EA013480B1

EA013480B1 - Ветряная турбина

Info

Publication number: EA013480B1
Application number: EA200801006A
Authority: EA
Inventors: Артур Бенджамин О`Коннор; Клайв Филлеул Грэйнджер
Original assignee: Артур Бенджамин О`Коннор
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2010-04-30
Also published as: US20080219850A1; CN101283182A; CN101283182B; WO2007038836A1; EP1931876A1; TW200726908A; EA200801006A1; CA2624646A1; MY165777A; NZ567673A; HK1123839A1; EP1931876A4

Abstract

Способ конструирования ротора для горизонтально-осевой ветряной турбины. Способ сочетает анализ приводного диска со способом проектирования решетки вентилятора с целью определения характеристик лопасти, включая форму и размеры лопастей, так чтобы из воздуха отбиралось максимальное количество энергии при самой низкой частоте вращения. Описан также способ изготовления ветряной турбины и турбина, сконструированная согласно этому способу.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к ветряным турбинам. В частности, изобретение касается небольших, обладающих низкой частотой вращения ветряных турбин с горизонтальной осью.

Предпосылки созданию изобретения

При растущей озабоченности глобальным потеплением возрастает интерес к генерированию электроэнергии путем использования для этого силы ветра. Ветряные турбины, разработанные в последние десятилетия для этой цели, в отличие от разработанных для нужд сельского хозяйства, обычно являются очень большими, сложными и дорогостоящими при производстве. Современные ветряные турбины с горизонтальной осью и высокой частотой вращения, которые применяются при крупномасштабной выработке электроэнергии, обычно включают в себя две или три лопасти типа воздушного винта при диаметре ротора 100 м или больше. Относительная скорость лопастей у таких турбин обычно находится в области 7,0.

В отличие от этого были разработаны также небольшие турбины с низкой частотой вращения, которые обычно включают в себя большее число лопастей меньшего размера. Один пример такой турбины был описан Кобденом в патенте США № 4415306 и в австралийском патенте № 563265 (далее упоминается как турбина Кобдена). Турбина Кобдена была гораздо менее сложной и гораздо менее дорогостоящей в изготовлении, чем типичная турбина для выработки электроэнергии с высокой частотой вращения, но была при этом гораздо менее эффективной.

Теоретически максимальная выходная мощность ветровой турбины определяется формулой Ро^ег_МАХ =-С_ррАУ_А (а) где коэффициент полезного действия равен

или приблизительно 0,59.

Работа с высокой частотой вращения желательна для получения максимальной мощности, т.е. при коэффициенте полезного действия, близком к теоретическому максимуму. Однако при высокой скорости ветра необходимо применение сложных механизмов, ограничивающих частоту вращения для того, чтобы предотвратить саморазрушение турбины. Такие механизмы могут поворачивать или убирать все или часть лопастей с тем, чтобы уменьшить отбор энергии у ветра.

С другой стороны, турбина Кобдена вращается очень медленно, с относительной скоростью лопастей, составляющей всего около 0,6. Она работает очень тихо и имеет простую конструкцию с фиксированными лопастями. Она не нуждается в сложных механизмах управления, предназначенных для предотвращения слишком большой частоты вращения, однако ее рабочие характеристики ограничены.

Следовательно, целью настоящего изобретения является предложение небольшой ветровой турбины с низкой частотой вращения, которая является эффективной, недорогой и прочной.

В этом контексте термин «небольшая» должен пониматься как означающий ротор турбины диаметром меньше, чем 10 м. Термин «низкая частота вращения» означает частоту вращения ротора меньше, чем приблизительно 400 об/мин, а термин «эффективная» означает, что выходная мощность турбины должна приближаться к теоретическому максимуму.

Существует несколько известных способов проектирования ветровых турбин. Два из этих способов, вкратце описанные здесь, подробно рассмотрены Вилсоном (1995).

1. Теория приводного диска. Самой простой моделью горизонтально-осной ветряной турбины (ΗΛ\νΤ) является такая, в которой ротор турбины заменен приводным диском, который отбирает энергию у ветра. Когда ветер ударяет в диск с наветренной стороны, давление здесь повышается, и ветер отклоняется от диска, вызывая образование большой вихревой зоны за диском. Теория приводного диска относит перепад давления на диске к изменению размеров вихревой зоны и энергии, которая может быть отобрана у ветра. Ранкин (1865), Р.Фрауди (1889) и В.Фрауди (1878) были одними из первых разработчиков теории приводного диска, в особенности в отношении корабельных движителей. Их теория не включала эффекта вращения вихревой зоны, который был добавлен позже Юковским (1918). Затем Глауэрт (1935) разработал простой способ анализа приводного диска для оптимального ротора ΗΑνΤ. Теория приводного диска предлагает приведенную выше формулу (а) для определения максимальной мощности турбины, однако теория приводного диска не позволяет определить геометрическую форму ротора без дополнительной теории проектирования. Вилсон (1995) указывает способ осуществления этого с использованием лопастной теории, и этот способ в определенной степени сходен с тем, который используется в настоящем изобретении.

2. Теория плоских сечений или модифицированная лопастная теория. Как указывает Вилсон, «Лопастная теория была предложена Фрауди (1878), и позже усовершенствована Држевски (1892). Концепция лопастной теории является противоположной концепции теории количества движения, поскольку она касается сил, создаваемых лопастями в результате движения текучей среды. Современная роторная теория разработана на основе концепции свободных вихрей, отделяющихся от вращающихся лопастей. Эти вихри ограничивают воздушный поток за лопастями и генерируют индуцированные скорости. Обнаружено, что эта теория плоских сечений подходит и достаточная для анализа рабочих характеристик вет

- 1 013480 ряной машины».

Сущность изобретения

Один аспект настоящего изобретения предлагает способ проектирования горизонтально-осевой ветряной турбины. Этот способ комбинирует анализ приводного диска со способом проектирования решетки вентилятора с целью определения характеристик лопасти, включая форму и размеры лопастей, так чтобы из воздуха отбиралось максимальное количество энергии при самой низкой частоте вращения.

Другой аспект изобретения предлагает ротор для горизонтально-осевой ветряной турбины. Ротор имеет втулку и множество вытянутых лопастей, радиально отходящих от втулки. Форма лопастей подобрана таким образом, что в процессе работы в любом выбранном радиальном положении по длине лопастей отношение скорости С_и воздушного вихря, покидающего лопасти в направлении вращения лопасти, разделенное на аксиальную скорость ветра перед ротором ν_Α, определяется формулой

Су _ _Д_ где λ является местным отношением скоростей в выбранном радиальном положении и определяется формулой

где и является окружной скоростью в выбранном радиальном положении.

В предпочтительном варианте реализации хорда лопасти с в выбранном радиальном положении определяется формулой где 8 является промежутком между лопастями, который определяется формулой

2ЯТ =---Ζ где г является радиусом в выбранном радиальном положении и Ζ - количеством лопастей и где 8 является отношением площади поверхности лопастей к фронтальной площади ветряной турбины и определяется формулой _ 2соз(/?„)(СЖ) (Х)(с_£-с₀шСО где в_т является средним углом воздушного потока относительно лопастей и определяется формулой

МД™) = °’⁵ (МД)+ 1ап(Д)) где β₁ является углом между восходящим относительно лопастей воздушным потоком и осью вращения турбины и определяется формулой

и β₂ является углом между нисходящим относительно лопастей воздушным потоком и осью вращения турбины и определяется формулой и где Сь является коэффициентом подъемной силы и определяется формулой

С_£ = с_и + у х (с_Л, — с_и) а Св является коэффициентом лобового сопротивления и определяется формулой

где С и, - выбранный коэффициент подъема лопасти на втулке;

Сц - выбранный коэффициент подъема лопасти на концах лопасти;

С|лг выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулке;

Си, - выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на концах лопасти;

ί - доля радиуса в выбранном радиальном положении, равная 0 на втулке и 1 на конце лопасти.

Каждая лопасть предпочтительно имеет выгнутую аэродинамическую поверхность, и угол прогиба θ аэродинамической поверхности в выбранном радиальном положении определяется формулой:

(С^-Дх.-С,)

В.

где Α₁, В₁ и С₁ являются постоянными, имеющими следующие значения:

А₁=0,0089 град^-1,

В1=0,0191 град^-1,

С1=0,0562 град^-1, и 1 является углом падения воздуха на лопасти и определяется формулой

К + /х(1, — ί_Α) где ц является выбранным углом падения на втулке лопасти;

- 2 013480

1_Ь является выбранным углом падения на конце лопасти.

Преимущество использования простых выгнутых аэродинамических поверхностей заключается в дешевизне их изготовления, что позволяет изготавливать недорогие турбины с простой и прочной конструкцией. Предпочтительно угол прогиба θ аэродинамической поверхности варьируется от 10-15° на конце лопастей до 25-30° на втулке.

Угол наклона ξ, хорды лопасти к оси вращения турбины в выбранном радиальном положении предпочтительно определяется формулой:

Предпочтительно этот угол наклона ξ; варьируется от приблизительно 60° на втулке до приблизительно 80° на конце лопастей.

В предпочтительном варианте реализации втулка имеет относительно большой диаметр. Предпочтительно втулка имеет диаметр, составляющий от 40 до 50% от диаметра ротора, измеренного до конца лопастей, и является сплошной, чтобы предотвратить прохождение воздуха сквозь втулку. При этом втулка служит для того, чтобы направить больше воздуха через лопасти, отбирая, таким образом, больше энергии от ветра. Предпочтительно диаметр втулки составляет около 45% от диаметра ротора.

Другой аспект изобретения предлагает способ определения характеристик лопастей горизонтальноосевой ветряной турбины, причем турбина имеет ротор со втулкой и множество протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки. Способ включает в себя следующие этапы, на которых

a) выбирают значение для по меньшей мере одного из параметров конструкции:

количество лопастей Ζ диаметр втулки Ом диаметр конца лопасти относительная скорость лопастей скорость ветра выше по струе

b) выбирают радиальное положение по длине лопастей;

c) вычисляют локальную относительную скорость лопастей А в выбранном радиальном положении на основании выбранного значения (значений) параметра (параметров) конструкции;

4) вычисляют отношение скорости С_и воздушного вихря, покидающего лопасти в направлении вращения лопасти, разделенного на аксиальную скорость ветра перед ротором ν_Α, с использованием формулы:

Су_ ₌^_

е) вычисляют хорду лопасти с, угол прогиба θ и угол наклона ξ хорды лопасти к оси вращения турбины в выбранном радиальном положении, как функции отношения Си/ν^ и

1) выбирают по меньшей мере одно альтернативное радиальное положение и повторяют этапы от (с) до (е) для расчета хорды лопасти с, угла прогиба θ и угла наклона ξ в альтернативном радиальном положении для определения характеристик лопасти по длине лопастей.

Предпочтительно способ включает в себя дополнительный этап, на котором выбирают альтернативное значение для по меньшей мере одного параметра конструкции и повторяют этапы от (Ь) до (1) так, чтобы оптимизировать характеристики лопасти с целью максимизации отбора энергии из воздуха при самой низкой частоте вращения ротора.

Кроме того, более конкретно аспект изобретения предлагает способ определения характеристик лопасти горизонтально-осевой ветряной турбины, причем турбина имеет ротор со втулкой и множество протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки. Способ включает в себя следующие этапы, на которых:

а) выбирают значение для по меньшей мере одного из параметров конструкции:

количество лопастей Σ диаметр втулки Бь диаметр конца лопасти относительная скорость лопастей скорость ветра на удалении от ротора ν_Α выбранный коэффициент подъема лопасти на втулке С_ъъ выбранный коэффициент подъема лопасти на концах лопасти Сц выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулке Срь выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на концах лопасти Ср_с выбранный угол падения на втулке лопасти выбранный угол падения на конце лопасти

- 3 013480

b) вычисляют частоту вращения лопасти N на основании λ, Уд и

c) вычисляют долю радиуса, ί, представляющую выбранное радиальное положение по длине лопастей, где ί равняется 0 на втулке и 1 - на конце лопасти;

6) вычисляют радиус, г, в выбранном радиальном положении как функцию ί, и Ό,;

е) вычисляют промежуток между лопастями, 5. на основании Ζ;

ί) вычисляют скорость лопасти, и, в выбранном радиальном положении на основании Ν;

д) вычисляют локальную относительную скорость лопастей, λ, на основании и и У_А;

11) вычисляют безразмерное отношение скорости воздушного вихря, С_и/У_А, покидающего ротор в направлении вращения лопасти с использованием формулы:

1) вычисляют угол между восходящим воздушным потоком относительно лопасти и осью вращения турбины β₁;

_)) вычисляют угол между нисходящим воздушным потоком относительно лопасти и осью вращения турбины β₂;

k) вычисляют средний угол воздушного потока относительно лопасти β,,, как функции β₁ и β₂;

l) вычисляют коэффициент подъема лопасти С|. как функции ί С₂₁ и С_ы;

т) вычисляют коэффициент лобового сопротивления лопасти Ср как функции ί, и Ср₁;

п) вычисляют требующееся отношение площади поверхности лопастей к фронтальной площади ветряной турбины 8, как функции β_№ Си/У_А, С_ъ и С_с;

о) вычисляют требующуюся хорду лопасти с на основании 8 и 5;

р) вычисляют угол падения воздуха ί на лопасти на основании ί, 1_Ь и 1_±;

с.|) вычисляют угол прогиба θ, на основании С|,;

г) вычисляют угол наклона ξ хорды лопасти к оси турбины на основании β₁ и ί;

5) вычисляют по меньшей мере одно радиальное положение и повторяют этапы от (с) до (г) для расчета хорды лопасти с, угла прогиба θ и угла наклона ξ в альтернативном радиальном положении для определения характеристик лопасти по длине лопастей.

И вновь этот способ предпочтительно включает дополнительный этап, на котором выбирают альтернативное значение для по меньшей мере одного параметра конструкции и повторяют этапы от (Ь) до (5) так, чтобы оптимизировать характеристики лопасти с целью максимизации отбора энергии из воздуха при самой низкой частоте вращения ротора.

Кроме того, и еще более конкретно аспект изобретения предлагает способ определения характеристик лопасти горизонтально-осевой ветряной турбины, причем турбина имеет ротор со втулкой и множество протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки, причем каждая лопасть имеет выгнутую аэродинамическую поверхность, имеющую поперечное сечение в форме дуги окружности. Способ включает в себя следующие этапы, на которых:

количество лопастей Ζ диаметр втулки

Он диаметр конца лопасти относительная скорость лопастей скорость ветра на удалении от ротора выбранный коэффициент подъема лопасти на втулке

Сьь выбранный коэффициент подъема лопасти на концах лопасти

Си выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулке

Спь выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на концах лопасти выбранный угол падения на втулке лопасти выбранный угол падения на конце лопасти

b) вычисляют частоту вращения лопасти N с использованием формулы:

Я Я,

c) вычисляют долю радиуса ί, представляющую выбранное радиальное положение по длине лопастей, где ί равняется 0 на втулке и 1 - на конце лопасти;

- 4 013480

ά) вычисляют радиус г в выбранном радиальном положении с использованием формулы:

где Кд - радиус ротора на втулке;

К, - радиус ротора на конце лопасти,

е) вычисляют промежуток между лопастями 8 с использованием формулы _ 2ягг ₅_™.

1) вычисляют скорость лопасти и в выбранном радиальном положении с использованием формулы

д) вычисляют локальную относительную скорость лопастей λ с использованием формулы

Ул

11) вычисляют безразмерное отношение скорости воздушного вихря, С_и/У_Л. покидающего ротор в направлении вращения лопасти с использованием формулы

О и _ 4

ί) вычисляют угол между восходящим воздушным потоком относительно лопасти и осью вращения турбины β₁ по формуле

_]) вычисляют угол между нисходящим воздушным потоком относительно лопасти и осью вращения турбины β₂ по формуле

k) вычисляют средний угол воздушного потока относительно лопасти β,,, по формуле:

1ап(Д,) = 0,5 (кш(Д) + 1ап(Д ))

l) вычисляют коэффициент подъема лопасти С|, с использованием формулы:

с_Л=с_п;,+/х(с_£,-с_£„)

т) вычисляют коэффициент лобового сопротивления лопасти Св с использованием формулы: Сд ~ б'ол + ~ )

п) вычисляют требующееся отношение площади поверхности лопастей к фронтальной площади ветряной турбины 8 по формуле:

(х)(с_£ -СдМА,))

о) вычисляют требующуюся хорду лопасти, с, по формуле:

с = 5X15

р) вычисляют угол падения воздуха ί на лопасти по формуле:

с.|) вычисляют угол прогиба θ лопастей в форме дуги окружности с использованием формулы: ~4| Χΐ'~С,) где А₁, В1 и С1 являются постоянными, имеющими следующие значения: Άι=0,0089 град^-1,

В1=0,0191 град^-1,

С1=0,0562 град^-1,

г) вычисляют угол наклона ξ хорды лопасти к оси турбины с использованием формулы:

8) выбирают по меньшей мере одно радиальное положение и повторяют этапы от (с) до (г) для расчета хорды лопасти с, угла прогиба θ и угла наклона ξ в альтернативном радиальном положении для определения характеристик лопасти по длине лопастей.

И вновь этот способ предпочтительно включает в себя дополнительный этап, на котором выбирают альтернативное значение для по меньшей мере одного параметра конструкции и повторяют этап от (Ь) до (8) так, чтобы оптимизировать характеристики лопасти с целью максимизации отбора энергии из воздуха при самой низкой частоте вращения ротора.

Еще один аспект изобретения относится к способу изготовления ротора для горизонтально-осевой ветряной турбины, причем ротор имеет втулку и множество протяженных лопастей, радиально отходя

- 5 013480 щих от втулки. Способ включает в себя следующие этапы, на которых: определяют характеристику лопасти согласно одному из способов, описанных выше; и изготавливают ротор, включающий в себя лопасти с установленными характеристиками. Еще один аспект изобретения предлагает ротор для горизонтально-осевой ветряной турбины. Ротор включает в себя лопасти, имеющие характеристики, определенные согласно одному из описанных выше способов.

И еще один аспект изобретения предлагает горизонтально-осевую ветряную турбину, включающую в себя ротор со втулкой и множеством протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки. Лопасти имеют характеристики, определенные согласно одному из описанных выше способов.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный вариант реализации изобретения будет теперь описан со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует помнить, что этот вариант реализации приведен только в виде иллюстрации, и изобретение не ограничивается этой иллюстрацией. На чертежах на фиг. 1 показан перспективный вид ветряной турбины согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения;

на фиг. 2 изображено представление векторов скорости в касательной плоскости для ротора, показанного на фиг. 1;

на фиг. 3 показан образец расчетов конструкции ветряной турбины согласно предпочтительному варианту реализации способа, являющегося предметом настоящего изобретения; и на фиг. 4 показаны измеренные рабочие характеристики модели турбины, полученные согласно предпочтительному варианту реализации изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации

Что касается ссылки на чертежи, то на фиг. 1 показан ротор горизонтально-осевой ветряной турбины, сконструированной согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения. Ротор 10 включает в себя втулку 12 и множество лопастей 14, отходящих радиально от втулки 12. Лопастям 12 придана такая форма, что в процессе работы при любом выбранном радиальном положении по длине лопастей отношение скорости С_и воздушного вихря, покидающего лопасти в направлении вращения лопасти, разделенное на аксиальную скорость ветра перед ротором ν_Α, определяется формулой:

где λ является местным отношением скоростей в выбранном радиальном положении и определяется формулой:

ν_Λ где и является окружной скоростью в выбранном радиальном положении.

Ниже приведено подробное описание процесса определения формы лопастей для удовлетворения этого требования. Эта предпочтительная форма процесса, который приведен только в форме иллюстрации, специально направлена на конструирование небольшой, обладающей низкой частотой вращения, эффективной ветряной турбины. Варианты этого процесса станут очевидными для специалиста в области конструирования ветряных турбин.

Процесс конструирования является повторяющимся процессом. Авторы изобретения обнаружили, что для облегчения процесса удобно закодировать расчетные формулы (как объясняется ниже) в электронной таблице Ехсе1™ таким образом, чтобы получить возможность автоматического расчета всей конструкции лопастей ротора.

На фиг. 2 изображено представление векторов скоростей на касательной плоскости для ротора горизонтально-осевой ветряной турбины. Форма каждой лопасти определяется ее углом прогиба ξ, хордой лопасти с и углом наклона хорды лопасти θ для каждого положения, или высоты, по длине лопасти.

Производится выбор определенного количества параметров конструкции типа перечисленных ниже. После этого электронная таблица автоматически производит расчет всей конструкции лопастей ротора, проверяя, соответствуют ли они требованиям. Эти требования включают приемлемые угол наклона хорды лопасти к оси вращения, хорду лопасти и прогиб лопасти в каждом положении лопасти от втулки до конца. Параметры конструкции модифицируются вплоть до момента, когда требования не окажутся удовлетворены. Определенный авторами изобретения приемлемый угол наклона составляет от приблизительно 60° на втулке до при приблизительно 80° на конце. Допустимая хорда лопасти определяется теми соображениями, что лопасти могут оказаться слишком малы для того, чтобы обладать жесткостью, или быть настолько велики и тяжелы, что большими будут затраты, а центробежные силы, которые генерируются вращающимися лопастями, будут слишком велики. Допустимый прогиб лопасти находится в области 10-15° на конце и составляет до 25-30° на втулке.

- 6 013480

Параметр конструкции

Параметры конструкции

Символ количество лопастей диаметр втулки диаметр конца лопасти относительная скорость лопастей скорость ветра на удалении от ротора выбранный коэффициент подъема лопасти на

λ.

ν_Ά втулке

С_ьь выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулке выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на концах лопасти бос выбранный угол падения на втулке лопасти выбранный угол падения на (2) конце лопасти

Постоянные конструкции

Для простых выгнутых аэродинамических поверхностей: Άι=0,0089 град¹, Βι=0,0191 град¹, С1=0,0562 град¹ в формуле

Сщ=А1Х ί + ΒιΧ Θ + С-ι (1)

Формулы и процесс проектирования

1. Сначала производится расчет частоты вращения лопасти N по формуле πΰ,

2. Производится выбор доли, расчет доли радиуса £ в диапазоне от 0 (на втулке) до 1 (на конце лопасти) . Радиус определяется формулой г = ¾+/х(Д-Д,) (3)

3. Затем рассчитывают промежуток между лопастями 8 с использованием формулы ί = — (4)

4. Расчет скорости лопасти, и, в выбранном радиальном положении производят с использованием формулы:

(5)

5. Локальная относительная скорость лопастей Ά определяется формулой

Л = — (6) ^г л

6. Безразмерная скорость вихря С 7У_Л покидающего ротор, определяется формулой — = — (7) ν_Λ 9Л

7. Угол между восходящим воздушным потоком, текущим относительно лопасти и осью вращения турбины βι определяется формулой

8. Угол между нисходящим воздушным потоком, текущим относительно лопасти и осью вращения турбины β₂ определяется формулой (9) ,„_(й)_5Й±|Л)

9. Средний угол воздушного потока относительно лопасти β,,, определяется формулой £ап(Д„)=0.5(1ап(/?|)+*ап(^_г))(10)

10. Выбранный коэффициент подъема лопасти С|. определяется формулой

С_д=С_£4+/х(С_£,-С_ЛА)(11)

11. Выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти Св определяется формулой ~ ^βΐι £ ^— Сдл )(12)

- 7 013480

12. Расчет требующегося отношения площади поверхности лопастей к фронтальной площади ветряной турбины 8 выполняют затем по формуле

13. Расчет требующейся хорды лопасти с выполняют затем по формуле с = з*5(14)

14. Угол падения воздуха ί на лопасти определяется формулой:

ί = ί„+/Х(15)

15. Угол прогиба θ лопастей в форме дуги окружности определяется формулой

16. Угол наклона ξ хорды лопасти к оси турбины определяется формулой £ = Д+1(17)

17. Скорость воздуха относительно лопастей определяется формулой

18. Число Рейнольдса лопасти Ке определяется формулой

(20)

19. Радиус кривизны лопасти г_Ьс определяется формулой . _ 0,5хс ^Ьс 8щ(О,5х0)

На фиг. 3 показана электронная таблица, демонстрирующая пример параметров конструкции и типичные расчеты, применяемые в предпочтительной форме процесса конструирования.

Признаком предшествующего описания, выражающим сущность изобретения, является следующий конструкторский анализ.

Исходя из теории приводного диска (анализ импульса в осевом направлении) в точке максимальной эффективности турбины (21) и, следовательно, падение статического давления на диске составляет = (22)

При этом общий перепад давления на диске ДР определяется формулой

ΔΡ = р,+0,5рс² -рг-0,5рс²г так что при подстановке падения статического давления Др и абсолютных скоростей С1 и С₂, получается или

ДР = Др—0,5 р Су (23)

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что можно принять, что скорость вихря Си, покидающего диск, мала по сравнению с ν_Α, т.е.

что позволяет преобразовать формулу (23) в формулу общей высоты напора на диске, ДН, имеющую следующий вид:

так что

Д^Р£ДЯ = Др = %р^²

В заключение, использовав стандартное уравнение Эйлера для турбин, ₈Ш=С_ци (25) а подстановка ДН из формулы (24) и преобразование ведут к формуле (7), а именно:

(26)

Это ведет затем к формуле (13) через стандартную формулу показателей работы каскада турбин С_Л ¹³ 2/^-соз(Д,)+ С_в 1ап(Д„) (27) * АО

Цель заключается в отборе у ветра максимального количества энергии. Эта энергия содержит ком- 8 013480 понент статического давления и компонент скорости. Компонент скорости воздушного потока, покидающего диск, содержит аксиальный компонент Удо в направлении оси ротора, и вихревой компонент С|, в направлении движения лопастей.

Как показано выше, из теории приводного диска было выяснено, что для достижения максимальной эффективности турбины требуется, чтобы аксиальная скорость ветра на диске ротора, У_АП, падала до двух третьих от аксиальной скорости У_А перед диском. Это соответствует формуле 21. Теория приводного диска указывает также, что точка максимальной эффективности турбины находится там, где перепад давления АР на диске определяется отношением в формуле 22.

Вихревой компонент С· возникает из-за изменения направления воздуха при его прохождении сквозь диск ротора. Когда воздух ударяется о лопасть, лопасть отбрасывается в одном направлении, а воздух отбрасывается в противоположном направлении. Соответственно после прохождения воздуха через диск происходит его завихрение в направлении, противоположном направлению вращения лопасти. Энергия этого вихревого потока теряется. Поэтому желательно поддерживать вихревой компонент скорости Си на минимальном уровне для того, чтобы отбирать от ветра максимальное количество скоростной энергии.

Авторы настоящего изобретения выяснили, что хотя и важно, чтобы вихревой компонент С_и был как можно более мал, для него более важно быть небольшим по сравнению с аксиальной скоростью ветра У_Ав И У_А, поскольку скорость ветра варьируется. Это отношение является безразмерным в отношении меняющейся аксиальной скорости ветра. Кроме того, если Си меньше У_А, то С_и ² гораздо меньше У_А ². Это означает, что второй член в формуле 23 становится незначительным относительно первого члена в этой формуле, и им можно поэтому пренебречь.

Фактически авторы изобретения выяснили, что в целях расчета характеристик лопасти, если вам нужно, чтобы вихревая скорость Си была мала по сравнению с аксиальной скоростью У_А, вы можете принять ее небольшой. Это упрощает последующие формулы, предназначенные для расчета формы и размеров лопастей. При таком допущении турбина, произведенная в соответствии с являющимся предметом изобретения процессом конструирования, отличается лопастями, форма которых соответствует отношению, показанному в формуле 26 (которая является также формулой 7).

Существуют два противоположных требования и соответственно требуется их согласование. С одной стороны, вихревая скорость С· должна быть как можно меньше по сравнению с аксиальной скоростью У_А (и Удв) для того, чтобы отбирать от скоростного компонента максимальное количество энергии. Это требует как можно более высокой скорости лопасти, поскольку чем быстрее движутся лопасти, тем меньше поворачивает воздух при прохождении через диск ротора и меньше энергии теряется с вихрем. Это означает, что работа с высокой частотой оборотов является более эффективной, чем работа с низкой частотой оборотов. С другой стороны, скорость лопасти должна быть как можно более низкой, так что ротор может быть сделан как можно более простым, с недорогими фиксированными лопастями, не разлетающимися при сильном ветре.

Строка 21 на электронной таблице с фиг. 3 содержит потерю Си, разделенную на высоту напора АН. Эта потеря является наименьшей на конце (3,6%) и наибольшей на втулке (19,4%). Эта фигура отслеживается авторами изобретения в процессе регулирования вводимых параметров конструкции (строки 3-14 электронной таблицы). Эти параметры конструкции модифицируются до тех пор, пока характеристики лопасти, включая хорду лопасти, угол прогиба и угол наклона хорды, не придут в соответствие с требованиями.

Можно таким образом видеть, что процесс конструирования использует теорию приводного диска для определения условий, при которых от ветра может быть отобрана максимальная энергия. Процесс конструирования в целом может быть затем использован для того, чтобы определить самую низкую эффективную скорость работы, так чтобы свести к минимуму механические усилия, воздействующие на лопасти, и устраняя, таким образом, необходимость использования устройств для свертывания турбины при большой силе ветра.

На фиг. 4 показаны измеренные рабочие характеристики модели турбины диаметром 300 мм, сконструированной в соответствии с настоящим изобретением, в сравнении с существующей турбиной Кобдена. Можно видеть, что коэффициент полезного действии (Ср) настоящей конструкции имеет максимальное значение около 0,44, что значительно лучше, чем у турбины Кобдена, где оно составляет около 0,14. Можно также видеть, что настоящая конструкция работает быстрее, чем конструкция Кобдена, при относительной скорости лопастей около 2,0 и 0,6 соответственно. Однако она вращается гораздо медленнее, чем обычные крупные, обладающие высокой частотой вращения ветряные турбины, применяемые для выработки энергии, которые работают с относительной скоростью лопастей около 7,0.

В сравнении со скоростными ветровыми турбинами можно видеть, что турбина, произведенная согласно настоящему изобретению, обладает более широкими лопастями при большем их количестве. Например, авторы изобретения выяснили, что наличие шести лопастей лучше, чем трех. Эти лопасти могут быть изготовлены из листового металла, изогнутого и скрученного для получения необходимой формы, как устанавливается расчетными значениями хорды лопасти, угла прогиба и угла наклона хорды.

- 9 013480

Изготовление

Турбина, сконструированная в соответствии с описанным выше процессом, может быть изготовлена с использованием обычной технологии производства. Например, выгнутые лопасти с аэродинамической поверхностью могут быть изготовлены с использованием оцинкованного листа, который был подвергнут профилированию и сгибанию для получения требуемой формы. Аналогичным образом и другие части ротора турбины могут быть изготовлены с использованием обычной технологии. Подходящие технологические процессы должны быть очевидными для специалистов в области машиностроения и поэтому не нуждаются в детальном описании.

Преимущества

Преимущества предпочтительно формы процесса конструирования и турбины, изготовленной в соответствии с этим процессом, заключаются в следующем.

Сплошная втулка захватывает воздух, который теряется в области втулки в других турбинах, и энергия воздуха извлекается турбиной.

Связанная с теорией приводного диска составляющая расчетных формул позволяет конструировать лопасти таким образом, чтобы извлекать из воздуха максимальное количество энергии.

Сочетание теории приводного диска и теории каскада, применяемое при конструировании лопасти, позволяет создать турбину, эффективно работающую при относительно низкой скорости. Это означает, что турбина может выдерживать высокие скорости ветра, не вращаясь настолько быстро, что центробежные силы лопастей разрушают турбину. Это, в свою очередь, означает, что механическая конструкция может быть выполнена более простой, что позволяет избежать сложности автоматического «свертывания» или аэродинамических тормозов на концах лопастей.

Альтернативы

В то время как здесь описаны предпочтительная форма процесса конструирования и турбина, изготовленная согласно этому процессу конструирования, специалистам в области конструирования ветровых турбин должно быть ясно, что в конструирование могут быть внесены различные изменения и модификации без отступления от фундаментальных принципов изобретения. Например, вместо простой аэродинамической поверхности, полученной путем сгибания плоского листа с приданием ему дугообразной формы, возможно использование полностью профилированных лопастей с аэродинамическим сечением. Это должно изменить форму формулы (1), а также формулы (6), но должно все еще воплощать сущность процесса конструирования согласно изобретению.

Номенклатура

Символ Описание Единицы измерения

А Площадь турбины, перпендикулярная к воздушному потоку = пк\ м²

Αχ постоянная формулы прогиба криволинейной аэродинамической поверхности град^-1

Βχ постоянная формулы прогиба криволинейной аэродинамической поверхности град’¹ с Хордам

С1 Общая скорость перед диском турбины м.сек¹ с₂ Общая скорость после диска турбины м.сек'¹

С1 Постоянная формулы прогиба криволинейной аэродинамической поверхностиС_о Локальный коэффициент лобового сопротивленияСць Коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулкеС_Ос Коэффициент лобового сопротивления лопасти на концахС_ь Локальный коэффициент подъема -

Сщ	Коэффициент подъема	лопасти на втулке -
С^	Коэффициент подъема	лопасти на концах
	лопасти	-
Сц	Скорость воздушного	вихря в направлении
	скорости лопасти □	м. сек'

Оц Диаметр ротора на втулке лопастей м

Э_с Диаметр ротора на конце лопастей м £ ДоляГц Доля фронтальной площади турбины, закрытая- 10 013480

втулкой воздуха на лопасти угол падения

Угол падения на втулке

Угол падения на конце

Частота вращения лопасти диском турбины диска турбины

Ь’адиус

Радиус кривизны лопасти

Доля радиуса от втулки (0;

до конца (1 лопасти

Радиус ротора на конце лопастей

Радиус ротора на

Промежутки между лопастями

Отношение площади поверхности лопастей к ветряной турбины фронтальной площади

Скорость лопасти

Аксиальная скорость ветра перед диском

Аксиальная скорость ветра на диске ротора

Скорсть воздуха относительно лопастей

Потеря напоря вихря/ Общая высота напора

Скорость вихря/Удс

Угол прогиба лопастей в форме дуги окружности

Локальная относительная скорость лопастей

Относительная скорость лопастей

Угол между восходящим воздушным потоком и

Угол осью ротора

Средним угол воздушного потока

Плотность воздуха — 1.21

Общая высота напора на диске турбины ьазность статического давления на диске

Общим перепад давления на диске турбины

Угол наклона хорды лопасти к оси вращения турбины

- 11 013480

Список литературы

Ргоибе, К., Е., [1889] Тгапзасйопз, 1п5111и(е о£ Νονο1 ЛгсННесК νοί 30: р. 390.

Ргоибе, У., [1878] Оп (Не Е1етеп(огу Ке1айоп Ье(\\'ееп РНсН, 8Нр апб РгориШуе Е£йаепсу, ТгапзосНоп5. 1п511(и(е о£ Νονο1 ЛгсННесК ^1 19: рр. 47-57.

С1аиеП Н., [1935] Легобупатк ТНеогу, У.Р.Пигапб, еб., ВегНп: 1и1ш8 Зрппдег.

кико^И, Ν. Е., [1918] Тгауопх би Вигеаи без Со1си1з е( Е88О18 Легопоийдиез бе 1'Есо1е Бирепеге ТесНпк|ие бе Мозсои.

Вапкше, У. Т М., [1865] Оп (Не МесНапка1 Рг1пс1р1ез о£ (Не ЛсЕоп о£ РгореИегз, Тгапзосйопв, ΙπκΙί(и(е о£ Νονο1 ЛгсННесК Vο1 6: рр. 13-30.

УШоп, ВоЬег( Е., [1995] Легобупотк ВеНауюиг о£ \УН1б ТигЫпез, сНар(ег 5, \Утб ТигЫпе ТесНпо1оду, 8рего, Боу16 Л., Л8МЕ Ргезз, №\ν Уогк.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ротор для горизонтально-осевой ветряной турбины, который имеет втулку и множество вытянутых лопастей, радиально отходящих от втулки, причем форма лопастей подобрана таким образом, что в процессе работы в любом выбранном радиальном положении по длине лопастей отношение скорости С_и воздушного вихря, покидающего лопасти в направлении вращения лопасти, разделенное на аксиальную скорость ветра перед ротором ν^ определяется формулой где λ является местным отношением скоростей в выбранном радиальном положении и определяется формулой где и является окружной скоростью в выбранном радиальном положении.
2. Ротор по п.1, в котором хорда лопасти с в выбранном радиальном положении определяется формулой:

С = 3X5 где з является промежутком между лопастями, который определяется формулой _ 2 кг

Ζ где г является радиусом в выбранном радиальном положении и Ζ - количеством лопастей, и где 8 является отношением площади поверхности лопастей к фронтальной площади ветряной турбины и определяется формулой где в_т является средним углом воздушного потока относительно лопастей и определяется формулой

1ап(Д,) = 0,5 (бш(Д) + 1ап(Д )) где βι является углом между восходящим относительно лопастей воздушным потоком и осью вращения турбины и определяется формулой и β2 является углом между нисходящим относительно лопастей воздушным потоком и осью вращения турбины и определяется формулой и где Сь является коэффициентом подъемной силы и определяется формулой

Сг, = С_и + / X (С_£, — С_а ) ο Св является коэффициентом лобового сопротивления и определяется формулой

Со ⁼ С_о,·, - / х (с_о, — С_о„) где Сьь - выбранный коэффициент подъема лопасти на втулке;

Сц - выбранный коэффициент подъема лопасти на концах лопасти;

С'|,)|г выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулке;

С'|л - выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на концах лопасти;

£ - доля радиуса в выбранном радиальном положении, равная 0 на втулке и 1 на конце лопасти.
3. Ротор по п.2, в котором каждая лопасть является выгнутой аэродинамической поверхностью и угол прогиба θ аэродинамической поверхности в выбранном радиальном положении определяется фор

- 12 013480 мулой _С_АС^АХ1~С,) где Α₁, В( и С1 являются постоянными, имеющими следующие значения: Άι=0,0089 град^-1;

В1=0,0191 град^-1;

С1=0,0562 град^-1;

и 1 является углом падения воздуха на лопасти и определяется формулой где 1 является выбранным углом падения на втулке лопасти;

1_Ь является выбранным углом падения на конце лопасти.
4. Ротор по п.3, в котором угол наклона ξ, хорды лопасти к оси вращения турбины в выбранном радиальном положении предпочтительно определяется формулой:
5. Ротор по п.4, в котором угол наклона ξ варьируется от приблизительно 60° на втулке до приблизительно 80° на конце лопастей.
6. Ротор по п.3, в котором угол наклона θ аэродинамической поверхности варьируется от 10-15° на конце лопастей до 25-30° на втулке.
7. Ротор по любому из предшествующих пунктов, в котором втулка имеет диаметр, составляющий от 40 до 50% от диаметра ротора, измеренного до конца лопастей, и является сплошной, чтобы предотвратить прохождение воздуха сквозь втулку.
8. Ротор по п.5, в котором втулка имеет диаметр, который составляет около 45% от диаметра ротора.
9. Горизонтально-осевая ветряная турбина, которая включает в себя ротор, определяемый любым из предшествующих пунктов.
10. Способ определения характеристик лопастей горизонтально-осевой ветряной турбины, причем турбина имеет ротор со втулкой и множество протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки, причем способ включает в себя следующие этапы, на которых:

a) выбирают значение для по меньшей мере одного из параметров конструкции:

количество лопастей Ζ диаметр втулки Эь диаметр конца лопасти относительная скорость лопастей λ,_; скорость ветра выше по струе У_д

b) выбирают радиальное положение по длине лопастей;

c) вычисляют локальную относительную скорость лопастей Ά в выбранном радиальном положении на основании выбранного значения (значений) параметра (параметров) конструкции;

б) вычисляют отношение скорости С_и воздушного вихря, покидающего лопасти в направлении вращения лопасти, разделенного на аксиальную скорость ветра перед ротором ν_Α, с использованием формулы:

е) вычисляют хорду лопасти с, угла прогиба θ и угла наклона ξ, хорды лопасти к оси вращения турбины в выбранном радиальном положении, как функции отношения Си/ν^ и

1) выбирают по меньшей мере одно альтернативное радиальное положение и повторяют этапы от (с) до (е) для расчета хорды лопасти с, угла прогиба θ и угла наклона ξ в альтернативном радиальном положении для определения характеристик лопасти по длине лопастей.
11. Способ по п.10, который дополнительно включает этап, на котором:

д) выбирают альтернативное значение по меньшей мере для одного параметра конструкции и повторение шагов от (Ь) до (1) так, чтобы оптимизировать характеристики лопасти с целью максимизации отбора энергии из воздуха при самой низкой частоте вращения ротора.
12. Способ определения характеристик лопасти горизонтально-осевой ветряной турбины, причем турбина имеет ротор со втулкой и множество протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки, причем способ включает этапы, на которых:

а) выбирают значение для по меньшей мере одного из параметров конструкции:

- 13 013480 количество лопастей диаметр втулки Бь диаметр конца лопасти относительная скорость лопастей скорость ветра на удалении от ротора выбранный коэффициент подъема лопасти на ν_Ά втулке

Съй выбранный коэффициент подъема лопасти на концах лопасти

С_ъс выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулке выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на концах лопасти выбранный угол падения на втулке лопасти выбранный угол падения на конце лопасти

b) вычисляют частоту вращения лопасти N на основании λ, Уд и Э,;

c) вычисляют долю радиуса Г, представляющую выбранное радиальное положение по длине лопастей, где Г равняется 0 на втулке и 1 - на конце лопасти;

6) вычисляют радиус г в выбранном радиальном положении как функцию Г, ϋ, и Ό,;

е) вычисляют промежуток между лопастями 5 на основании Ζ;

Г) вычисляют скорость лопасти и в выбранном радиальном положении на основании Ν;

д) вычисляют локальную относительную скорость лопастей λ на основании и и У_А;

к) вычисляют безразмерное отношение скорости воздушного вихря, С_и/У_А, покидающего ротор в направлении вращения лопасти с использованием формулы £в₌А

1) вычисляют угол между восходящим воздушным потоком относительно лопасти и осью вращения турбины, β₁;

_() вычисляют угол между нисходящим воздушным потоком относительно лопасти и осью вращения турбины β₂;

k) вычисляют средний угол воздушного потока относительно лопасти в_т, как функции β₁ и β₂;

l) вычисляют коэффициент подъема лопасти С_ь, как функции Г, С_ьь и С_ы;

т) вычисляют коэффициент лобового сопротивления лопасти Св, как функции Г, Св, и Св,;

п) вычисляют требующееся отношение площади поверхности лопастей к фронтальной площади ветряной турбины Б, как функции β_№ С_и/У_А, С_ь и С_с;

о) вычисляют требующуюся хорду лопасти с на основании Б и 5;

р) вычисляют угол падения воздуха ί на лопасти на основании Г, 1_Ь и 1_±;

с.|) вычисляют угол прогиба θ на основании Сь;

г) вычисляют угол наклона ξ, хорды лопасти к оси турбины на основании β₁ и ί;

5) вычисляют по меньшей мере одно радиальное положение и повторяют этапы от (с) до (г) для расчета хорды лопасти с, угла прогиба θ и угла наклона ξ в альтернативном радиальном положении для определения характеристик лопасти по длине лопастей.
13. Способ по п.12, который дополнительно включает этап, на котором:

,) выбирают альтернативное значение для по меньшей мере одного параметра конструкции и повторение этапа от (Ь) до (5) так, чтобы оптимизировать характеристики лопасти с целью максимизации отбора энергии из воздуха при самой низкой частоте вращения ротора.

14. Способ определения характеристик лопасти горизонтально-осевой ветряной турбины, причем турбина имеет ротор со втулкой и множество протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки, причем каждая лопасть имеет выгнутую аэродинамическую поверхность, имеющую поперечное сечение в форме дуги окружности, причем способ включает в себя следующие этапы, на которых:

а) выбирают значение по меньшей мере для одного из параметров конструкции:

- 14 013480 количество лопастей Ζ диаметр втулки диаметр конца лопасти относительная скорость лопастей А,

скорость ветра на удалении от ротора ν_Α выбранный коэффициент подъема лопасти на втулке Си, выбранный коэффициент подъема лопасти на концах лопасти Си; выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на втулке Сцн выбранный коэффициент лобового сопротивления лопасти на концах лопасти Сое выбранный угол падения на втулке лопасти выбранный. угол падения на конце лопасти ίτ

Ь) вычисляют частоту вращения лопасти N с использованием формулы πΌ,

с) вычисляют долю радиуса £, представляющую выбранное радиальное положение по длине лопастей, где £ равняется 0 на втулке и 1 - на конце лопасти;

б) вычисляют радиус г в выбранном радиальном положении с использованием формулы:

где К_ь - радиус ротора на втулке;

К - радиус ротора на конце лопасти;

е) вычисляют промежуток между лопастями 8 с использованием формулы: _ 2яг ^ί_ Ζ

£) вычисляют скорость лопасти и в выбранном радиальном положении с использованием формулы

У_2πτΝ 60~

11) вычисляют безразмерное отношение скорости воздушного вихря С'Т/У_Л покидающего ротор в направлении вращения лопасти с использованием формулы

Си _ 4

_)) вычисляют угол между нисходящим воздушным потоком относительно лопасти и осью вращения турбины β₂ по формуле

k) вычисляют средний угол воздушного потока относительно лопасти β,,, по формуле

1ап(Л) = 0,5 (1ап(Д)+ 1ап(Д))

l) вычисляют коэффициент подъема лопасти Сь с использованием формулы

О=с_и+/х(с_Л(-с_и)

т) вычисляют коэффициент лобового сопротивления лопасти Си с использованием формулы

Сц ⁼ С'о/г + Г ~Ρ'ΟΙι}

η) вычисляют требующееся отношение площади поверхности лопастей к фронтальной площади ветряной турбины 8 по формуле

- 15 013480 (%)(С_£ -С_в 1ап(Л))

o) вычисляют требующуюся хорду лопасти с по формуле

С = 3X8

p) вычисляют угол падения воздуха ί на лопасти по формуле

μ) вычисляют угол прогиба θ лопастей в форме дуги окружности с использованием формулы _(С_х-4х/-С,) в, где А_ь В! и С1 являются постоянными, имеющими следующие значения:

Άι=0,0089 град^-1,

В1=0,0191 град^-1,

С1=0,0562 град^-1,

г) вычисляют угол наклона ξ хорды лопасти к оси турбины с использованием формулы < = Д+ ί

8) выбирают по меньшей мере одно радиальное положение и повторяют этапы от (с) до (г) для расчета хорды лопасти с, угла прогиба θ и угла наклона ξ, в альтернативном радиальном положении для определения характеристик лопасти по длине лопастей.

15. Способ по п.14, который дополнительно включает этап, на котором:

1) выбирают альтернативное значение по меньшей мере для одного параметра конструкции и повторяют этапы от (Ь) до (8) так, чтобы оптимизировать характеристики лопасти с целью максимизации отбора энергии из воздуха при самой низкой частоте вращения ротора.
16. Способ изготовления ротора для горизонтально-осевой ветряной турбины, причем ротор имеет втулку и множество протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки, способ включает в себя следующие этапы, на которых определяют характеристику лопасти согласно способу по любому из пп.10-15 и изготавливают ротор, включающий в себя лопасти с установленными характеристиками.
17. Ротор для горизонтально-осевой ветряной турбины, причем ротор включает в себя лопасти, имеющие характеристики, определенные согласно способу по любому из пп.10-15.
18. Горизонтально-осевая ветряная турбина, включающая в себя ротор со втулкой и множеством протяженных лопастей, радиально отходящих от втулки, причем лопасти имеют характеристики, определенные согласно способу по любому из пп.10-15.