RU2469208C2

RU2469208C2 - Windwheel blade

Info

Publication number: RU2469208C2
Application number: RU2011103502/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Тимофеевич Дрофа; Александр Вячеславович Жаворонков; Александр Федотович Макаров; Вячеслав Александрович Соловей; Борис Иванович Шибаев
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-12-10
Also published as: RU2011103502A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: windwheel blade includes tubular spar and sections into which a blade is divided along the span. Spar is made so that it is lowered from the blade outline. Sections include covers and ribs. Sections include connection profiles arranged between covers and flanges of spar and connection parts installed on webs of ribs, which are attached to the above profiles. Connection parts are attached by means of fasteners to spar webs. Adjacent sections are connected by means of connection straps to each other with possibility of mutual movement. Separation of blade into sections is made so that at least two ribs in the most loaded sections are connected by means of connection and fastening parts to spar. Connection profiles in them are disconnected from spar flanges. As for other ribs, connection parts and connection profiles are made and mounted so that a gap is formed between them and spar along webs and flanges by the value of spar deflections. Protective patches are installed on the spar in the zone of connection parts and connection profiles.

EFFECT: increasing the blade service life.

1 cl, 9 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструкциям лопастей ветроэнергетических установок (ВЭУ).The present invention relates to wind energy, and in particular to the design of the blades of wind power plants (wind turbines).

Известна конструкция лопасти ВЭУ, принятая в качестве прототипа (патент РФ на изобретение №1828000), содержащая стальной трубчатый лонжерон, на котором с помощью соединительных и крепежных деталей смонтированы носовые и хвостовые отсеки, включающие образующие аэродинамический контур лопасти обшивку с нервюрами. Лонжерон выполнен с прямолинейными образующими и с занижением от контура лопасти на высоту соединительных деталей, выполненных в виде профилей, с одной стороны опертых через клеевое соединение на верхние и нижние полки лонжерона и охватывающих их в виде хомута с натягом через стяжные профили, закрепленные на стенках лонжерона крепежными деталями, размещенными на расстоянии не более половины высоты от нейтральной оси лонжерона до его наружного контура, а с другой стороны с помощью крепежных деталей соединенных с обшивками и нервюрами отсеков. Обшивки отсеков лопасти расчленены по ее размаху на секции, взаимодействующие между собой через соединительные детали, обеспечивающие взаимное перемещение секций, с возможностью передачи крутящего момента. Секции обшивки, в совокупности с расположенными под ними нервюрами, имеющими в своем составе размещенные между обшивками и полками лонжерона соединительные профили и скрепленные с ними, установленные на стенках нервюр соединительные детали, сочлененные крепежными деталями со стенками лонжерона, образуют отсеки лопасти, расположенные по ее размаху. Подвижно сопрягаемые соединительные детали отсеков выполнены в виде накладок с нанесенным на них в местах сочленения твердым покрытием с малым коэффициентом трения, преимущественно ВАП-3.A known design of a wind turbine blade adopted as a prototype (RF patent for invention No. 1828000), comprising a steel tubular spar on which nose and tail compartments are mounted using connecting and fastening parts, including a lining with ribs forming the aerodynamic contour of the blade. The spar is made with rectilinear generators and with the understatement of the blade to the height of the connecting parts made in the form of profiles, on the one hand supported through the adhesive joint on the upper and lower shelves of the spar and covering them in the form of a clamp with an interference fit through the tie profiles secured to the walls of the spar fasteners placed at a distance of no more than half the height from the neutral axis of the side member to its outer contour, and on the other hand, with fasteners connected to the skin and ribs from sec. The casing of the blade compartments is divided according to its span into sections interacting with each other through connecting parts providing mutual movement of the sections, with the possibility of transmitting torque. The sections of the casing, in combination with the ribs located below them, having connecting profiles placed between the casing and the flanges of the spar and attached to them, the connecting parts mounted on the walls of the ribs, articulated by fasteners with the walls of the spar, form the blade compartments located along its span . The movably mating connecting parts of the compartments are made in the form of overlays with a hard coating with a low friction coefficient applied to them at the joints, mainly VAP-3.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предложенного решения, являются следующие - лопасть ветроколеса, содержащие трубчатый лонжерон, выполненный с занижением от контура лопасти, отсеки, на которые по размаху расчленена лопасть, включающие обшивки, нервюры, имеющие в своем составе размещенные между обшивками и полками лонжерона соединительные профили и скрепленные с ними, установленные на стенках нервюр соединительные детали, сочлененные крепежными деталями со стенками лонжерона, и соединительные накладки, которыми сочленены между собой соседние отсеки с возможностью взаимного перемещения.Signs of the prototype, which coincide with the essential features of the proposed solution, are as follows: a wind wheel blade containing a tubular spar made with understatement from the blade contour, compartments into which the blade is divided by the span, including skins, ribs, which are composed between skins and shelves spar connecting profiles and fastened with them mounted on the walls of the ribs connecting parts articulated by fasteners with the walls of the spar and connecting pads to orymi articulated together adjacent compartments, with mutual displacement.

При подобном сочленении отсеков лопасти с лонжероном и количестве нервюр, закрепленных в отсеке на лонжероне больше двух, при деформациях лонжерона через соединительные и крепежные детали отсеков происходят «вынужденные» деформации отсеков, а следовательно, дополнительно к «чисто аэродинамическим» и центробежным нагрузкам появляется знакопеременное нагружение обшивок, деталей отсека и сопрягаемых с крепежными деталями мест лонжерона, снижающее ресурс работы обшивок и лонжерона, а соответственно ресурс лопасти. Кроме того, в местах сочленения соединительных деталей с полками лонжерона при изгибных деформациях лонжерона и деформациях соединительных деталей возможно разрушение клеевого соединения из-за неравномерного отрыва, что приводит к перемещениям под нагрузкой соединительных деталей и профилей по поверхности лонжерона и, следовательно, к нарушению покрытий, задирам и коррозии деталей лопасти, что уменьшает ресурс лопасти. Соединительные накладки, через которые взаимодействуют соседние отсеки, при изгибе лопасти деформируются, что при взаимных перемещениях отсеков может привести к разрушению их и сопрягаемых с ними деталями отсеков, потере герметизации стыка отсеков, уменьшению аэродинамической эффективности лопасти и ресурса ее работы.With a similar articulation of the blade compartments with the spar and the number of ribs fixed in the compartment on the spar for more than two, during deformation of the spar through the connecting and fastening parts of the compartments, “compelled” deformations of the compartments occur, and therefore, alternating loading appears in addition to “purely aerodynamic” and centrifugal loads skins, compartment parts, and spar seats mating with fasteners, reducing the working life of skins and spars, and accordingly the blade resource. In addition, at the joints of the connecting parts with the spar shelves during bending deformations of the spar and the deformation of the connecting parts, the adhesive joint may be destroyed due to uneven tearing, which leads to displacement under load of the connecting parts and profiles over the surface of the spar and, consequently, to the violation of coatings, scuffing and corrosion of blade parts, which reduces blade life. The connecting pads, through which adjacent compartments interact, are deformed during bending of the blades, which can cause their compartments and the compartments to be interrupted by their mutual movement, loss of sealing of the compartment junction, and a decrease in the aerodynamic efficiency of the blade and its service life.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое устройство, является увеличение рабочего ресурса лопасти путем устранения дополнительного знакопеременного нагружения обшивок, деталей отсеков, крепежных деталей и сопрягаемых с ними мест лонжерона, вызванного изгибными деформациями лонжерона, сохранение от повреждения поверхности лонжерона, накладок и обшивки лопасти.The technical result, the achievement of which the proposed device is aimed at, is to increase the working life of the blade by eliminating additional alternating loading of the skins, compartment parts, fasteners and the spar mates connected with them caused by bending deformations of the spar, preservation of the spar surface, linings and lining of the blade from damage.

Для достижения указанного технического результата в лопасти ветроколеса, содержащей трубчатый лонжерон, выполненный с занижением от контура лопасти, отсеки, на которые по размаху расчленена лопасть, включающие обшивки, нервюры, имеющие в своем составе размещенные между обшивками и полками лонжерона соединительные профили и скрепленные с ними, установленные на стенках нервюр соединительные детали, сочлененные крепежными деталями со стенками лонжерона, и соединительные накладки, которыми сочленены между собой соседние отсеки с возможностью взаимного перемещения, расчленение лопасти на отсеки выполнено таким образом, что хотя бы в наиболее нагруженных отсеках только две нервюры посредством соединительных и крепежных деталей сочленены с лонжероном, при этом соединительные профили в них разобщены с полками лонжерона, а по другим нервюрам соединительные детали и соединительные профили выполнены и смонтированы таким образом, что между ними и лонжероном по стенкам и полкам образован зазор на величину прогибов лонжерона, причем в зоне соединительных деталей и соединительных профилей на лонжероне установлены защитные накладки.To achieve the specified technical result, in a wind wheel blade containing a tubular spar, made with understatement from the blade contour, compartments into which the blade is divided by the span, including skins, ribs, incorporating connecting profiles between the skirting and shelves of the spar and fastened with them mounted on the walls of the ribs connecting parts articulated by fasteners with the walls of the spar, and connecting plates, which are adjacent to each other compartments with possible With the help of mutual displacement, the dismemberment of the blade into compartments is performed in such a way that at least in the most loaded compartments only two ribs are connected to the spar by means of connecting and fastening parts, while the connecting profiles in them are disconnected from the side member shelves, and connecting parts and connecting parts along other ribs the profiles are made and mounted in such a way that between them and the side member along the walls and shelves a gap is formed by the amount of deflection of the side member, and in the area of the connecting parts and the connector GOVERNMENTAL profiles on the longitudinal member mounted protective lining.

Отличительными признаками предлагаемой лопасти является то, что расчленение лопасти на отсеки выполнено таким образом, что хотя бы в наиболее нагруженных отсеках только две нервюры посредством соединительных и крепежных деталей сочленены с лонжероном, при этом соединительные профили в них разобщены с полками лонжерона, а по другим нервюрам соединительные детали и соединительные профили выполнены и смонтированы таким образом, что между ними и лонжероном по стенкам и полкам образован зазор на величину прогибов лонжерона, причем в зоне соединительных деталей и профилей на лонжероне установлены защитные накладки.Distinctive features of the proposed blade is that the dismemberment of the blade into compartments is performed in such a way that at least in the most loaded compartments only two ribs are connected to the spar by means of connecting and fastening parts, while the connecting profiles in them are disconnected from the spar shelves, and along other ribs the connecting parts and connecting profiles are made and mounted in such a way that between them and the spar along the walls and shelves a gap is formed by the amount of deflection of the spar, and in the zone with The connecting parts and profiles on the side member are fitted with protective pads.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат - существенно увеличивается ресурс лопасти и предотвращается уменьшение аэродинамической эффективности лопасти в течение рабочего ресурса.Due to the presence of these distinctive features in conjunction with the known (indicated in the restrictive part of the formula), the following technical result is achieved - the blade resource is significantly increased and the aerodynamic efficiency of the blade is prevented from decreasing during the working resource.

Предложенное техническое решение может найти применение в конструкциях ветроколес преимущественно мощных ВЭУ (50 кВт/час и более). Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию охраноспособности «промышленно применимо».The proposed technical solution can find application in the design of wind turbines of predominantly powerful wind turbines (50 kW / h or more). Thus, the proposed technical solution meets the eligibility criterion of "industrially applicable".

Изобретение поясняется чертежами фиг.1…9.The invention is illustrated by drawings of figure 1 ... 9.

На фиг.1 изображен вид лопасти в плане, на фиг.2…9 - детали отсеков и их сочленение между собой и с лонжероном.Figure 1 shows the view of the blade in plan, figure 2 ... 9 - details of the compartments and their articulation between themselves and with the spar.

Представленная лопасть содержит основной силовой элемент - лонжерон 1, выполненный с занижением от контура лопасти, отсеки 2, которые имеют в своем составе обшивки 3 (фиг.2), две внутренние 4 (фиг.1) и две наружные 5 нервюры, состоящие из носовых и хвостовых частей, соединенных между собой соединительными профилями, установленными между обшивками 3 (фиг.2) и полками лонжерона 1 и выполненными соответственно из стальных диафрагм 6 и 7 (фиг.6), скрепленных с установленными на стенках нервюр 4 и 5 соединительными деталями 8 (фиг.2) и 9 (фиг.6), и алюминиевых профилей 10 (фиг.2) и 11 (фиг.6), скрепленных с обшивками 3 и соответственно с диафрагмами 6 и 7. Соединительные детали 8 двух внутренних нервюр 4 закреплены на стенках лонжерона 1 с помощью крепежных деталей 12 (фиг.2). На стенках и полках лонжерона 1 в зонах установки диафрагм 6 и 7 смонтированы на клею и компенсирующем технологические неточности слое стеклоткани 13 (фиг.4, 8, 9) защитные накладки 14. Зазоры 15 между отсеками 2 закрыты соединительными накладками 16 (фиг.7), которыми сочленены между собой соседние отсеки 2, с возможностью взаимного перемещения. Накладки 16 могут быть выполнены, например, гибкими из тонкой (0,2 мм) закаленной стали и прикреплены к одной из соседних нервюр 5 (фиг.7) или изготовлены из эластичного материала (ткани, пленки - на чертежах не показаны). Стальные диафрагмы 6 установлены с небольшим зазором 17 (фиг.4) над полками лонжерона 1, соединительные детали 9 двух наружных нервюр 5 и диафрагмы 7 выполнены и смонтированы в отсеках так, что между ними и лонжероном по стенкам и полкам образованы зазоры 18 (фиг.8) и 19 (фиг.9), равные деформациям лонжерона в этих местах при эксплуатационных нагрузках на лопасть. Защитные 14 (фиг.4, 8, 9) и соединительные 16 накладки покрыты со стороны соединительных деталей 8, 9 и диафрагм 6, 7 твердым покрытием 20 (фиг.4, 7, 8, 9) с малым коэффициентом трения. В качестве твердого покрытия 20 можно использовать покрытие ВАП-2 или ВАП-3 (антифрикционное твердое покрытие на основе двухсернистого молибдена).The presented blade contains the main power element - the spar 1, made with understatement from the contour of the blade, compartments 2, which are composed of casing 3 (figure 2), two internal 4 (figure 1) and two external 5 ribs, consisting of nasal and tail parts, interconnected by connecting profiles installed between the casing 3 (figure 2) and the flanges of the spar 1 and made respectively of steel diaphragms 6 and 7 (6), fastened to the connecting parts 8 mounted on the walls of the ribs 4 and 5 (figure 2) and 9 (figure 6), and aluminum ol Fillet 10 (Figure 2) and 11 (6), bonded to the skins 3 and respectively with diaphragms 6 and 7. The connecting part 8 two inner ribs 4 are fixed to the walls of the side member 1 by fasteners 12 (Figure 2). On the walls and shelves of the spar 1 in the areas of installation of the diaphragms 6 and 7 are mounted on the adhesive and compensating for technological inaccuracies, the fiberglass layer 13 (4, 8, 9) protective pads 14. The gaps 15 between the compartments 2 are closed by connecting pads 16 (7) which articulated adjacent compartments 2, with the possibility of mutual movement. Pads 16 can be made, for example, flexible of thin (0.2 mm) hardened steel and attached to one of the adjacent ribs 5 (Fig.7) or made of elastic material (fabric, film - not shown in the drawings). Steel diaphragms 6 are installed with a small gap 17 (Fig. 4) over the shelves of the spar 1, the connecting parts 9 of two external ribs 5 and the diaphragm 7 are made and mounted in compartments so that gaps 18 are formed between them and the spar along the walls and shelves (Fig. 8) and 19 (Fig. 9), equal to the deformations of the spar in these places under operational loads on the blade. Protective 14 (Fig. 4, 8, 9) and connecting plates 16 are coated on the side of the connecting parts 8, 9 and diaphragms 6, 7 with a hard coating 20 (Figs. 4, 7, 8, 9) with a low coefficient of friction. As a hard coating 20, a VAP-2 or VAP-3 coating (antifriction hard coating based on two-sulfur molybdenum) can be used.

Описанное устройство работает следующим образом. Действующие на отсеки лопасти аэродинамическая нагрузка и центробежные силы через обшивку 3, нервюры 4, профили 10, диафрагмы 6, соединительные 8 и крепежные 12 детали передаются на лонжерон 1, трансформируясь в момент, вращающий ветроколесо. Под действием нагрузок лонжерон 1 изгибается, зазор 15 и накладки 16 позволяют соседним отсекам 2 беспрепятственно перемещаться относительно друг друга по размаху, зазор 17 освобождает полки лонжерона 1 от упора в них диафрагм 6 при сборке лопасти и деформациях сопрягаемых деталей при работе лопасти под нагрузкой, зазоры 18 и 19 освобождают полки и стенки лонжерона 1 от упора в них диафрагм 7 и соединительных деталей 9 при изгибе лонжерона от эксплуатационных нагрузок, а при действии на лопасть случайных нерасчетных нагрузок диафрагмы 7 и соединительные детали 9, выбирая зазоры 18 и 19, взаимодействуют с лонжероном 1 через защитные накладки 14 с нанесенным на них покрытием 20. При закреплении хотя бы в наиболее нагруженных отсеках 2 лопасти ветроколеса на лонжероне 1 только по двум нервюрам 4 через диафрагмы 6, соединительные 8 и крепежные 12 детали, а также при наличии зазоров 15, 17, 18 и 19 между элементами отсеков 2 и лонжерона 1 в остальных местах отсеки 2 не участвуют в изгибе лонжерона 1, а только передают на лонжерон действующие на них аэродинамические и центробежные силы, что существенно уменьшает напряжение в обшивках 3, в сопрягаемых с ними соединительных 8, 9 и крепежных 12 деталях, исключает нарушения поверхности лонжерона 1 при расчетных режимах работы лопасти, а защитные накладки 14, установленные на клею, не ослабляя сечения лонжерона 1, предохраняют его на возможных нерасчетных режимах, что в сумме существенно повышает ресурс работы лопасти ветроколеса. Вследствие разгрузки отсеков 2 от изгибных напряжений предотвращается деформация обшивок 3 при изгибе лонжерона 1, что обеспечивает сохранение аэродинамической эффективности лопасти в течение рабочего ресурса, а также появилась возможность использования гибких или эластичных накладок 16, что существенно уменьшает износ соединительных элементов отсеков 2 при их деформациях и взаимных перемещениях, сохраняет герметизацию в местах стыка отсеков 2, тем самым повышается ресурс работы лопасти, ее эффективность. Проведенная на предприятии серия расчетов конструкций лопасти методом «конечных элементов» показала, что в предложенной конструкции лопасти оптимальным количеством является четыре нервюры 4 и 5 в наиболее нагруженных отсеках 2, из которых скреплены с лонжероном 1 две внутренние нервюры 4, приемлем также вариант с пятью нервюрами 4 и 5, из которых скрепленными с лонжероном 1 должны быть нервюры 4 вторые от обрезов обшивки 3 отсеков 2, при этом напряжения в обшивках по сравнению с известной конструкцией лопасти уменьшились ~ в 5 раз, напряжения в соединительных элементах ~ в 4 раза, а в местах крепления соединительных деталей с лонжероном ~ в 2,5 раза.The described device operates as follows. The aerodynamic load and centrifugal forces acting on the blade compartments through the casing 3, ribs 4, profiles 10, diaphragms 6, connecting 8 and fasteners 12 are transferred to the spar 1, transforming into a moment that rotates the wind wheel. Under the action of the loads, the spar 1 bends, the gap 15 and the linings 16 allow adjacent compartments 2 to freely move relative to each other in span, the gap 17 releases the flanges of the spar 1 from the stop of the diaphragms 6 during assembly of the blade and deformation of the mating parts when the blade is under load, gaps 18 and 19 release the flanges and walls of the spar 1 from the stop of the diaphragms 7 and the connecting parts 9 when bending the spar from operational loads, and when the blade acts on random off-balance loads of the diaphragm 7 and connect the parts 9, choosing the gaps 18 and 19, interact with the spar 1 through the protective pads 14 with a coating of 20. When securing at least in the most loaded compartments 2, the wind wheel blades on the spar 1 only along two ribs 4 through the diaphragm 6, connecting 8 and fasteners 12, as well as in the presence of gaps 15, 17, 18 and 19 between the elements of compartments 2 and spar 1 in other places, compartments 2 do not participate in the bend of spar 1, but only transmit aerodynamic and centrifugal forces acting on them, which substantially mind It reduces the voltage in the casing 3, in the connecting parts 8, 9 and fasteners 12 mating with them, eliminates damage to the surface of the spar 1 during the design modes of operation of the blade, and the protective pads 14 mounted on the adhesive, without weakening the cross-section of the spar 1, protect it from possible non-calculated modes, which in total significantly increases the life of the blade of the wind wheel. Due to the unloading of the compartments 2 from bending stresses, the deformation of the casing 3 during bending of the spar 1 is prevented, which ensures the aerodynamic efficiency of the blades during the working life, and it is also possible to use flexible or elastic pads 16, which significantly reduces the wear of the connecting elements of the compartments 2 during their deformations and mutual displacement, maintains sealing at the junction of compartments 2, thereby increasing the service life of the blade, its efficiency. A series of calculations of the blade structures by the “finite element” method carried out at the enterprise showed that in the proposed blade design the optimal number is four ribs 4 and 5 in the most loaded compartments 2, of which two internal ribs 4 are fastened to the spar 1, and a variant with five ribs is also acceptable 4 and 5, of which ribs 4 should be attached to the spar 1, the second ribs from the trimmings of the trim 3 compartments 2, while the stresses in the skin compared to the known blade design decreased ~ 5 times, the stresses in connecting elements ~ 4 times, and in the places of fastening of connecting parts with a spar ~ 2.5 times.

Claims

The blade of a wind wheel containing a tubular spar made with understatement from the contour of the blade, compartments into which the blade is divided by the span, including sheathing, ribs, incorporating connecting profiles between the sheathing and shelves of the spar and connecting parts attached to them mounted on the walls of the ribs , articulated by fasteners with the walls of the spar, and connecting plates, which are interconnected adjacent compartments with the possibility of mutual movement, characterized in that the blade is divided into compartments in such a way that at least in the most loaded compartments only two ribs are connected to the side member by means of connecting and fastening parts, while the connecting profiles are disconnected from the side member shelves, and the connecting parts and connecting profiles are made and mounted on other ribs so that between them and the spar on the walls and shelves a gap is formed by the amount of deflection of the spar, and in the area of the connecting parts and connecting profiles on the spar Oval protective covers.