RU2370410C2

RU2370410C2 - Method of shaping and aerodynamic overspeeding of wind impeller with horizontal rotation axis

Info

Publication number: RU2370410C2
Application number: RU2005126243/11A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Лавренов (RU); Александр Николаевич Лавренов
Original assignee: Александр Николаевич Лавренов
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2009-10-20
Also published as: RU2005126243A

Abstract

FIELD: aircraft construction. ^ SUBSTANCE: invention concerns aviation, particularly wind power plants (WPP) with horizontal rotation axis of wind impeller (blade wheel) self-orienting towards wind (WI). Shaping and aerodynamic overspeeding of self-orienting towards wind WI with horizontal rotating axis involves polyplane grid (flat or wedge) with planes radial to WI rotation axis and/or parallel to longitudinal axis of blade. The grid is oriented at 0 degrees angle against rotation plane at least at the beginning phase of aerodynamic WI overspeeding. Plane chords are rigidly fixated at 5 to 85 degrees angle or so as to allow for synchronous plane turn at +/-90 degrees against normal line to polyplane grid plane at windward side. ^ EFFECT: possible implementation of relatively simple cost-effective constructions of wind impeller complex, WI launch at small wind speed and automatic self-braking mode for WI elements at wind speed exceeding design value. ^ 6 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения крыльчатого (лопастного) самоориентирующегося по ветру ветроколеса (ВК).The invention relates to wind energy, specifically to wind power plants (wind turbines) with a horizontal axis of rotation of a winged (blade) self-orientating wind wheel (VK).

Известны способы формообразования и аэродинамической раскрутки самоориентирующихся по направлению ветра ВК с горизонтальной осью вращения, реализованные в различных конструкциях ВЭУ (см., например. Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание, М.: "Советская энциклопедия", 1971 г., т.4, стр.589-594). В частности, в зависимости от числа лопастей различают ВК быстроходные, средней быстроходности и тихоходные. При этом полезная утилизация ветрового потока разными типами ветроколес ВЭУ имеет свои особенности: например, для низкопотенциальных ветров производительность тихоходных ВК обычно выше, чем быстроходных, но с ускорением ветропотока (поскольку мощность на валу ВК пропорциональна кубу скорости ветра) быстроходные ветроколеса становятся предпочтительнее.Known methods of shaping and aerodynamic spin self-orientating in the direction of the wind VK with a horizontal axis of rotation, implemented in various designs of wind turbines (see, for example. Big Soviet Encyclopedia, 3rd edition, M .: "Soviet Encyclopedia", 1971, t. 4, pp. 589-594). In particular, depending on the number of blades, VK are distinguished as high-speed, medium-speed, and slow-moving. At the same time, useful utilization of the wind flow by different types of wind turbines has its own characteristics: for example, for low-grade winds, the performance of low-speed VCs is usually higher than high-speed ones, but with the acceleration of the wind flow (since the power on the VC shaft is proportional to the cube of wind speed), high-speed wind turbines become preferable.

Известен способ формообразования и аэродинамической раскрутки крыльчатого ВК с горизонтальной осью вращения, который сочетает преимущества ветроколес различных типов путем применения диффузора, располагаемого в плоскости вращения ВК (см., например, Я.И.Шефтер "Использование энергии ветра", М.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр.170 (рис.9.1.), 172-173 (ближайший аналог)).A known method of shaping and aerodynamic spinning of a winged VK with a horizontal axis of rotation, which combines the advantages of various types of wind wheels by using a diffuser located in the plane of rotation of the VK (see, for example, J.I. Shefter "Using wind energy", M .: Energoatomizdat, 1983, p. 170 (Fig. 9.1.), 172-173 (the closest analogue)).

Однако способ - ближайший аналог вследствие применения крупноразмерного (более диаметра ВК) прецизионного (для максимизации аэродинамической раскрутки ВК) диффузора требует повышенной мощности приводов и сложной ориентирующей связку диффузор-ВК по направлению ветра трансмиссии. Кроме того, значительная парусность диффузора предопределяет наличие повышенных нагрузок на конструкцию ВЭУ при буревом ветре. Еще одним принципиальным недостатком ближайшего аналога является значительная стоимость ветродвигательного комплекса, обусловленная конструктивной сложностью его формообразования из крыльчатого ВК и диффузора.However, the method is the closest analogue due to the use of a large-sized (more than VK diameter) precision (for maximizing the aerodynamic spin-up VK) diffuser requires increased drive power and a complex diffuser-VK aligning the bunch in the direction of transmission wind. In addition, a significant windage of the diffuser determines the presence of increased loads on the design of a wind turbine with a storm wind. Another fundamental drawback of the closest analogue is the significant cost of the wind turbine complex, due to the structural complexity of its formation from the winged VK and diffuser.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа формообразования и аэродинамической раскрутки крыльчатого ВК с горизонтальной осью вращения для работы ВЭУ как в низкопотенциальных, так и в скоростных ветропотоках, позволяющего реализовать относительно простые (в том числе отработанные на ВК традиционных схем) недорогие конструкции ветродвигательного комплекса, запуск ВК при малых скоростях ветра и режим автоматического самоторможения элементов ВК на скоростях ветра выше расчетных.The aim of the invention is the creation of a method of shaping and aerodynamic spinning of a winged VK with a horizontal axis of rotation for the operation of a wind turbine in both low-potential and high-speed wind flows, which allows the implementation of relatively simple (including worked on traditional schemes VK) low-cost designs of a wind turbine complex, VK launch at low wind speeds and the automatic self-braking of VK elements at wind speeds higher than calculated.

Указанная цель достигается тем, что в способе формообразования и аэродинамической раскрутки самоориентирующегося по ветру крыльчатого ВК с горизонтальной осью вращения, включающем заклинение под углом к ветропотоку и аэродинамическое профилирование лопастей ВК, в качестве лопасти либо участка лопасти ВК применяют полипланную решетку (плоскую или клиновую) с радиальными относительно оси вращения ВК и/или параллельными продольной оси лопасти планами, которую по крайней мере в начальной фазе аэродинамической раскрутки ВК (при низкопотенциальных ветропотоках) ориентируют под углом 0 градусов относительно плоскости вращения ВК (таким образом, чтобы аэродинамические фокусы отдельных планов последовательно располагались в плоскости вращения ВК). При этом хорды планов фиксируют жестко под углом от 5 до 85 градусов или с возможностью их синхронного разворота в диапазоне углов +/-90 градусов относительно нормали с наветренной стороны к плоскости полипланной решетки (иначе, относительно направления невозмущенного ветрового потока, взаимодействующего с самоориентирующимся по ветру ВК).This goal is achieved by the fact that in the method of shaping and aerodynamic spinning of a wing-oriented VK self-orientating along the wind with a horizontal axis of rotation, including a spell at an angle to the wind flow and aerodynamic profiling of VK blades, a polyplane grating (flat or wedge) is used as a blade or section of a VK blade radial plans relative to the VK axis of rotation and / or parallel to the longitudinal axis of the blade, which, at least in the initial phase of the aerodynamic unwinding of the VK (at low flow ntsialnyh vetropotokah) is oriented at an angle of 0 degrees relative to the plane of rotation of the VC (such that the aerodynamic center separate plans successively arranged in the VC rotation plane). In this case, the chords of the plans are fixed rigidly at an angle of 5 to 85 degrees or with the possibility of their simultaneous rotation in the range of angles +/- 90 degrees relative to the normal from the windward side to the plane of the polyplane array (otherwise, relative to the direction of the unperturbed wind flow interacting with the self-orientating wind VK).

Чувствительность коэффициента подъемной силы планов к изменению числа Рейнольдса при нестационарном ветровом потоке и переходе планов с докритического в закритическое обтекание, и наоборот, нейтрализуют путем формирования сечения планов в виде дозвуковых аэродинамических профилей относительной толщиной от 0,1% до 10% хорды, плоских или слабоизогнутых (с относительной вогнутостью до 10%), которые располагают в плоскости полипланной решетки таким образом, чтобы расстояние между аэродинамическими фокусами соседних планов составляло 0,4…10,0 хорд плана.The sensitivity of the lift coefficient of the plans to changes in the Reynolds number during an unsteady wind flow and the transition of plans from subcritical to supercritical flow, and vice versa, are neutralized by forming a section of the plans in the form of subsonic aerodynamic profiles with a relative thickness of 0.1% to 10% of the chord, flat or slightly curved (with a relative concavity of up to 10%), which are placed in the plane of the polyplanar lattice so that the distance between the aerodynamic foci of adjacent plans is 0.4 ... 10.0 chord of the plan.

В ряде случаев планы фиксируют одной или несколькими поперечными перемычками (плоскими и/или изогнутыми по дуге окружности определенного радиуса относительно оси вращения ВК), которые располагают в плоскости полипланной решетки на расстоянии друг от друга 1,0…1000 хорд плана.In some cases, the plans are fixed with one or more transverse jumpers (flat and / or curved along an arc of a circle of a certain radius relative to the axis of rotation of the VK), which are located in the plane of the polyplanar lattice at a distance from each other of 1.0 ... 1000 chords of the plan.

Планы и/или участки планов между перемычками могут иметь геометрическую и/или аэродинамическую крутку.Plans and / or sections of the plans between the jumpers can have a geometric and / or aerodynamic twist.

Дополнительно, лопасть ВК может снабжаться носовым и/или хвостовым аэродинамическими обтекателями полипланной решетки.Additionally, the VK blade can be equipped with a nose and / or aft aerodynamic fairings of a polyplanar lattice.

Коэффициент аэродинамического сопротивления собственно планов минимизируют на угле заклинения β=arctg(V_{ветра расч.мах}/V_{ВК расч.мах}), где V_{ветра расч.мах} - максимальная расчетная скорость невозмущенного ветропотока в рабочем диапазоне ВК, V_{ВК расч.мах} - предельно допустимая скорость воздушного потока в рассматриваемом сечении лопасти ветроколеса, обусловленная его вращением относительно неподвижного воздуха (т.н. обращенная скорость воздушного потока), 0≤β≤90°.The aerodynamic drag coefficient of the actual plans is minimized at the _spell angle β = arctan (V _{wind calculation max} / V _{VK calculation max} ), where V _{wind calculation max} - maximum design speed of the undisturbed wind flow in the working range VK, V _{VK calculation max} - maximum permissible air flow velocity in the considered section of the wind wheel blade due to its rotation relative to stationary air (the so-called reversed air flow velocity), 0≤β≤90 °.

На фиг.1, 2, 3 представлена принципиальная схема формообразования ВК по предлагаемому способу. На фиг.4, 5 показана схема полипланной решетки - элемента лопасти ВК. На фиг.6, 7, 8 изображена схема сил, возникающих на полипланной решетке ВК при его аэродинамической раскрутке, работе на максимальной расчетной скорости и в режиме автоматического самоторможения. На фиг.9 представлен сравнительный ("качественный") график работы традиционного лопастного ВК фиксированного шага (монопланного, с горизонтальной осью вращения, самоориентирующегося по ветру) и ветродвигателя (также фиксированного шага) ВЭУ по предлагаемому техническому решению. Приняты обозначения:Figure 1, 2, 3 presents a schematic diagram of the formation of VK according to the proposed method. Figure 4, 5 shows a diagram of a polyplanar lattice - an element of the blade VK. Figure 6, 7, 8 shows a diagram of the forces arising on the polyplanar lattice VK during its aerodynamic unwinding, operating at maximum design speed and in the mode of automatic self-braking. In Fig.9 presents a comparative ("quality") schedule of the traditional blade VK fixed pitch (monoplane, with a horizontal axis of rotation, self-orientating in the wind) and a wind turbine (also fixed pitch) wind turbines according to the proposed technical solution. Designations accepted:

V_ветра - скорость невозмущенного ветролотока,V _wind - the speed of the undisturbed wind flow,

V_BK - скорость воздушного потока в рассматриваемом сечении лопасти ВК, обусловленная его вращением относительно неподвижного воздуха (т.н. обращенная скорость воздушного потока),V _BK - air flow velocity in the considered section of the VK blade, due to its rotation relative to stationary air (the so-called reversed air flow velocity),

V_{min 1}, V_{max 1} - соответственно минимальное и максимальное значения скорости ветра для штатной работы ВЭУ с лопастным ВК традиционного типа в режиме энергогенерации,V _{min 1} , V _{max 1} - respectively, the minimum and maximum values of wind speed for normal operation of a wind turbine with a blade type VC of the traditional type in the power generation mode,

V_{min 2}, V_{max 2} - соответственно минимальное и максимальное значения скорости ветра для штатной работы ВЭУ с ВК по предложенному техническому решению в режиме эиергогенерации,V _{min 2} , V _{max 2} - respectively, the minimum and maximum values of wind speed for regular operation of a wind turbine with a VC according to the proposed technical solution in the mode of energy generation,

1 - монопланная лопасть ВК,1 - monoplane blade VK,

2 - полипланная решетка,2 - polyplane grid,

3 - план полипланной решетки,3 - plan polyplanar lattice,

4 - поперечная перемычка,4 - transverse jumper,

5 - аэродинамический обтекатель полипланной решетки.5 - aerodynamic fairing polyplane lattice.

Работа ВЭУ по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.The work of wind turbines on the proposed method is as follows.

Лопасть 1 крыльчатого ветроколеса снабжается полипланной решеткой (решетками) 2, см. фиг.1, 2. При этом за счет развитой площади рабочих аэродинамических поверхностей-планов 3 полипланных решеток 2 (особенно отнесенных на большом плече относительно оси вращения ВК), нечувствительных к значению числа Рейнольдса (Re - отношение сил инерции воздуха к силам вязкости), аэродинамическая раскрутка ветроколеса начинается уже при относительно низкопотенциальных (например, на уровне V_ветра~1,0…2,0 м/с) ветропотоках. Уверенному и "мягкому" запуску ВК при |V_ветра|>>|V_ВК| дополнительно способствуют, помимо возможности увеличения общей рабочей площади планов 3 относительно соответствующей площади участка лопасти 1 ветроколеса-воздушного винта, возможность заклинения планов 3 с углом β, существенно меньшим угла заклинения соответствующего участка лопасти 1 традиционного ВК (что максимизирует полезную "вращающую ВК" составляющую аэродинамической силы), а также весовое (и соответственно инерционное) облегчение ветроколеса вследствие известного преимущества в уровне материалоемкости и жесткости полипланных решеток 2 по сравнению с традиционными конструктивно-силовыми схемами крыльев-лопастей 1 (см., например, И.С.Голубев, А.В.Самарин, В.И.Новосельцев "Конструкция и проектирование летательных аппаратов", М.: Машиностроение, 1995 г., стр.259) при нечувствительности профилей планов 3 - плоских и/или слабоизогнутых, например, типа G-417a -к числу Re (см., например, А.А.Болонкин "Теория полета летающих моделей", М.: изд-во ДОСААФ, 1962 г., - стр.27-40).The blade 1 of the winged wind wheel is equipped with a polyplanar lattice (s) 2, see Figs. 1, 2. Moreover, due to the developed area of the working aerodynamic plan surfaces 3 polyplanar lattices 2 (especially assigned to the large arm relative to the axis of rotation of the VK), insensitive to the value Reynolds numbers (Re is the ratio of air inertia forces to viscosity forces), the aerodynamic spinning of the wind wheel begins already at relatively low potential (for example, at the level of V _wind ~ 1.0 ... 2.0 m / s) wind flows. Confident and “soft” launch of VC at | V _wind | >> | V _VK | additionally contribute, in addition to the possibility of increasing the total working area of plans 3 relative to the corresponding area of the blade portion 1 of the wind wheel-propeller, the possibility of jamming plans 3 with an angle β substantially less than the spell angle of the corresponding portion of the blade 1 of the traditional VK (which maximizes the useful “rotating VK” component of the aerodynamic forces), as well as weight (and, accordingly, inertial) lightness of the wind wheel due to the well-known advantage in the level of material consumption and rigidity of polyplanes of lattice 2 in comparison with traditional structural-power schemes of wing-blades 1 (see, for example, I. S. Golubev, A. V. Samarin, V. I. Novoseltsev "Design and Design of Aircraft", M .: Mechanical Engineering , 1995, p. 259) with the insensitivity of the profiles of plans 3 - flat and / or slightly curved, for example, of type G-417a - to the number Re (see, for example, A. A. Bolonkin "Theory of flight of flying models", M .: publishing house DOSAAF, 1962, - p. 27-40).

Последующее увеличение окружной скорости концевых участков лопасти ветроколеса, в случае размещения там полипланных решеток 2 под углом 0 градусов относительно плоскости вращения ВК, не приводит к резкому росту аэродинамического сопротивления этих участков вследствие минимизации миделя и введения аэродинамических обтекателей 5 полипланных решеток 2 в отличие от традиционных лопастей 1 ВК (см. фиг.3, 5).The subsequent increase in the peripheral speed of the end sections of the wind wheel blade, if polyplane gratings 2 are placed there at an angle of 0 degrees relative to the VK rotation plane, does not lead to a sharp increase in the aerodynamic drag of these sections due to minimization of the midship and the introduction of aerodynamic fairings 5 of polyplane gratings 2, in contrast to traditional blades 1 VK (see Fig. 3, 5).

В известной мере новым качеством является возможность автоматического самоторможения полипланных решеток 2 - элементов ВК, образованного по предложенному способу, при V_ветра>V_{ветра раоч.мах} (и соответственно V_BK>V_{ВК расч.мах}). Это связано с тем, что угол атаки α плана 3 (угол между хордой плана 3 полипланной решетки 2 и вектором суммарной воздушной скорости V_Σ (геометрическая сумма векторов V_ветра и V_BK в рассматриваемом сечении лопасти ВК) меняет знак относительно линии хорды плана, и соответственно меняет знак вектор подъемной силы плана 3, которая обеспечивает вращение ветроколеса в ту или иную сторону с определенной угловой скоростью, см. фиг.6-8.To a certain extent, a new quality is the possibility of automatic self-braking of polyplane gratings 2 - VK elements, formed according to the proposed method, with V _wind > V _{wind work.mach} (and accordingly V _BK > V _{VK calculationmach} ). This is due to the fact that the angle of attack α of plan 3 (the angle between the chord of plan 3 of the polyplane lattice 2 and the vector of total air speed V _Σ (the geometric sum of the vectors V of the _wind and V _BK in the considered section of the VK blade) changes sign relative to the line of the chord of the plan, and accordingly, the sign of the lift vector of plan 3, which ensures the rotation of the wind wheel in one direction or another with a certain angular velocity, changes sign, see Fig.6-8.

Теория полипланных решеток представлена, например, в публикации С.М.Белоцерковский, А.С.Гиневский, Я.Е.Полонский "Промышленная аэродинамика”, выпуск 22 "Силовые и моментные аэродинамические характеристики решеток тонких профилей", М.: Оборонгиз, 1962 г. Обозначения и определения, принятые для лолипланных решеток в рамках данного технического решения, показаны на фиг.4.The theory of polyplanar lattices is presented, for example, in the publication S. M. Belotserkovsky, A. S. Ginevsky, Y. E. Polonsky "Industrial Aerodynamics", issue 22 "Power and moment aerodynamic characteristics of lattices of thin profiles", M .: Oborongiz, 1962 The designations and definitions adopted for loliplane gratings in the framework of this technical solution are shown in figure 4.

Следует также отметить, что относительная конструктивно-компоновочная и технологическая простота формируемого предложенным способом ветродвигательного комплекса - с учетом широкого использования отработанных схем механических связей, энергогенерации и управления существующих ВЭУ - является важным фактором с точки зрения критерия "стоимость-эффективность" и степени распространенности ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения ВК (~70% мирового парка ВЭУ).It should also be noted that the relative structural simplicity and technological simplicity of the windmill complex formed by the proposed method — taking into account the widespread use of well-established mechanical connection schemes, energy generation and control of existing wind turbines — is an important factor in terms of the cost-effectiveness criterion and the prevalence of wind power plants with a horizontal axis of rotation of VK (~ 70% of the world wind turbine fleet).

Дополнительно отметим, что показанная на фиг.1 принципиальная схема формообразования ВК включает размещение полипланных решеток 2 в концевых частях монопланных лопастей 1 - на максимальном плече (что в большинстве случаев представляется наиболее предпочтительным). При этом планы 3 выполнены параллельными продольной оси лопасти 1. На фиг.2 практически вся лопасть ВК выполнена как полипланная решетка (с управляемой либо фиксированной ориентацией планов 3 относительно вектора невозмущенного ветропотока). В данном случае планы 3 размещены радиально относительно оси вращения ветроколеса, а для формирования заданной их геометрии и увеличения общей жесткости лопасти могут быть введены поперечные перемычки 4 - плоские и/или изогнутые по дуге окружности фиксированного радиуса относительно оси вращения ВК. Перемычки 4 расположены в плоскости полипланной решетки 2; в случае многоярусного их размещения расстояние между соседними перемычками 4 (по радиусу ВК для каждой конкретной лопасти) составляет 1,0…1000 хорд плана 3. Следует отметить, что могут существовать конструкции ВК с полипланными решетками 2 и в корневых частях лопасти 1, а также другие комбинации монопланных и полипланных участков управляемых (в т.ч. изменяемого шага) и неуправляемых прямых и изогнутых лопастей ветроколеса ВЭУ.Additionally, we note that the schematic diagram of the VK forming shown in Fig. 1 includes the placement of polyplanar gratings 2 in the end parts of monoplane blades 1 - on the maximum arm (which in most cases seems to be most preferable). Moreover, the plans 3 are made parallel to the longitudinal axis of the blade 1. In figure 2, almost the entire VK blade is made as a polyplane grid (with a controlled or fixed orientation of the plans 3 relative to the undisturbed wind flow vector). In this case, plans 3 are placed radially relative to the axis of rotation of the wind wheel, and for the formation of their specified geometry and increase the overall stiffness of the blade, transverse bridges 4 can be introduced - flat and / or curved in a circular arc of a fixed radius relative to the axis of rotation of the VK. Jumpers 4 are located in the plane of the polyplanar lattice 2; in the case of their multi-tiered placement, the distance between adjacent jumpers 4 (along the VK radius for each specific blade) is 1.0 ... 1000 chords of plan 3. It should be noted that VK designs with polyplane gratings 2 and in the root parts of the blade 1 can exist, as well other combinations of monoplane and polyplan sections of controlled (including variable pitch) and uncontrolled straight and curved blades of a wind turbine of a wind turbine.

Различные виды планов 3 полипланной решетки 2, в т.ч. с сечениями типа дозвуковых аэродинамических профилей (аэродинамически наивыгоднейший вариант), дуг окружностей и плоских пластин (технологически предпочтительный вариант), представлены, например, на фиг.3-8. Планы 3 (участки планов 3 между перемычками 4) могут иметь геометрическую и/или аэродинамическую крутку с целью увеличения их несущих свойств. Также может варьироваться длина хорды планов 3, например, в полипланных решетках 2 с клиновым (или иным неплоским) сечением. Аэродинамические фокусы планов 3 при этом целесообразно располагать последовательно (друг за другом) в плоскости вращения ВК - с целью минимизации миделя полипланной решетки 2.Various types of plans 3 polyplanar lattice 2, including with sections such as subsonic aerodynamic profiles (aerodynamically the most advantageous option), arcs of circles and flat plates (technologically preferred option), are presented, for example, in Fig.3-8. Plans 3 (sections of plans 3 between jumpers 4) can have a geometric and / or aerodynamic twist in order to increase their load-bearing properties. The length of the chord of plans 3 can also vary, for example, in polyplanar lattices 2 with a wedge (or other non-planar) section. In this case, it is advisable to arrange the aerodynamic tricks of plans 3 in series (one after another) in the plane of rotation of the VC in order to minimize the midsection of the polyplanar lattice 2.

При этом ориентация жестко фиксированных планов 3 полипланной решетки 2 - угол β (см. фиг.4) - с учетом реальных значений V_ветра и рабочих значений реализуемой раскрутки ветроколеса будет в интервале от 5 до 85 градусов относительно нормали с наветренной стороны к плоскости полипланной решетки 2 самоориентирующегося до ветру ВК. Ориентацию же управляемых (как правило, синхронно регулируемых в зависимости от параметров V_Σ) планов 3 при этом целесообразно осуществлять в диапазоне +/-90 градусов относительно нормали к плоскости полипланной решетки 2 самоориентирующегося по направлению ветра ВК - в этом случае обеспечивается полное управление направлением и скоростью вращения ветроколеса ВЭУ (см. фиг.6-8).In this case, the orientation of the rigidly fixed plans 3 of the polyplanar lattice 2 - angle β (see Fig. 4) - taking into account the real values of V _wind and the operating values of the realized spin of the wind wheel will be in the range from 5 to 85 degrees relative to the normal from the windward side to the plane of the polyplanar lattice 2 self-orientating to the wind VK. The orientation of the managed (as a rule, synchronously regulated depending on the parameters V _Σ ) plans 3 is expediently carried out in the range +/- 90 degrees relative to the normal to the plane of the polyplanar lattice 2 VC self-orientating in the wind direction - in this case, the direction and wind turbine rotational speed (see Fig.6-8).

Весьма важным фактором, влияющим на размерность хорды профиля лопасти 1 (плана 3 полипланной решетки 2) ВК для заданных рабочих значений ветропотока, а также толщину, кривизну (вогнутость) и технологическую шероховатость лопасти 1 (плана 3 полипланной решетки 2) ВК, является число Re - именно поэтому, кстати, аэродинамика несущих поверхностей насекомых столь разительно отличается от аэродинамики крыльев птиц и дозвуковых самолетов. При этом следует отметить, что различные сечения (профили) аэродинамически "активных" объектов имеют заметно отличную чувствительность к изменению числа Re - особенно это касается переходов с докритического в закритическое обтекание воздушным потоком (например, нестационарным), и наоборот, что выражается в резком (скачкообразном) изменении аэродинамических коэффициентов для подъемной силы и сопротивления. Именно поэтому в данном техническом решении, ориентированном на полезное использование низкопотенциальных ветропотоков, предложены относительно нечувствительные к таким переходам сечения планов 3 - в виде “тонких" дозвуковых аэродинамических профилей с относительной толщиной (отношение максимальной толщины профиля к его хорде) от 0,1 до 10%, плоских или слабоизогнутых с относительной вогнутостью (отношение максимальной стрелы прогиба профиля к его хорде) до 10%. Расстояние между соседними профилями (фокусами, характерными конгруэнтными точками) планов 3 - с учетом технического назначения ВЭУ и недопущения "запирания" воздушного потока в лолипланной решетке 2 ВК - должно составлять 0,4…10,0 хорд профиля плана 3. Планы 3 неодинаковой длины (характерно для неплоских, например, клиновых полипланных решеток 2), а также радиального относительно оси вращения ВК расположения в среднем размещают на тех же относительных расстояниях, при этом допускается варьировать "густотой” полипланной решетки 2 (см., например, фиг.2).A very important factor affecting the dimension of the chord of the profile of the blade 1 (plan 3 of the polyplane lattice 2) VK for the given operating values of the wind flow, as well as the thickness, curvature (concavity) and technological roughness of the blade 1 (plan 3 of the polyplane lattice 2) VK, is the number Re - That is precisely why, by the way, the aerodynamics of bearing surfaces of insects is so strikingly different from the aerodynamics of bird wings and subsonic aircraft. It should be noted that different sections (profiles) of aerodynamically “active” objects have a noticeably different sensitivity to changes in the Re number — this is especially true for transitions from subcritical to supercritical airflow (for example, unsteady), and vice versa, which is expressed in sharp ( spasmodic) change in aerodynamic coefficients for lift and drag. That is why in this technical solution, focused on the beneficial use of low-potential wind flows, sections of plans 3 are relatively insensitive to such transitions - in the form of “thin” subsonic aerodynamic profiles with a relative thickness (the ratio of the maximum thickness of the profile to its chord) from 0.1 to 10 %, flat or slightly bent with relative concavity (the ratio of the maximum arrow of the deflection of the profile to its chord) up to 10%. The distance between adjacent profiles (foci characteristic congruent t points) of plans 3 - taking into account the technical purpose of the wind turbines and preventing "locking" of the air flow in the lapel grid 2 VK - should be 0.4 ... 10.0 chords of the profile of plan 3. Plans 3 are of unequal length (typical for non-flat, for example, wedge polyplan lattices 2), as well as the radial arrangement relative to the axis of rotation of the VK, are located on average at the same relative distances, and it is allowed to vary the “thickness” of the polyplanar lattice 2 (see, for example, FIG. 2).

Следует особо подчеркнуть, что, как уже указывалось ранее, применение данного способа позволяет существенно уменьшить момент инерции и массу ветроколеса заданной размерности при сохранении и даже увеличении полезной составляющей аэродинамических сил на ВК от скоростного напора ветропотока и тем самым реализовать штатное энергогенерирующее функционирование ВЭУ при пониженных относительно традиционных лопастных ВК значениях рабочих ветров (V_{min 1}≥V_{min 2}). При этом вследствие реализации режима автоматического самоторможения полипланных решеток 2 становится возможным штатное энергогенерирующее функционирование ВЭУ при V_{шах 2}≥V_{max 1} (см. фиг.9). В средней же части рабочего диапазона ветров (иначе, в срединной области интервала V_{min 2}-V_{max 2}) хорошо работают монопланные участки, в т.ч. корневые, лопасти 1 ветроколеса.It should be emphasized that, as previously mentioned, the application of this method can significantly reduce the moment of inertia and the mass of the wind wheel of a given dimension while maintaining and even increasing the useful component of the aerodynamic forces on the VC from the speed pressure of the wind flow and thereby realize the regular energy-generating functioning of wind turbines with lower relative traditional blade VK values of the working winds (V _{min 1} ≥V _{min 2} ). In this case, due to the implementation of the automatic self-braking mode of the polyplane gratings 2, the regular energy-generating operation of the wind turbines with V shakh ₂ ≥V _{max 1} becomes possible (see Fig. 9). In the middle part of the working range of the winds (otherwise, in the middle region of the interval V _{min 2} -V _{max 2} ) monoplane sections work well, incl. root, blades of 1 wind wheel.

В ряде случаев целесообразно "разменять" данные новые качества следующим образом: либо увеличить размерность (соответственно рабочее плечо) ВК при сохранении его инерционно-массовых характеристик на уровне "базового" монопланного, что позволит той же самой ВЭУ штатно работать на “сверхнизкопотенциальных" ветропотоках, либо уменьшить габариты ВК при фиксированном для V_ветра=const моменте аэродинамических сил на валу (на уровне "базового" ветроколеса), что даст возможность при неизменной энергогенерации уменьшить общие массогабаритные и стоимостные характеристики ВЭУ. Особо следует отметить, что предложенное техническое решение оптимизировано именно для ветродвигательного режима работы ВЭУ (цель: "ветропотоки малые, но обороты ВК большие") и в этом смысле является антиподом винтовых движителей (цель: "обороты винта малые, но отбрасываемые массы и скорости частиц среды (воздуха, воды) большие”). С учетом возможностей увеличения сметаемой ветроколесом ВЭУ площади (что часто является критичным параметром для винтовых движителей, габариты которых лимитируются комплексом конструктивно-компоновочных ограничений на изделие в целом) применение легких (малоинерционных) и жестких полипланных решеток, малочувствительных к изменениям числа Re, пригодных для утилизации низкопотенциальных ветропотоков, может явиться своеобразным "качественным" скачком в технологии ВК-ветродвигателей.In some cases, it is advisable to "swap" these new qualities as follows: either increase the dimension (respectively the working arm) of the VC while maintaining its inertial-mass characteristics at the level of the "base" monoplane, which will allow the same wind turbine to operate normally on "ultra-low potential" wind flows, or to reduce the dimensions of the VC with a fixed moment of aerodynamic forces on the shaft (at the level of the "base" wind wheel) fixed for V _wind = const, which will make it possible to reduce the overall mass-size and It is worth noting that the proposed technical solution is optimized specifically for the wind propulsion mode of the wind turbine (goal: "wind flows are small, but VK revolutions are large") and in this sense it is the antipode of screw propellers (goal: "screw revolutions are small but discarded the masses and velocities of the particles of the medium (air, water) are large ”). Taking into account the possibilities of increasing the area swept by the wind turbine of a wind turbine (which is often a critical parameter for screw propellers, the dimensions of which are limited by a set of structural and layout restrictions on the product as a whole), the use of light (low-inertia) and rigid polyplane gratings, insensitive to changes in the number of Re, suitable for disposal low-potential wind flows, may be a kind of "quality" leap in the technology of VK-wind turbines.

Реализация предложенного способа позволит, как представляется, относительно простыми средствами формообразования и аэродинамической раскрутки ВК "по Лавренову" расширить рабочий диапазон ветров для штатного энергогенерирующего режима функционирования наиболее распространенных ВЭУ с горизонтальной осью вращения лопастного самоориентирующегося ветроколеса при сохранении без сколько-нибудь существенных доработок имеющихся ныне конструктивно-компоновочных и программно-аппаратных реализаций таких ветроустановок.The implementation of the proposed method will allow, apparently, using relatively simple means of forming and aerodynamic spinning of the VK "according to Lavrenov" to expand the operating range of winds for the standard energy-generating mode of operation of the most common wind turbines with a horizontal axis of rotation of a bladed self-orientating wind wheel while maintaining the existing structurally available without any significant modifications - layout and software and hardware implementations of such wind turbines.

Claims

1. A method of shaping and aerodynamic spinning of a self-orientated winged wind wheel with a horizontal axis of rotation, including a spell at an angle to the wind flow and aerodynamic profiling of the wind wheel blades, characterized in that a polyplane grid with radial relative to the axis of rotation of the wind turbines blade is used with a blade and / or parallel to the longitudinal axis of the blade plans, which, at least in the initial phase of the aerodynamic unwinding the troco wheels are oriented at an angle of 0 ° relative to the plane of rotation of the wind wheel, while the chords of the plans are fixed rigidly at an angle of 5 to 85 ° or with the possibility of their synchronous rotation in the range of angles +/- 90 ° relative to the normal from the windward side to the plane of the polyplane array.

2. The method of shaping and aerodynamic spin of a wind wheel according to claim 1, characterized in that the sensitivity of the lift coefficient of the plans to a change in the Reynolds number during unsteady wind flow and the transition of plans from subcritical to supercritical flow and are neutralized by forming a section of plans in the form of subsonic aerodynamic profiles relative thickness from 0.1 to 10% of the chord, flat or slightly curved with a relative concavity of up to 10%, which are located in the plane of the polyplanar lattice so that the distance between the aerodynamic foci of the neighboring plans is 0.4 ... 10.0 chords of the plan.

3. The method of shaping and aerodynamic spin of a wind wheel according to claim 1, characterized in that the plans are fixed with one or more transverse jumpers, flat and / or curved in an arc of a circle relative to the axis of rotation of the wind wheel, which are located in the plane of the polyplane lattice at a distance from each other 1 , 0 ... 1000 chords of the plan.

4. The method of shaping and aerodynamic spin of a wind wheel according to claim 1, characterized in that the plans are performed with geometric and / or aerodynamic twist.

5. The method of shaping and aerodynamic spin of a wind wheel according to claim 1, characterized in that the blade of the wind wheel is provided with a nose and / or tail aerodynamic fairings of a polyplanar lattice.

6. The method of shaping and aerodynamic spin of a wind wheel according to claim 1, characterized in that the aerodynamic drag coefficient of the plans is minimized at the angle of spell β = arctg (V _{wind calc. Max} / V _{bk calc. Max} ),
where V _{wind calc} . max is the maximum design speed of the undisturbed wind flow in the operating range of the wind wheel, V _{bk calc. max} is the maximum allowable air flow velocity in the considered section of the wind wheel blade due to its rotation relative to stationary air, 0≤β≤90 °.