці багатошарового матеріалу, призводить до низької стійкості при знакозмінних навантаженнях від взаємодії з потоком при обертанні лопаті й вібрації, що зв'язана зі значними концентраціями напруг на кінцях металевих втулок, через які з'являються тріщини й розшарування на границі з'єднання втулок і матеріалу комеля лопаті, поява яких неконтрольована, і може призвести до аварії. Найбільш близьким є описане в міжнародній заявці PCT/DE03/01023 з пріоритетом від 28 бере 5 зня 2002 року, міжнародна публікація WO 03/082551 від 9 жовтня 2003 року, індекс МПК В29С70/86, 70/24; B29D31/00; F03D1/06, кріплення лопаті між лопаттю ротора і маточиною вітрової установки, де лопаті ротора і/або маточина містять не менш однієї втулки з міцного матеріалу в комелі ротора лопаті або з волоконного композитного матеріалу у фланцях маточини, що складається з декількох накладених один на один шарів ламінату для згаданої лопаті ротора або маточини і з'єднується з маточиною або ротором лопаті вітрової установки шпильками через різьбові отвори у втулках, причому: - щонайменше одна втулка має конічну форму в поперечному перерізі, - периферійна поверхня втулки містить численні виступи і/або пази, - паралельні втулці розширені шари ламінату утворені в поперечному перерізі в області втулки щонайменше однієї втулки додаткового поперечного перерізу і - шари ламінату в області втулки спільно прошиті перпендикулярно її твірній. Кріплення лопаті містить кільцеподібну втулку або містить дві втулки у формі півкільця, або містить безліч кільцевих сегментів втулок. У способі виготовлення кріплення лопаті для вітряної установки: прошиті, але ще не просочені, шари волокна накладаються один на один в області не менш однієї втулки перпендикулярно її розширенню; використовується щонайменше одна втулка в прошитих шарах волокна простору, що звільнився, і вливається або впорскується смола в шари волокна для одержання ламінатних шарів. Спосіб виготовлення кріплення лопаті містить напівкільцеву втулку, у якій в одній з половин оболонки є формовані половини лопаті ротора і накладається інша половина оболонки ротора на першу формовану половину лопаті, у тому числі і втулку. У способі виготовлення кріплення лопаті для вітряної установки відповідно до попередніх пунктів прошиваються попередньо просочені, накладені один на один, шари волокна з препрегом в області не менш однієї втулки перпендикулярно її розширенню, та використовується не менш однієї втулки в прошитих шарах волокон простору, що звільнився, і активується препрег для одержання ламінатних шарів. Недоліками прототипу є складність самої втулки, на якій потрібно виконати велику кількість проточок або ребер для підвищення міцності з'єднання з комелем лопаті, та й сам комель потрібно формувати з волокон підвищеної міцності та формувати з особовим взаєморозташуванням волокон, що призводить до підвищеної трудомісткості виготовлення ділянки комеля з елементами для можливості кріплення її до маточини. І все одно така конструкція має низьку міцність та стійкість до циклічних навантажень від взаємодії з потоком при обертанні лопаті й вібрації, що зв'язана зі значними концентраціями напруг на межі з'єднання втулки з оболонкою комеля, через які з'являються тріщини й розшарування на границі з'єднання втулок і матеріалу комеля лопаті, поя 97206 6 ва яких неконтрольована, і може призвести до аварії. До того ж в конструкції, згідно з прототипом, втулка може бути тільки кільцевої форми, так як спроба виконати її та поперечний переріз комеля, наприклад аеродинамічної форми, призведе ще до більшої трудомісткості виготовлення та ще до більшого зниження несучої здатності від навантажень. Загальними суттєвими ознаками винаходу є: лопать, формована з армованої волокном полімерної оболонки, з можливістю кріплення торцевою частиною комеля до елементів маточини ротора, та має не менше однієї закладної деталі з матеріалу підвищеної міцності під кріпильні елементи. Задачею винаходу є спрощення конструкції й технології виготовлення та при цьому підвищення довговічності роботи за рахунок забезпечення плавності зміни жорсткості комеля від торця до робочої частини лопаті, надійного, з підвищеною несучою здатністю, закріплення закладних деталей у комелі й виключення появи тріщин і відшарування оболонки від закладних деталей при циклічних навантаженнях. Суттєвими ознаками винаходу є: лопать, формована з армованої волокном полімерної оболонки, з можливістю кріплення торцевою частиною комеля до елементів маточини ротора, та має не менше однієї закладної деталі з матеріалу підвищеної міцності під кріпильні елементи, причому в пустотілому комелі з боку торця кріплення лопаті до фланця маточини оболонкою комеля з армованого полімерного матеріалу охоплено, за рахунок перегину оболонки, й приєднано не менш однієї закладної деталі із кріпильними отворами, що повторює контур поперечного перерізу торцевої частини комеля, і загнута частина оболонки з'єднана з основною частиною оболонки комеля. Закладна деталь виконана комбінованою, причому основний елемент закладної деталі, що несе навантаження, виготовлений з металу й має кріпильні отвори з гвинтовою різьбою, а додатковий елемент закладної деталі виготовлений з полімерного матеріалу, причому основний елемент закладної деталі розташований в стик з торцевою частиною оболонки комеля з армованого полімерного матеріалу в місці перегину, а додатковий елемент закладної деталі розташований із боку з'єднання загнутої ділянки оболонки комеля з армованого полімерного матеріалу з основною ділянкою оболонки, причому не менш ніж одна з ділянок оболонки зігнута по профілю додаткового елемента закладної деталі із плавним переходом до місця з'єднання ділянок оболонки між собою. Основні елементи закладної деталі виконані не менш ніж із двох сегментів по контуру, а додатковий елемент закладної деталі з полімерного матеріалу не має розривів контуру. Основні елементи закладної деталі виготовлені зі сталі конструкційної або сталі нержавіючої, або титану, або алюмінієвого сплаву, причому основні елементи закладної деталі мають округлені крайки по контуру з боку торця комеля з можливістю сполучення з оболонкою у місці перегину без різких зломів. Комель виконано із сегментів оболонки, з'єднаних по крайках твірної, паралельних радіально 7 спрямованим площинам, що проходять через вісь симетрії комеля, причому місця поділу на сегменти елементів основних і додаткових закладних деталей збігаються із цими крайками. Комель охоплено по всьому контуру ззовні додатковим шаром армованого полімерного матеріалу, або по всьому контуру комеля зсередини на внутрішній поверхні закріплений додатковий шар армованого полімерного матеріалу, або зсередини комеля на внутрішній поверхні вздовж крайок з'єднання сегментів комеля закріплений підсилюючий шар з армованого полімерного матеріалу, шириною не менше 10 товщин оболонки комеля. На торцях з'єднання сегментів основних елементів закладної деталі між собою виконані взаємосполучені уступи й западини. Відмітними суттєвими ознаками, дійсними в усіх випадках, є: в пустотілому комелі з боку торця кріплення лопаті до фланця маточини оболонкою комеля з армованого полімерного матеріалу охоплено, за рахунок перегину оболонки, й приєднано не менш однієї закладної деталі із кріпильними отворами, що повторює контур поперечного перерізу торцевої частини комеля, і загнута частина оболонки з'єднана з основною частиною оболонки комеля. Відмітними суттєвими ознаками, дійсними в окремих випадках, є: закладна деталь, виконана комбінованою, причому основний елемент закладної деталі, що несе навантаження, виготовлений з металу й має кріпильні отвори з гвинтовою різьбою, а додатковий елемент закладної деталі виготовлений з полімерного матеріалу, причому основний елемент закладної деталі розташований в стик з торцевою частиною оболонки комеля з армованого полімерного матеріалу в місці перегину, а додатковий елемент закладної деталі розташований із боку з'єднання загнутої ділянки оболонки комеля з армованого полімерного матеріалу з основною ділянкою оболонки, причому не менш ніж одна з ділянок оболонки зігнута по профілю додаткового елемента закладної деталі із плавним переходом до місця з'єднання ділянок оболонки між собою. Основні елементи закладної деталі виготовлені зі сталі конструкційної або сталі нержавіючої, або титану, або алюмінієвого сплаву, причому основні елементи закладної деталі мають округлені крайки по контуру з боку торця комеля з можливістю сполучення з оболонкою у місці перегину без різких зломів. Комель виконано із сегментів оболонки з'єднаних по крайках твірної, паралельних радіально спрямованим площинам, що проходять через вісь симетрії комеля, причому місця поділу на сегменти елементів основних і додаткових закладних деталей збігаються із цими крайками. Комель охоплено по всьому контуру ззовні додатковим шаром армованого полімерного матеріалу, або по всьому контуру комеля зсередини на внутрішній поверхні закріплений додатковий шар армованого полімерного матеріалу, або зсередини комеля на внутрішній поверхні вздовж крайок з'єднання сегментів комеля закріплений підсилюючий шар з армованого полімерного матеріалу, шириною не менше 10 товщин оболонки комеля. 97206 8 На торцях з'єднання сегментів основних елементів закладної деталі між собою виконані взаємосполучені уступи й западини. Завдяки конструкції, в якій в пустотілому комелі з боку торця кріплення лопаті до фланця маточини оболонкою комеля з армованого полімерного матеріалу охоплено, за рахунок перегину оболонки, й приєднано не менш одної закладної деталі із кріпильними отворами, що повторює контур поперечного перерізу торцевої частини комеля, і загнута частина оболонки з'єднана з основною частиною оболонки комеля за межами закладної деталі, спрощена конструкція й технологія виготовлення, так як елементи закладної деталі мають просту конфігурацію без додаткових ребер, відсутня необхідність і в спеціальному розташуванні волокон, що армують, торцева частина комеля нерозрізна, створена перегином, що виключає місця концентрації напружень від навантаження і підвищує довговічність роботи. Конструкцією забезпечена плавність зміни жорсткості комеля від торця до робочої частини лопаті, надійно з підвищеною несучою здатністю закріплені закладні деталі у комелі й виключена поява тріщин і відшарування оболонки від закладних деталей при циклічних навантаженнях. На фіг.1 зображений головний вид на лопать, в якій полімерна армована оболонка загнута ззовні і охоплює закладну деталь. На фіг.2 вид А на торець комеля. На фіг.3 зображений переріз Б-Б по місцю з'єднання частин оболонки. На фіг.4 зображений головний вид на лопать, в якій полімерна армована оболонка загнута усередину комеля і охоплює основний та додатковий елементи закладної деталі, та показані, для наочності, фланець маточини ротора і кріпильні деталі. На фіг.5 зображений переріз В-В при круглому перерізі комеля. На фіг.6 зображений переріз Г-Г по місцю розташування додаткової закладної деталі. На фіг.7 зображений переріз В-В, на якому показаний торець комеля із перехідним до аеродинамічного перерізом. Лопать 1 формована з армованої волокном полімерної оболонки, наприклад використано поліефірне зв'язуюче або епоксидне зв'язуюче, або вінілефірне зв'язуюче, або інший реактопласт або термопласт конструкційного призначення, які армовані скловолокнами, арамідними або вуглецевими волокнами, або їхніми комбінаціями, тобто пропонована конструкція може використовуватися для виготовлення лопаті з будь-якого армованого полімерного матеріалу, але конкретний матеріал не є суттєвим для винаходу. В пустотілому комелі 2 лопаті 1 (див. фіг.1) з боку торця кріплення загнутою частиною 3 оболонки з армованого полімерного матеріалу охоплені, за рахунок перегину оболонки комеля, ззовні й приєднані зв'язуючим полімерним матеріалом сегменти 4 та 5 закладної деталі із кріпильними отворами 6. Сумісний контур сегментів 4 та 5 закладних деталей співпадає з контуром поперечного перерізу комеля. Поперечний переріз комеля може бути будь-якої заданої форми, як круглої, що 9 показано на фіг.2, фіг.3, фіг.5 та фіг.6, так і овальної, або у формі краплі, або у формі аеродинамічного профілю. Загнута частина 3 оболонки комеля 2 з'єднана з основною оболонкою комеля 2 ззовні, причому сегменти 4 та 5 закладної деталі в перерізі мають клиновидну форму і частина 3 з плавним перегином зближена та склеєна з закладними деталями та з основною оболонкою комеля 2. Для можливості кріплення лопаті в сегментах 4 та 5 закладних деталей виконані отвори 6 з гвинтовою різьбою. З торця комеля 2, з боку перегину оболонки, крайка 7 сегментів 4 та 5 закладної деталі закруглена, а торці з'єднання сегментів 4 та 5 закладної деталі виконані з уступом 8 та западиною 9, що сполучені. Ззовні комель 2 охоплений по всьому контуру додатковим шаром 10 з армованого полімерного матеріалу. Також можливе виконання такої конструкції (див. фіг.4), в межах суттєвих ознак формули, в пустотілому комелі 12 лопаті 13 з армованого полімерного матеріалу з боку торця кріплення лопаті 13 фланця маточини 14. Частиною 15 оболонки комеля 12 з армованого полімерного матеріалу охоплені, за рахунок перегину оболонки, комбіновані закладні деталі в яких: основний елемент 16 кільцевої форми виготовлений з металу, наприклад нержавіючої сталі, що несе та розподіляє навантаження, і виконаний із кріпильними отворами з різьбою 17, та додатковий елемент 18 закладної деталі виготовлений з полімерного матеріалу, що теж повторює круглий контур поперечного перерізу комеля 12. Основний елемент 16 закладної деталі розташований в стик з торцевою частиною 19 оболонки з армованого полімерного матеріалу в місці перегину, а додатковий елемент 18 закладної деталі розташовано з боку з'єднання ділянки загнутої частини 15 оболонки з армованого полімерного матеріалу з основною ділянкою оболонки комеля 12. Частина 15 оболонки зігнута по профілю додаткового елемента 18 закладної деталі із плавним переходом до місця склеювання ділянок оболонки між собою полімерним зв'язуючим. Основний елемент 16 закладної деталі має округлені крайки 20 по контуру з боку торця 19 комеля, що дає можливість сполучення основного елемента 16 закладної деталі з оболонкою у місці перегину без гострих крайок та різких зломів. Представлений на фіг.4 комель 12 виконано із сегментів 21 та 22, з'єднаних по крайках 23 твірної, паралельних радіально спрямованим площинам, що проходять через вісь симетрії комеля 12. Місця поділу на частини сегментів основних 16 і додаткових 18 елементів закладних деталей збігаються 97206 10 із цими крайками 23, а на внутрішній поверхні комеля закріплений додатковий шар 24 армованого полімерного матеріалу. Також комель 12 охоплено ззовні по всьому контуру додатковим шаром 25 армованого полімерного матеріалу. На крайках з'єднання сегментів 26 та 27 основних елементів закладної деталі 16 між собою виконані взаємосполучені уступи 28 та западини 29. До фланця маточини 14 лопать 13 під'єднана шпильками 30, загвинченими у отвори 17 з гвинтовою різьбою, і гайками 31. Для регулювання між комелем та фланцем встановлена прокладка 32. На фіг.7 зображений комель 12 з перехідним до аеродинамічного перерізом, який може використовуватись для відносно коротких лопатей, наприклад вентиляторів градирень, або якщо робочим середовищем є рідина. А зсередини комеля на внутрішній поверхні вздовж крайок 23 з'єднання сегментів комеля 13 закріплений підсилюючий шар 33 та 34 з армованого полімерного матеріалу. При виготовленні комеля (див. фіг.4) формуються з просоченого полімерним зв'язуючим волокнистого матеріалу половинки 21 та 22 з напуском за границю торця комеля 12 лопаті. При виготовленні у дві половинки комеля 12 встановлюються половинки (сегменти 26 та 27) елементів 16 та половинки елементів 18 закладних деталей. Загортаються всередину частини 15 оболонки, які охоплюють та приклеюють сегменти половинки елементів 16 та 18 закладних деталей. Після твердіння зв'язуючого половинки комеля підрівнюються та з'єднуються кромками 23 за допомогою полімерного зв'язуючого та додаткових шарів 24 та 25 з армованого полімерного матеріалу. Після затвердіння виконується свердління та нарізання отворів 17 з торця комеля у сегментах 26 та 27 основного елемента 16 під шпильки або гвинти. Для закріплення лопаті 13 на фланці маточини 14 в отвори 17 з гвинтовою різьбою (див. фіг.4) загвинчуються шпильки 30, які заводяться при монтажі в отвори фланця маточини 14 і закріплюються гайками 31. Торцева частина оболонки 19 при закріпленні затискається між фланцем маточини 14 і закладними деталями. Це принципова відмінність в способі передачі навантаження на оболонку лопаті. При роботі в конструкції лопаті відсутні концентратори напруг, - складена в подвійні шари зігнута без розривів та потім з'єднана в одне ціле оболонка міцно тримає охоплені закладні деталі. 11 97206 12 13 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 97206 14 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601