RU2752748C1

RU2752748C1 - Propeller blade of horizontal-type wind generator

Info

Publication number: RU2752748C1
Application number: RU2020128386A
Authority: RU
Inventors: Владимир Георгиевич Болотов
Original assignee: Гершевицкая Ирина Степановна; Храмов Александр Владимирович
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2021-08-02

Abstract

FIELD: power generation.

SUBSTANCE: invention relates to wind power units. The technical result is achieved by using a propeller blade of a horizontal-type wind generator, with two detachable plates, wherein each of said plates is made of a mechanically strong material. The front plate is made with perforation covering 60 to 80% of the surface from the wide edge and the hole density of 2 to 3 per 10 cm², the plates are fixed on a corrugated cylindrical support, wherein a shaped insert made of elastic corrugated material is installed inside, plate fastening rings are installed on the outer surface of the support, a fastening sleeve for installing the blade on the rotor of the wind generator, and a counterweight in the upper part of the support, wherein the plates are interconnected by a removable blade.

EFFECT: increased wind power utilisation coefficient.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к конструкции сборных многослойных лопастей для энергетических установок и может быть использована в конструкциях ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения, предназначенных для обеспечения электроэнергией электросетей бытового и промышленного назначения, потребляющих электроэнергию малой и средней мощности.The invention relates to the design of prefabricated multilayer blades for power plants and can be used in the designs of wind power plants with a horizontal axis of rotation, designed to provide electricity to household and industrial power grids that consume electricity of low and medium power.

Наиболее распространенным типом ветроэнергетической установки является ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью, которая, как правило, оснащена тремя лопастями ротора, причем также возможны ветроэнергетические установки с одной, двумя, четырьмя или большим количеством лопастей ротора.The most common type of wind turbine is a horizontal axis wind turbine, which is usually equipped with three rotor blades, and wind turbines with one, two, four or more rotor blades are also possible.

Подобные ветроэнергетические установки имеют большие конструктивные формы, для того чтобы, с одной стороны была, возможность достигать более высокую номинальную мощность, а с другой стороны делать возможным лучшее использование ветра. Используются лопасти различных геометрических контуров, выполненных в основном из стали или облегченных композитных материалов.Wind turbines of this kind have large design forms in order, on the one hand, to be able to achieve a higher rated power, and on the other hand, to make better use of the wind possible. Blades of various geometrical contours are used, made mainly of steel or lightweight composite materials.

Обычно лопасти винта получают способом формования, в котором волокнистые материалы и/или материалы сердцевины, в частности, бальзовая древесина, укладываются в форму для получения элемента лопасти винта, и туда подается отверждаемая смола, с образованием воспринимающего нагрузку композитного материала. В качестве смолы при получении лопастей винта часто применяются эпоксидные смолы. Они вполне пригодны для формирования основы лопасти винта из волокнистого материала и смолы.Typically, propeller blades are formed by a molding process in which fibrous and / or core materials, in particular balsa wood, are laid into a mold to form a propeller blade element and a curable resin is fed therein to form a load-bearing composite material. Epoxy resins are often used as a resin for making propeller blades. They are quite suitable for forming the base of the propeller blade from fibrous material and resin.

Такие лопасти имеют ряд существенных недостатков. В частности, низкая прочность на докритических и критических параметрах нагрузки; высокая трудоемкость изготовления; низкая эффективность в работе; низкая надежность (коробление поверхности со временем); плохие аэродинамические характеристики.Such blades have a number of significant disadvantages. In particular, low strength at subcritical and critical load parameters; high labor intensity of manufacture; low efficiency in work; low reliability (warpage of the surface over time); poor aerodynamic performance.

Лопасти винтов для ветроэнергетических агрегатов (ВЭА) в своей работе подвергаются воздействию ветрового давления, эрозии, колебаний температуры, УФ-облучения, а также высоких нагрузок атмосферных осадков.Propeller blades for wind power units (WEA) in their work are exposed to wind pressure, erosion, temperature fluctuations, UV radiation, as well as high loads of atmospheric precipitation.

При скоростях на концах лопастей до 300 км/час находящиеся в воздухе песчинки, частицы соли, насекомые, дождевые капли или другие взвешенные частицы проявляют абразивное действие. Особенно сильное воздействие этого испытывает поверхность лопастей винта в области передней кромки, и в этих местах это приводит к износу поверхности винта и тем самым к потере аэродинамических характеристик и стабильности. Чтобы сократить эрозию концов лопастей и связанных с этим затрат на техническое обслуживание и ремонт, можно ограничивать максимальное число оборотов установки, что, конечно, приводит к снижению мощности. Поэтому целесообразнее повышать эрозионную стойкость лопастей винта и снижать затраты на их ремонт за счет удобной конструкции лопастей.At blade tip speeds of up to 300 km / h, grains of sand, salt particles, insects, raindrops or other suspended particles in the air are abrasive. The surface of the propeller blades in the area of the leading edge is particularly affected by this, and in these places it leads to wear of the surface of the propeller and thus to the loss of aerodynamic characteristics and stability. In order to reduce the erosion of the blade tips and the associated maintenance and repair costs, it is possible to limit the maximum number of revolutions of the installation, which, of course, leads to a decrease in power. Therefore, it is more expedient to increase the erosion resistance of the propeller blades and reduce the cost of their repair due to the convenient design of the blades.

В результате проведенного патентного поиска отобраны следующие патенты.As a result of the conducted patent search, the following patents were selected.

Известно для защиты лопастей винта от воздействия погодных условий и, в особенности, от эрозии использование поверхностного слоя из гелевого материала (гелькоута) (пат. DE 10344379) или наклеивание на лопасть винта полиуретановой пленки. Недостатком такой лопасти является то, что при способе ее изготовления нужно выдерживать минимальную продолжительность обработки до того, как гелькоут-смесь прореагирует настолько, что может покрыть волокнистый материал.It is known to use a surface layer of a gel material (gelcoat) (US Pat. No. DE 10344379) or to stick a polyurethane film on the propeller blade to protect the propeller blades from weather conditions and, in particular, from erosion. The disadvantage of such a blade is that in the method of its manufacture, it is necessary to maintain a minimum processing time before the gelcoat mixture has reacted so much that it can cover the fibrous material.

Известен композитный элемент (US 2009/0208721 А1), который состоит из трех слоев: первый слой из дуропласта. Второй и третий слои из термопласта. Слой из дуропласта и второй (средний) слой из термопласта снабжены волокнами.Known composite element (US 2009/0208721 A1), which consists of three layers: the first layer of duroplastic. The second and third layers are thermoplastic. The duroplastic layer and the second (middle) thermoplastic layer are provided with fibers.

Известен ветрогенератор с горизонтальной осью вращения, включающей ротор, ветроколесо, статор и установленную лопасть, имеющую выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращенный своей выпуклой частью наружу (от оси вращения ветроколеса). Лопасти могут быть выполнены из алюминия, стекловолокна, стеклотекстолита, текстолита, стеклопластика, эпоксидной смолы или комбинации, по меньшей мере, двух приведенных материалов (пат. Украины №110606).Known wind generator with a horizontal axis of rotation, including a rotor, a wind wheel, a stator and an installed blade having a convex-concave aerodynamic profile, its convex part facing outward (from the axis of rotation of the wind wheel). The blades can be made of aluminum, fiberglass, fiberglass, textolite, fiberglass, epoxy resin, or a combination of at least two of the above materials (Pat. Ukraine No. 110606).

Основным недостатком данного технического решения является недостаточная эффективность использования энергии набегающего воздушного потока.The main disadvantage of this technical solution is the insufficient efficiency of using the energy of the incoming air flow.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности, является лопасть ветроколеса (ПМ РФ №147728), имеющая симметричный профиль, отличающаяся тем, что ее противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения, причем поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем значение коэффициента теплопоглощения слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти, при этом поверхности лопасти отделены друг от друга термоэкраном, выполненным из механически прочного материала, обладающего теплоизоляционными свойствами. Термоэкран может быть выполнен, например, из пеностекла.The closest to the claimed invention in terms of technical essence is a wind wheel blade (RF PM No. 147728), which has a symmetrical profile, characterized in that its opposite surfaces are covered with layers of materials having different values of the heat absorption coefficient, and the surface on which the lifting force acts is covered a layer of material with a greater value of the heat absorption coefficient than the value of the heat absorption coefficient of the layer of material covering the opposite surface of the blade, while the surfaces of the blade are separated from each other by a thermal shield made of a mechanically strong material with thermal insulation properties. The thermal shield can be made of foam glass, for example.

Недостатками лопасти являются недостаточно высокое значение коэффициента подъемной силы, действующей на лопасть ветроколеса, имеющей симметричный профиль, низкий коэффициент использования энергии ветра, трудность замены вышедшей из строя лопасти.The disadvantages of the blade are the insufficiently high value of the coefficient of lift acting on the blade of the wind wheel, which has a symmetrical profile, low coefficient of use of wind energy, the difficulty of replacing a failed blade.

Задачей предлагаемого технического решения является создание сборной лопасти винта с высокой износостойкостью и устойчивостью к истиранию, и одновременно иметь высокую долговечность, что позволяющего повысить эффективность преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения и снизить затраты на эксплуатацию ветрогенератора.The objective of the proposed technical solution is to create a prefabricated propeller blade with high wear resistance and abrasion resistance, and at the same time have high durability, which makes it possible to increase the efficiency of converting the kinetic energy of the wind into mechanical energy of rotation and reduce the cost of operating the wind generator.

Технический результат предлагаемого технического решения - повышение коэффициента использования энергии ветра, увеличение продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока, при необходимости возможность замены лопасти как целиком так и послойно. Предлагаемое лопасть позволяет снизить динамическую нагрузку на ротор ВЭУ и его элементы, уменьшить вследствие этого материалоемкость конструкции, расширить диапазон рабочих скоростей и направлений ветра, а также обеспечить для каждой лопасти режим обтекания с наименьшей динамической нагрузкой.The technical result of the proposed technical solution is an increase in the utilization rate of wind energy, an increase in the longitudinal component of the speed of the incoming air flow, if necessary, the possibility of replacing the blade as a whole or layer by layer. The proposed blade makes it possible to reduce the dynamic load on the wind turbine rotor and its elements, thereby reduce the material consumption of the structure, expand the range of operating speeds and wind directions, and also provide for each blade a flow mode with the lowest dynamic load.

Технический результат достигается за счет использования лопасти винта ветрогенератора горизонтального типа, имеющей две разъемные пластины, каждая из которых выполнена из механически прочного материала, при этом передняя пластина выполнена с перфорацией, занимающей 60-80% поверхности от широкого края и плотностью отверстий 2-3 на 10 см², пластины закреплены на рифленой цилиндрической опоре, внутри которой установлена фигурная вкладка из эластичного гофрированного материала, на внешней поверхности опоры установлены кольца крепления для пластин, крепежные втулки для установки лопасти на роторе ветрогенератора и в верхней части опоры противовес, при этом пластины соединены между собой съемным лезвием.The technical result is achieved through the use of a horizontal-type wind turbine rotor blade, which has two split plates, each of which is made of a mechanically strong material, while the front plate is made with perforations occupying 60-80% of the surface from the wide edge and a hole density of 2-3 per 10 cm ² , the plates are fixed on a corrugated cylindrical support, inside which there is a figured insert made of elastic corrugated material, on the outer surface of the support there are fastening rings for the plates, fastening bushings for installing the blade on the wind generator rotor and in the upper part of the support a counterweight, while the plates are connected with a removable blade.

Предлагаемое техническое решение лопастей поясняется на следующих фигурах.The proposed technical solution of the blades is illustrated in the following figures.

Фиг. 1 - общий вид ветрогенератора горизонтального типа: а) - вид спереди, б) - вид сбоку, где 1 - лопасть, 2 - ротор, 3 - мачта ветрогенератора, 4 - гондола.FIG. 1 - General view of a horizontal type wind generator: a) - front view, b) - side view, where 1 - blade, 2 - rotor, 3 - wind turbine mast, 4 - nacelle.

Фиг. 2 - элементы лопасти: а) общий вид передней пластины, где передняя пластина - 5, перфорация - 6, отверстия для крепления - 7; б) общий вид опоры лопасти и задней пластины, где задняя пластина - 9, лезвие - 8, опора - 10, кольца крепления - 11, крепежная втулка - 12, противовес - 13; в) общий вид кольца крепления 11; г) общий вид крепежной втулки 12.FIG. 2 - blade elements: a) general view of the front plate, where the front plate - 5, perforation - 6, mounting holes - 7; b) general view of the blade support and back plate, where the back plate is 9, the blade is 8, the support is 10, the mounting rings are 11, the mounting sleeve is 12, the counterweight is 13; c) General view of the fastening ring 11; d) General view of the mounting sleeve 12.

Фиг. 3 - опора лопасти, где внешняя рифленая поверхность опоры - 14, фигурная вкладка - 15.FIG. 3 - blade support, where the outer corrugated surface of the support is 14, the figured insert is 15.

Фиг. 4 - общий вид лопасти с указанием угловой ловушки - 16.FIG. 4 is a general view of the blade with an indication of the angular trap - 16.

Фиг. 5 - разрез лопасти перпендикулярно оси.FIG. 5 - section of the blade perpendicular to the axis.

Предлагаемые лопасти лишены всех вышеперечисленных выше недостатков. Лопасти имеют конструкцию, которая намного эффективнее существующих аналогов. Причина заключается в особой конструкции рабочих поверхностей, соединенных между собой под различными углами.The proposed blades are devoid of all of the above disadvantages. The blades have a design that is much more efficient than existing counterparts. The reason lies in the special design of the working surfaces, interconnected at different angles.

Поток ветра, проходя через фазированные отверстия в передней пластине (5) попадает на отражающие элементы на задней пластине (9) и частично отражаются от поверхности задней пластины, частично от угла между пластинами, создавая дополнительную реактивную силу.The wind flow passing through the phased holes in the front plate (5) hits the reflective elements on the back plate (9) and is partially reflected from the surface of the back plate, partly from the angle between the plates, creating additional reactive force.

Передняя пластина (5) выполнена с перфорацией, занимающей 60-80% поверхности от широкого края и плотностью 2-3 отверстия на 10 см². Через пустоты переднего слоя (5) ветровые потоки могут проходить, отдав примерно 40-50% своей энергии на кинематику и давление на поверхность лопасти. Причем, отверстия первого слоя выполнены таким образом, что захватывают эффективно энергию ветровых потоков с любого направления прихода ветрового потока - от 3 градусов до 85 градусов угла падения на поверхность. Задняя пластина (9) забирает половину от пришедшего на него ветрового потока после барьера передней пластины (5). Причем, часть сигнала попадает в угловую ловушку (16) между передней и задней пластинами в нижней части лопасти и после удара инвертируется по фазе, создавая дополнительную тягу реактивного типа между передней и задней пластинами.The front plate (5) is made with perforations, occupying 60-80% of the surface from the wide edge and with a density of 2-3 holes per 10 cm ² . Wind flows can pass through the voids of the front layer (5), giving about 40-50% of their energy to the kinematics and pressure on the blade surface. Moreover, the holes of the first layer are made in such a way that they effectively capture the energy of wind flows from any direction of arrival of the wind flow - from 3 degrees to 85 degrees of the angle of incidence on the surface. The back plate (9) takes up half of the wind flow that has come to it after the barrier of the front plate (5). Moreover, part of the signal falls into an angular trap (16) between the front and rear plates in the lower part of the blade and, after impact, is inverted in phase, creating an additional reactive thrust between the front and rear plates.

Титановая накладка в виде острого лезвия (8), которое рассекает воздушный поток в верном направлении. Это лезвие является съемным и помимо аэродинамической функции выполняет защитную, предохраняя от воздействия пылевых агрессивных частиц основные поверхности лопасти.A titanium blade shaped like a sharp blade (8) that cuts the air flow in the right direction. This blade is removable and, in addition to the aerodynamic function, performs a protective one, protecting the main surfaces of the blade from the impact of aggressive dust particles.

Предложенная конструкция опоры лопасти (10) в виде рифленого цилиндра, внутри которого установлена фигурная вкладка из эластичного гофрированного материала, усиливает ее в несколько раз. Таким образом, лопасти отличаются высокой механической и термической устойчивостью при незначительном удельном весе, и поэтому очень хорошо пригодны для формирования основы лопастей винтов.The proposed design of the blade support (10) in the form of a corrugated cylinder, inside which a figured insert made of elastic corrugated material is installed, strengthens it several times. Thus, the blades are characterized by high mechanical and thermal stability with low specific gravity, and therefore are very well suited for forming the base of propeller blades.

Предлагаемые лопасти являются заменяемыми как целиком, так и ее элементами. Сломанная лопасть и лопасть отслужившая свой срок выбрасывается.The offered blades are replaceable both as a whole and in its elements. A broken blade and a blade that has served its time is thrown away.

Лопасти просты в изготовлении, что делает ее более конкурентной в отношении стоимости на рынке.The blades are easy to manufacture, making it more cost competitive in the market.

Лопасти для ветрогенераторов выполнены из противоударного морозостойкого полимера или материалов, имеющих сходные характеристики по прочности и стойкости к широкому диапазону температур. Основа лопасти имеет телескопическое строение.The blades for wind turbines are made of shock-resistant frost-resistant polymer or materials that have similar characteristics in terms of strength and resistance to a wide range of temperatures. The blade base has a telescopic structure.

Технология изготовления позволяет снизить себестоимость производства и повысить прочностные характеристики в несколько раз.Manufacturing technology allows you to reduce the cost of production and increase the strength characteristics several times.

Детали лопасти изготавливаются несколькими методами: литьем в пресс-формы на ТПА, вакуумным формованием и фрезерованием. Пластины лопасти (5 и 9) крепятся к опоре (10) с помощью крепежного кольца (11). На переднюю пластину (5) и заднюю пластину (9) крепится лезвие (8), соединяя, таким образом, все элементы лопасти. На опоре (10) могут также устанавливаться некоторые конструктивные элементы, например, сигнальные маячки и противообледенительные нагревательные элементы.Blade parts are manufactured by several methods: injection molding on injection molding machines, vacuum forming and milling. The vane plates (5 and 9) are attached to the support (10) with a retaining ring (11). A blade (8) is attached to the front plate (5) and the back plate (9), thus connecting all the elements of the blade. Some structural elements can also be mounted on the support (10), for example, signal beacons and anti-icing heating elements.

Предпочтительно, чтобы пластины в сборке независимо друг от друга, имели толщину от 1 до 5 мм.It is preferred that the plates in the assembly, independently of one another, have a thickness of 1 to 5 mm.

Были испытаны две лопасти с габаритами 671 × 98 см и с толщиной пластин 2 мм. Одна передняя пластина лопасти с перфораций, занимающей 60% поверхности от широкого края и плотностью отверстий 2 на 10 см². Другая передняя пластина, занимающей 80% поверхности от широкого края и плотностью отверстий 3 на 10 см².Were tested two blades with dimensions of 671 × 98 cm and with a plate thickness of 2 mm. One front plate of a blade with perforations covering 60% of the surface from the wide edge and a hole density of 2 by 10 cm ² . Another front plate, occupying 80% of the surface from the wide edge and a hole density of 3 by 10 cm ² .

Собственными исследованиями было показано, что предлагаемая конструкция лопасти имеет очень хорошее соотношение между характеристиками устойчивости к износу и истиранию и весом композитных материалов. При тестировании лопастей было подтверждено, что предлагаемая конструкция имеет преимущества по мощности (увеличенная площадь взаимодействия) по сравнению с обычными лопастями на 25-30%, в том числе и на малых оборотах.Our own research has shown that the proposed blade design has a very good balance between the characteristics of resistance to wear and abrasion and the weight of composite materials. When testing the blades, it was confirmed that the proposed design has advantages in power (increased interaction area) in comparison with conventional blades by 25-30%, including at low speeds.

Claims

A horizontal-type wind turbine propeller blade having two split plates, each of which is made of a mechanically strong material, while the front plate is made with perforations occupying 60-80% of the surface from the wide edge, and a hole density of 2-3 per 10 cm ² , plates fixed on a corrugated cylindrical support, inside of which there is a figured insert made of elastic corrugated material, on the outer surface of the support there are plate fastening rings, a fastening sleeve for installing the blade on the wind generator rotor and in the upper part of the support a counterweight, while the plates are interconnected by a removable blade.