UA54702A

UA54702A - Windmill blade

Info

Publication number: UA54702A
Application number: UA2002010438A
Authority: UA
Inventors: Володимир Юліанович Воробкевич; Владимир Юлианович Воробкевич; Микола Олександрович Медиковський; Николай Александрович Медиковский; Ігор Ярославович Дедишин; Игорь Ярославович Дедишин; Валерій Миколайович Сиротюк; Валерий Николаевич Сиротюк; Сергій Валерійович Сиротюк; Сергей Валериевич Сиротюк
Original assignee: Володимир Юліанович Воробкевич; Владимир Юлианович Воробкевич; Микола Олександрович Медиковський; Николай Александрович Медиковский; Ігор Ярославович Дедишин; Игорь Ярославович Дедишин; Валерій Миколайович Сиротюк; Валерий Николаевич Сиротюк; Сергій Валерійович Сиротюк; Сергей Валериевич Сиротюк
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-03-17

Abstract

Windmill blade has long element – longeron and transverse elements – ribs, and is covered with metal sheets. Longeron is made as a pipe, flattened with winding with increase of distance from the center of rotation of the blade on which there are four ribs with aerodynamic profiles: two at the sides of the blade, one – at the middle, between those, and one – at the middle between the endmost to the center of rotation of the blade and the middle rib. At that, at those ribs there are fixed three pieces of sheet material folded twice at the front edge of the blade and connected together at the back rib; those form three opened surfaces with prescribed aerodynamic profiles in cross-section.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до вітроенергетики і зокрема до побудови безшумних з великою площею і малим 2 видовженням лопатей вітряка з аеродинамічним профілем в перерізі та необхідними кутами закручування впродовж радіуса з використанням розгортуваних поверхонь.The invention relates to wind energy and, in particular, to the construction of silent wind turbine blades with a large area and small 2 elongation with an aerodynamic profile in cross-section and the necessary twist angles along the radius using deployable surfaces.

Відомі лопаті вітряків, з великим видовженням |1), аеродинамічним профілем в перерізі, виготовлені суцільними з використанням армованих пластичних матеріалів(аналогічні лопатям гелікоптерів). Вони пристосовані до роботи в швидкісних режимах, при яких виникають значні шуми, що робить їх екологічно 70 небезпечними. Вітряки з такими лопатями мають високу вартість, малі пускові моменти, а для їх запуску потрібні додаткові заходи і пристрої.Well-known blades of windmills, with a large elongation |1), an aerodynamic cross-sectional profile, are made solid with the use of reinforced plastic materials (analogous to helicopter blades). They are adapted to work in high-speed modes that generate significant noise, which makes them environmentally 70 dangerous. Wind turbines with such blades have a high cost, small starting moments, and additional measures and devices are required to start them.

Відомі лопаті вітряків, побудовані з використанням дерев'яних брусів з решіткою, обтягненою тканиною або закритою дерев'яними щитами(лопаті сільських вітряків у минулому) (21. Такі лопаті будувались або плоскими або з кутами закручування вздовж радіуса, які не задовольняли вимогам. Вони також мали негладку поверхню та 12 профіль в перерізі, що не відповідав аеродинамічному. Все це приводило до зниження коефіцієнту використання енергії вітру.Windmill blades are known, built using wooden beams with a lattice covered with fabric or covered with wooden shields (blades of village windmills in the past) (21. Such blades were built either flat or with twist angles along the radius that did not meet the requirements. They also had a non-smooth surface and a 12 profile in cross-section that did not correspond to the aerodynamic one.All this led to a decrease in the coefficient of wind energy utilization.

Найближчою за технічною суттю до даного винаходу є лопать вітряка, виконана пустотілою із листового матеріалуддюралюмінію або заліза), що закріплена в металевому каркасі з використанням поздовжніх елементів-лонжеронів та поперечних нервюр |З). Такі лопаті при наявності закручування утворюють нерозгортувані зовнішні поверхні. Це погіршує технологію їх виготовлення через використання багатьох спеціальних штампів для об'ємного згинання окремих частин поверхонь.The closest in terms of technical essence to this invention is a windmill blade, made of a hollow body made of sheet material (duralumin or iron), which is fixed in a metal frame using longitudinal elements-spars and transverse ribs |Z). Such blades, in the presence of twisting, form non-expanded outer surfaces. This worsens the technology of their production due to the use of many special stamps for volumetric bending of individual parts of the surfaces.

В основу винаходу поставлено задачу створення такої лопаті вітряка, в якій нове виконання обшивки з листового металевого матеріалу у вигляді з'єднуваних на нервюрах частин розгортуваних торсових поверхонь дозволить покращити технологічність виготовлення лопаті та знизити її вартість. 29 Поставлена задача вирішується тим, що лопать вітряка, яка містить поздовжній елемент - лонжерон та « поперечні елементи - нервюри і обшита металевими листами, згідно з винаходом лонжерон виконаний у вигляді труби, сплюснутої із закручуванням в міру віддалення від центра обертання лопаті, на якій розміщені чотири нервюри з аеродинамічними профілями: дві по краях лопаті, одна по середині між ними і одна посередині між крайньою до центра обертання лопаті та середньою нервюрою, причому на вказаних нервюрах закріплено три с куски листового матеріалу, які зігнуті вдвоє на передньому краю лопаті і з'єднані разом на задньому ребрі, і ав які утворюють три розгортувані поверхні з зеродинамічними профілями в перерізі.The invention is based on the task of creating such a wind turbine blade, in which a new design of sheet metal cladding in the form of parts of the deployable torso surfaces connected by ribs will improve the manufacturability of the blade and reduce its cost. 29 The task is solved by the fact that the blade of the windmill, which contains a longitudinal element - a spar and "transverse elements - ribs and is sheathed with metal sheets, according to the invention, the spar is made in the form of a tube, flattened and twisted as it moves away from the center of rotation of the blades, on which are placed four ribs with aerodynamic profiles: two on the edges of the blade, one in the middle between them and one in the middle between the outermost to the center of rotation of the blade and the middle rib, and on these ribs are fixed three pieces of sheet material, which are bent in half on the front edge of the blade and with joined together at the rear edge, and which form three deployable surfaces with zero-dynamic cross-sectional profiles.

Конструкція вітряка зображена на фіг.1 - З, показана лопать у трьох проекціях. На цих рисунках зображено в 1-лонжерон-сплюснута труба, 9-обшивка крайньої частини лопаті. «ІThe design of the windmill is shown in Fig. 1 - C, the blade is shown in three projections. These figures show 1-a spar-flattened pipe, 9-sheathing of the extreme part of the blade. "AND

Як бачимо лопать складається із лонжерона 1 у вигляді труби, яка все більш сплюснута з одночасним 3о закручуванням в міру віддалення від центру обертання крила ЦО. На лонжероні 1 прикріплені нервюри 2 - 5 з о аеродинамічним профілем(див. фіг.3), з них нервюра 2 встановлена на зовнішньому краю лопаті, З-посередині між нервюрами 2 і 5 та 4 посередині між нервюрами З і 5.As we can see, the blade consists of spar 1 in the form of a pipe, which is increasingly flattened with a simultaneous 3o twist as it moves away from the center of rotation of the wing of the center of gravity. Ribs 2 - 5 with an aerodynamic profile (see Fig. 3) are attached to spar 1, of which rib 2 is installed on the outer edge of the blade, Z-in the middle between ribs 2 and 5 and 4 in the middle between ribs Z and 5.

Нервюра 2 встановлена на лонжероні 1 під кутом Ф до площини обертання нервюра З - під кутом Ф», 4 - « під кутом Ф»з і 5 - під кутом Фі. до площини обертання ПО(див, фіг.3). Нервюри виконані з металевої смуги З зігненої згідно з агеродинамічним профілем і з'єднані між собою на задньому краю лопаті в точках А, В, С, 0. с Ці смуги охоплюють лонжерон 1(сплюснуту трубу) з двох сторін і прикріплені до нього на середині нервюри, яка з» для жорсткості може бути армована між двома частинами смуги за допомогою профільованого листа металу або за допомогою стержнів, які утворюють ферму(див. для прикладу нервюру 5). До нервюр 2 і З прикріплено кусок 6 металевого листового матеріалу(наприклад покрівельного заліза), який зігнутий вдвоє на передньому краю крила і з'єднаний між собою на задньому краю крила шляхом завальцьовування з одночасною пайкою або і-й встановлення заклепок для покращення міцності. Цей кусок листового покрівельного матеріалу прикріплений до «їз» шуги нервюри за допомогою заклепок або приварений через просвердлені отвори. Через те, що нервюри 2 і З встановлені під різними кутами - відповідно Ф. і Фо до площини обертання, то кусок 6 утворить не циліндричну, і а торсову поверхню, перерізи якої перпендикулярні до осі лонжерона мають аеродинамічні профілі, що ав! 20 поступово переходять від профілю нервюри 2 з кутом Фі до площини обертання ПО до профілю нервюри З з кутом Фо до площини обертання(див. фіг.3). Аналогічно утворюються куски обшивки 7 і 8, що закріплені їз відповідно на нервюрах 3, 4 і 4, 5, Вказані куски обшивки б, 7 і 8 можуть лягати на відповідні нервюри впритул або в накладку. В останньому випадку технологічність процесу виготовлення покращується Через відсутність процесу точної підгонки одного куска обшивки до іншого. 29 Доцільність такої побудови лопаті витікає із залежності кута закрутки цієї лопаті вздовж радіуса, що в. виражається формулою |41 вас Зклобною | Щи 60 де К - змінне значення відстані перерізу лопаті від центра обертання;Rib 2 is installed on spar 1 at an angle Ф to the plane of rotation of the rib З - at an angle Ф", 4 - " at an angle Ф»z and 5 - at an angle Ф. to the plane of rotation of the PO (see Fig. 3). The ribs are made of a metal strip Z bent according to the aerodynamic profile and connected to each other at the rear edge of the blade at points A, B, C, 0. These strips cover the spar 1 (flattened pipe) on two sides and are attached to it in the middle ribs, which for rigidity can be reinforced between two parts of the strip with the help of a profiled sheet of metal or with the help of rods that form a truss (see for example rib 5). A piece 6 of metal sheet material (for example, roofing iron) is attached to ribs 2 and C, which is bent in half at the front edge of the wing and connected to each other at the rear edge of the wing by rolling with simultaneous soldering or riveting to improve strength. This piece of sheet roofing material is attached to the "ride" of the ribbing with rivets or welded through drilled holes. Due to the fact that the ribs 2 and Z are installed at different angles - F. and Fo, respectively, to the plane of rotation, the piece 6 will form not a cylindrical, but a torso surface, the sections of which perpendicular to the axis of the spar have aerodynamic profiles that av! 20 gradually transition from the profile of the rib 2 with the angle Fi to the plane of rotation PO to the profile of the rib Z with the angle Fo to the plane of rotation (see Fig. 3). Similarly, pieces of cladding 7 and 8 are formed, which are fixed to the ribs 3, 4 and 4, 5, respectively. The specified pieces of cladding b, 7 and 8 can lie on the corresponding ribs close to each other or in the overlay. In the latter case, the manufacturability of the manufacturing process is improved due to the absence of a process of precise fitting of one piece of cladding to another. 29 The expediency of such a construction of the blade follows from the dependence of the twist angle of this blade along the radius, which in is expressed by the formula |41 vas Zklobna | Shield 60 where K is a variable value of the distance of the blade section from the center of rotation;

К, - радіус кінця лопаті;K, - the radius of the end of the blade;

А - найвигідніший кут атаки, при якому забезпечується максимальна якість;A - the most advantageous angle of attack, at which maximum quality is ensured;

Ф, - кут встановлення кінця лопаті до площини обертання. бо Залежність (1) представлена за допомогою графіка на фіг.4. На цьому графіку по осі абсцис відкладено відношення відстані К від центра обертання ЦО до даної точки на лопаті вздовж лонжерона 1 до довжини лопаті від центра обертання лопаті ЦО до крайньої її точки К,, а по осі ординат значення кута встановлення осі аеродинамічного профілю до площини обертання.Ф, - the angle of setting the end of the blade to the plane of rotation. because Dependency (1) is presented using the graph in Fig. 4. On this graph, the ratio of the distance K from the center of rotation of the ЦО to a given point on the blade along spar 1 to the length of the blade from the center of rotation of the blade ЦО to its extreme point K, is plotted along the abscissa axis, and the value of the angle of installation of the axis of the aerodynamic profile to the plane of rotation is plotted along the ordinate axis .

Як реальний приклад, на фіг.4, показано характеристику 1 для випадку, коли вибрано оптимальний кут атакиAs a real example, Fig. 4 shows characteristic 1 for the case when the optimal angle of attack is selected

А з максимальною якістю профілю лопаті, що дорівнює 5", а кут встановлення краю лопаті Ф я до площини обертання рівний 10".A with the maximum quality of the blade profile, equal to 5", and the angle of installation of the edge of the blade Ф to the plane of rotation is equal to 10".

Наведену криволінійну характеристику можна замінити з допустимою похибкою ж17 на кусково-ламану, що складається з трьох ділянок: перша 2 від зовнішнього краю лопаті до її середини, друга З - від середини 7/0 лопаті до середини внутрішньої половини лопаті і третя 4 - від вказаної точки до внутрішнього краю лопаті, який для прикладу віддалений від центра лопаті на 2095 у відношенні до К,.The given curvilinear characteristic can be replaced with a permissible error of zh17 by a piecewise fracture consisting of three sections: the first 2 from the outer edge of the blade to its middle, the second Z - from the middle of the 7/0 blade to the middle of the inner half of the blade, and the third 4 - from the specified point to the inner edge of the blade, which, for example, is distant from the center of the blade by 2095 in relation to K,.

Таким чином, при побудові обшивки лопаті, що складається із трьох кусків б, 7 і 8 виконуються вимоги відносно аеродинамічних профілів лопаті та необхідних кутів їх встановлення вздовж радіуса лопаті до площини обертання і при цьому забезпечується покращена технологічність виготовлення через застосування /5 розгортуваних поверхонь, які можуть бути виконані із листових матеріалів шляхом простого згинання, без застосування складних штампованих деталей.Thus, when constructing a blade sheath consisting of three pieces b, 7 and 8, the requirements regarding the aerodynamic profiles of the blade and the necessary angles of their installation along the radius of the blade to the plane of rotation are met, and at the same time, improved manufacturability is ensured through the use of /5 deployable surfaces, which can be made from sheet materials by simple bending, without the use of complex stamped parts.

Запропонована лопать вітряка працює наступним чином. Необхідне число лопатей закріплено на горизонтальному валу вітряка, що зв'язаний з генератором енергії таким чином, що зовнішні краї лопатей встановлюються під кутом Ф, до площини обертання утвореного вітроколеса. При дії потоку повітря - вітру спочатку на нерухомі лопаті у напрямку показаному на фіг.2 і З проходить розкладання сили тиску ЕТ на рушійну силу Рр і осьову силу Ро. Починається обертання вітроколеса, а кут атаки лопаті зменшується і досягає оптимального значення 5". Завдяки виконанню обшивки лопаті із трьох кусків листового матеріалу 6, 7 і 8 забезпечується кусково-лінійна залежність кутів встановлення осей аеродинамічних профілів лопатей до площини обертання з точністю ж17, що приводить до незначного зниження якості лопаті(близько 390) і до дб Мінімального зменшення коефіцієнту використання енергії вітру(близько 295) порівняно з максимально можливим його значенням при повній зміні кутів встановлення профілів лопаті до площини обертання. При цьому значно « зменшується вартість виготовлення лопатей(на 50905) відносно вартості лопатей, виготовлених із штампованих листових матеріалів.The proposed windmill blade works as follows. The necessary number of blades is fixed on the horizontal shaft of the windmill, which is connected to the energy generator in such a way that the outer edges of the blades are set at an angle Ф, to the plane of rotation of the formed windmill. When the flow of air - wind first affects the fixed blades in the direction shown in Fig. 2 and 3, the pressure force ET is decomposed into the driving force Пр and the axial force Ро. The rotation of the wind wheel begins, and the angle of attack of the blade decreases and reaches the optimal value of 5". Due to the execution of the sheathing of the blade from three pieces of sheet material 6, 7 and 8, a piecewise linear dependence of the angles of installation of the axes of the aerodynamic profiles of the blades to the plane of rotation is ensured with an accuracy of 17, which leads to to a slight decrease in the quality of the blade (about 390) and to a minimal reduction in the coefficient of wind energy use (about 295) compared to its maximum possible value with a complete change of the angles of the blade profiles to the plane of rotation. At the same time, the cost of manufacturing blades is significantly reduced (by 50905 ) relative to the cost of blades made from stamped sheet materials.

Список літератури с зо 1. Шефтер Я. И. Использование знергии ветра. - М.: Знергоатомиздат, 1983. - С. 100 - 107. 2. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М: ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ, 1948. - С. 456 - 473. оList of references 1. Shefter Ya. I. Use of wind energy. - M.: Znergoatomizdat, 1983. - P. 100 - 107. 2. Fateev E. M. Wind engines and wind turbines. - M: OGIZ-SELKHOZGIZ, 1948. - P. 456 - 473. o

З. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ, 1948. - С. 176. М 4. Воробкевич В. Сиротюк С. Оптимізація параметрів крила вітродвигуна. // Тези міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої пам'яті професора Євгена Храпливого "Теорія і практика розвитку « зв агропромислового комплексу" 28 - 30 вересня 1999р. - Львів, 1999. - С. 114 - 116. юZ. Fateev E. M. Wind turbines and wind turbines. - M.: OGIZ-SELKHOZGIZ, 1948. - P. 176. M 4. Vorobkevich V. Syrotyuk S. Optimization of wind turbine wing parameters. // Abstracts of the international scientific and practical conference dedicated to the memory of Professor Yevhen Khraplyvy "Theory and practice of the development of the agro-industrial complex" September 28-30, 1999. - Lviv, 1999. - P. 114 - 116

Claims

The formula of the invention "Windmill blade, which contains a longitudinal element - spar and transverse elements - ribs, and is sheathed with metal sheets, which is distinguished by the fact that the spar is made in the form of a tube, flattened with twisting as it moves away from the center of rotation of the blades, on which are placed four ribs with "z" aerodynamic profiles: two on the edges of the blade, one in the middle between them and one in the middle between the outermost to the center of rotation of the blade and the middle rib, and on the indicated ribs are fixed three pieces of Sheet material, which are bent in half on the front edge of the blade and with connected together on the rear edge, and which form three unfolding surfaces with aerodynamic profiles in cross-section. sh» -I at 50 Ko)

R 60 b5