Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рис.1: Ветряк Дарье, который когда-то использовался для выработки электроэнергии на островах Магдалины.

Ротор Дарье представляет собой тип вертикальной оси ветровой турбины (VAWT) используется для выработки электроэнергии от энергии ветра . Турбина состоит из множества изогнутых аэродинамических лопастей , установленных на вращающийся валу или каркасе. Кривизна лопастей позволяет лезвие следует подчеркнуть только в напряжении при высоких скоростях вращения. Есть несколько тесно связанных ветряных турбин, в которых используются прямые лопасти. Эта конструкция турбины была запатентована Жоржем Жаном Мари Дарье , французским авиационным инженером.; Подача заявки на патент была подана 1 октября 1926 г. Существуют большие трудности с защитой турбины Дарье от экстремальных ветровых условий и с ее самозапуском.

Метод работы [ править ]

Рис.2: Очень большая ветряная турбина Дарье на полуострове Гаспе , Квебек , Канада
Комбинированный генератор Дарье- Савониуса, используемый на Тайване
Как работает ветряная турбина Дарье

В оригинальных версиях конструкции Дарье крылья расположены симметрично и имеют нулевой угол крепления , то есть угол, на который крылья установлены относительно конструкции, на которой они установлены. Такое расположение одинаково эффективно независимо от того, в каком направлении дует ветер - в отличие от традиционного типа, который должен быть повернут лицом против ветра.

Когда ротор Дарье вращается, крылья движутся вперед по воздуху по круговой траектории. По отношению к лопасти этот встречный воздушный поток векторно добавляется к ветру, так что результирующий воздушный поток создает изменяющийся небольшой положительный угол атаки лопасти. Это создает результирующую силу, направленную наклонно вперед по определенной «линии действия». Эта сила может проецироваться внутрь за ось турбины на определенное расстояние, создавая положительный крутящий момент на валу, тем самым помогая ему вращаться в том направлении, в котором он уже движется. Аэродинамические принципы, которые вращают ротор, эквивалентны принципам в автожирах , и нормальные вертолеты в авторотации.

По мере того как крыло движется вокруг задней части устройства, угол атаки меняется на противоположный, но создаваемая сила по-прежнему наклонена в направлении вращения, поскольку крылья симметричны, а угол такелажа равен нулю. Ротор вращается со скоростью, не связанной со скоростью ветра, и обычно во много раз быстрее. Энергия, возникающая из крутящего момента и скорости, может быть извлечена и преобразована в полезную мощность с помощью электрического генератора .

Аэронавигационные термины « подъемная сила» и « лобовое сопротивление» , строго говоря, представляют собой силы, действующие поперек и вдоль приближающегося чистого относительного воздушного потока соответственно, поэтому здесь они не используются. Нам действительно нужно знать тангенциальную силу, тянущую лезвие, и радиальную силу, действующую на подшипники.

Когда ротор неподвижен, результирующая сила вращения не возникает, даже если скорость ветра становится достаточно высокой - ротор уже должен вращаться для создания крутящего момента. Таким образом, конструкция обычно не запускается автоматически. В редких случаях роторы Дарье могут запускаться самостоятельно, поэтому требуется какой-то тормоз, чтобы удерживать их при остановке.

Одна из проблем конструкции заключается в том, что угол атаки изменяется при вращении турбины, поэтому каждая лопатка создает максимальный крутящий момент в двух точках своего цикла (спереди и сзади турбины). Это приводит к синусоидальному (пульсирующему) циклу мощности, что усложняет конструкцию. В частности, почти все турбины Дарье имеют резонансные режимы , при которых при определенной скорости вращения пульсации происходят на собственной частоте лопастей, что может привести к их (в конечном итоге) поломке. По этой причине большинство турбин Дарье имеют механические тормоза или другие устройства регулирования скорости, чтобы турбина не вращалась на этих скоростях в течение любого длительного периода времени.

Другая проблема возникает из-за того, что большая часть массы вращающегося механизма находится на периферии, а не на ступице, как в случае с пропеллером. Это приводит к очень высоким центробежным нагрузкам на механизм, который должен быть сильнее и тяжелее, чем иначе, чтобы выдержать их. Один из распространенных подходов к минимизации этого - изогнуть крылья в форме « взбивания яиц» (это называется « тропоскеин », производным от греческого слова «форма скрученной веревки»), чтобы они были самонесущими. и не требуют таких тяжелых опор и креплений. Видеть. Рисунок 1.

В этой конфигурации конструкция Дарье теоретически дешевле, чем конструкция обычного типа, поскольку большая часть напряжения приходится на лопатки, которые крутят по отношению к генератору, расположенному в нижней части турбины. Единственные силы, которые необходимо уравновесить по вертикали, - это сжимающая нагрузка из-за изгиба лопастей наружу (таким образом, пытаясь «сжать» башню), и сила ветра, пытающаяся сдувать всю турбину, половина которой передается на дно, а другая половина легко компенсируется растяжками .

В отличие от этого, традиционная конструкция имеет всю силу ветра, пытающегося толкнуть башню наверху, где находится главный подшипник. Кроме того, нелегко использовать растяжку для компенсации этой нагрузки, потому что пропеллер вращается как над, так и под верхом башни. Таким образом, обычная конструкция требует прочной башни, которая резко увеличивается с размером гребного винта. Современные конструкции могут компенсировать большинство нагрузок на башню с переменной скоростью и переменным шагом.

В общем, несмотря на то, что у конструкции Дарье есть некоторые преимущества, недостатков гораздо больше, особенно с более крупными машинами класса MW. В конструкции Дарье используется гораздо более дорогой материал в лезвиях, в то время как большая часть лезвия находится слишком близко к земле, чтобы давать реальную силу. Традиционные конструкции предполагают, что законцовка крыла находится на расстоянии не менее 40 м от земли в самой нижней точке, чтобы максимизировать выработку энергии и срок службы. Пока нет известного материала (даже углеродного волокна ), который мог бы соответствовать требованиям циклической нагрузки. [ необходима цитата ]

Giromills [ править ]

Рис 3: Ветряная турбина типа Giromill
Турбины MUCE установлены на крыше здания Морского совета в Хобарте, Австралия

Патент Дарье 1927 года также охватывал практически любую возможную компоновку с использованием вертикальных профилей. Одним из наиболее распространенных типов являются Н-ротором , [1] [2] [3] также называется Giromill или Н-бар конструкцией, в которой длинный «яйцо колотушки» лопаток общей конструкции Дарьи заменяется прямым вертикальным Лопастные секции прикреплены к центральной башне с помощью горизонтальных опор. Этот дизайн используется компанией MUCE из Шанхая. [4] [5]

Циклотурбины [ править ]

Другой вариант Giromill является Cycloturbine, в котором каждая лопасть установлена ​​так, что может вращаться вокруг своей вертикальной оси. Это позволяет наклонять лопасти так, чтобы у них всегда был угол атаки относительно ветра. Основным преимуществом этой конструкции является то, что создаваемый крутящий момент остается почти постоянным при довольно широком угле, поэтому циклотурбина с тремя или четырьмя лопастями имеет довольно постоянный крутящий момент. В этом диапазоне углов крутящий момент близок к максимально возможному, а это означает, что система также генерирует больше мощности. Циклотурбина также имеет преимущество в том, что она может запускаться самостоятельно, наклоняя лопасти, движущиеся по ветру, по направлению ветра, чтобы создать сопротивление и запустить турбину, вращающуюся на низкой скорости. С другой стороны, механизм наклона лопастей сложный и обычно тяжелый,и нужно добавить какой-то датчик направления ветра, чтобы лопасти правильно двигались.

Винтовые лопасти [ править ]

Воспроизвести медиа
Винтовая турбина Дарье в Хартнелл-колледже .

Лопасти турбины Дарье могут быть скошены по спирали, например, три лопасти и винтовой поворот на 60 градусов. Первоначальным разработчиком винтовой турбины является Ульрих Стампа (патент Германии DE2948060A1, 1979 г.). Аналогичную конструкцию А. Горлов предложил в 1995 г. (Горловские гидротурбины) . Поскольку ветер тянет каждую лопасть как с наветренной, так и с подветренной сторон турбины, эта особенность распределяет крутящий момент равномерно по всему обороту, предотвращая тем самым разрушительные пульсации. Эта конструкция используется марками ветряных турбин Turby , Urban Green Energy , Enessere , Aerotecture и Quiet Revolution .

Турбина с активным подъемом [ править ]

Рис. 5. Турбина с активным подъемом - осевое и нормальное усилие.
Рис. 6: Турбина с активным подъемом - система кривошипа.

Относительная скорость создает силу на лезвии. Эту силу можно разложить на осевую и нормальную (рис. 5). В случае турбины Дарье осевая сила, связанная с радиусом, создает крутящий момент, а нормальная сила создает на плече напряжение попеременно на каждый пол-оборота, напряжение сжатия и напряжение растяжения. При использовании системы кривошипных стержней (рис. 6) принцип активной подъемной турбины заключается в преобразовании этого альтернативного ограничения в дополнительную рекуперацию энергии.

Воспроизвести медиа
преобразование механических напряжений в дополнительную рекуперацию энергии

[6] [7]

Ссылки [ править ]

  1. ^ С. Бруска, Р. Ланцафаме, М. Мессина. «Конструкция ветряной турбины с вертикальной осью: как аспектное отношение влияет на производительность турбины» . 2014 г.
  2. ^ Матс Валь. «Проектирование ветряной турбины с Н-ротором для работы на Южнополярной станции Амундсен-Скотт» . 2007 г.
  3. ^ Изображение H-ротора (страница 22)
  4. ^ "Китай MUCE VAWT" .
  5. ^ «Преодоление барьеров на пути к генерации встроенных возобновляемых источников энергии в Тасмании: Обсуждение Приложения 13 - Питер Фишер, Директор, Комиссия по планированию Тасмании» (PDF) . Goanna Energy Consulting Pty Ltd. 10 сентября 2010 г. с. 195. (Vertical Muce) турбины на здании MarineBoard.
  6. ^ Лекану, Пьер Нормандайк и Бреард, Джоэл и Муаз, Доминик, Упрощенная теория активной подъемной турбины с контролируемым рабочим объемом , 15 апреля 2016 г.
  7. ^ Lecanu, Пьер normandajc и Breard, Джоэл и Mouaze, Доминик, Принцип работы активной подъемной турбины с регулируемым смещением , июль 2018

Внешние ссылки [ править ]

  • Патент США 1,835,018
  • Пресс-релиз Университета Крэнфилда о ветряной турбине с вертикальной осью новой конфигурации для морской генерации
  • Краткое введение в теорию ветряных турбин Дарье