ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЕ ВОЗДУХА ВНУТРИ ПОЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕТРОТУРБИНЫ Н РОТОР

Предлагается способ тепловой защиты наружных поверхностей работающего ветроагрегата от заносов снегом в зимнее время за счет организации естественной вентиляции воздуха его внутренних полостей и соответствующие конструктивные решения для осуществления способа.

Способ относится к инфраструктуре ветроэнергетики — обеспечению стабильной работы ветроэнергетических установок (ВЭУ) карусельного типа в суровых климатических условиях путем использования естественной вентиляции теплого воздуха внутри вращающихся элементов ВЭУ, возникающей вследствие центробежных сил.

Прототипом предлагаемого нами способа является ВЭУ Дарье, использующаяся для преобразования энергии ветра в электричество [9].

Центральные, Северные и Восточные области Казахстана имеют резко континентальный климат с суровыми зимами и гололедными явлениями. Именно в периоды наибольшей нужды в тепловой и электрической энергии ВЭУ могут быть выведены из строя вследствие заносов мокрым снегом с последующим резким понижением температуры воздуха и образованием тяжелого ледового покрова на них. Есть большая опасность, что с ними случится то же, что и с линией электропередачи, показанной на рис. 1. Одним из возможных путей защиты наружных поверхностей работающей ветротурбины Дарье от налипания мокрого снега является подогрев теплым воздухом, протекающим по внутренним каналам аппарата.

Рисунок 1. Состояние линии электропередачи после снежной бури в Павлодарской области

Есть сведения, что ВЭУ покрывают гидрофобной краской, что, возможно, защищает от сплошного покрытия дождевыми каплями, но вряд ли сможет уберечь от осаждения (прилипания) влажных снежинок на холодную поверхность деталей ВЭУ при минусовой температуре среды. Поэтому тепловая защита является более радикальным средством. Причем, при сильных морозах он к тому же спасает подшипники от промерзания.

В применении к ВЭУ любой конструкции предлагаемый нами способ не имеет аналогов, если не считать аналогом бытовую отопительную систему.

Рисунок 2. Естественная вентиляция  воздуха, вследствие работы центробежных сил

Принципиальная схема осуществления способа тепловой защиты ВЭУ карусельного типа на примере Н — ротора показана на рис. 2. При вращении турбины возникает центробежная сила  (где r — плотность воздуха, w — угловая скорость вращения турбины, l_{1 —} длина маха), направленная вдоль махов в сторону рабочих лопастей, на концах которых имеются отверстия в атмосферу. Махи и рабочие лопасти представляют собой каналы, образованные симметричным крыловым профилем NASA — 0021. Под действием силы  воздух внутри маха будет перемещаться к рабочим лопастям турбины, и выбрасываться в атмосферу, одновременно вызывая подсос воздуха по вертикальному кольцевому каналу, образованному между центральной стойкой ВЭУ и наружным валом вращения. Таким образом, возникает естественная внутренняя вентиляция аппарата при круговом движении махов, вызванная действием центробежных сил

                                                   (1)

Отсюда нетрудно подсчитать перепад давления на концах махов

                                                       (2)

Течение вязкой жидкости в канале махов испытывает сопротивление трения

 или                                   (3)

где: u₁, d₁ ,l₁ — соответственно среднерасходная скорость, эквивалентный диаметр и коэффициент гидравлического сопротивления канала маха.

Тогда ежесекундная работа центробежных сил на перемещение воздушной массы вдоль маха за вычетом работы на преодоление сил вязкого сопротивления записывается в виде:

 ,                                         (4)

где цифра 2 суммирует работу обеих махов. Естественная вентиляция ветротурбины возможна, если работа А₁ будет больше или равна сумме работ по преодолению сопротивления трения в кольцевом канале длиной l₀ и в рабочей лопасти — l₂  

,                                                        (5)

где λ₀, d₀, u₀ — известные параметры для кольцевого канала (см. [8]), а также в лопастях

                                                        (6)

где: λ₂, u₂, d₂ — соответственно параметры рабочей лопасти (см. обозначения в формуле (3))

Формула (6) получена с учетом того, что d₁=d₂ и воздух будет двигаться по четырем каналам длиной l₂ со скоростями u₁/2 .Таким образом, необходимым условием определения угловой скорости вращения турбины , обеспечивающий естественную вентиляцию элементов турбины, является .

Подставляя выражения (4), (5) и (6), после несложных преобразований получим:

                                           (7)

В качестве примера рассмотрим ветротурбину Дарье c прямыми лопастями мощностью 6—7 кВт при среднегодовой скорости ветра 6—7 м/с.

Как известно, максимальное значение коэффициента использования энергии ветра x=0,45 находится между величиной быстроходности турбины  

Мощность ветротурбин определяется формулой

,                                                (8)

где: U — скорость ветра, S-ометаемая поверхность. При U=7 м/с удельная мощность ветра на 1 м² . Из этой мощности ветротурбина может снять с каждого квадратного метра миделева сечения турбины не более 100 Вт и 7-и кВт-ная турбина должна иметь S =70 м², т. е. чуть больше 8-ми метра рабочие лопасти и длину махов более 4 м. Махи должны быть расположены на высоте (l₀) не менее 7 м. Для простоты примем S =64 м² т. е. 8 м*8 м. Тогда хорда лопастей и махов будет b=1 м [5]. У профиля NASA — 0021 отношение периметра крыла Ф к хорде b приблизительно равно 2,1. В этом случае площадь их сечения f₁=0.14 м², d₁=0,28 м. Если принять u₁=2 м/с, то число Рейнольдса в полости l₁ маха Re=37333.

В формуле (7) неизвестным является коэффициент гидравлического сопротивления каналов с формой NASA — 0021, применяемых в качестве махов и рабочих лопастей. В связи с этим был поставлен специальный эксперимент с продувкой канала, имеющего форму крылового профиля NASA — 0021 [3]. В результате установлен коэффициент его гидравлического сопротивления

l=4,62Re^-0.488

где число Рейнольдса Re определяется по среднерасходной скорости воздуха в канале u₁ и его эквивалентному диаметру d_э=4f/Ф (f -площадь сечения канала, Ф-его периметр).

В l₂ полостях Re₂=18567 и λ₂=0,034. Расход воздуха в каждом махе Q/2=0.28 м³/с или Q=0.56 м³/с.  

Как уже указывалось l₀=7 м. Диаметр центральной стойки положим равным 0,15 м при длине 15 м. Тогда можно использовать подшипники (ОСТ НКСМ 6121-39) внутренним диаметром d=150 мм и внешним D=270 мм. Эквивалентный диаметр кольцевой полости d₀=0,12 м, а площадь ее сечения 0,188 м². Среднерасходная скорость движения воздуха в этом канале u₀=3 м/с, число Рейнольдса Re₀=20000 и λ₀=0,054. Подставляя значения величин, входящих в формулу (7) найдем, что  1/с. Таким образом, для естественной вентиляции турбины достаточно всего 12 об/мин, в то время как при скорости ветра 7 м/с для выбранной нами турбины  1/с или 75 об/мин. Заметим, при буревых скоростях ветра 12—15 м/с ветротурбина будет иметь 129—161 об/мин. Таким образом, работа центробежных сил с избытком хватает для организации естественной вентиляции внутри турбины, даже, если для усиления жесткости махов и рабочих лопастей внутри их полостей имеется арматура.

На рис. 3 показана принципиальная конструктивная схема позволяющая организовать тепловую защиту вращающейся турбины типа Н-ротор.

Вертикальное положение ветротурбины обеспечивается центральной стойкой (1), нижний конец которого опирается на прочный фундамент. Для придания строго вертикального положения и устойчивости всей системы используется трехсторонние растяжки-тросы, прикрепленные к верхнему концу стойки (1) и трем равноудаленным друг от друга прочным крюкам, расположенным на уровне поверхности земли с таким расчетом, чтобы тросы не мешали вращению турбины. Как видно из рис.3 конструкция ветротурбины построена так, чтобы подогретый вентиляционный воздух не вымывал у подшипников смазочные масла, приводя их к сухому трению.

Рисунок 3. Принципиальная конструктивная схема турбины типа Н-ротор

Стойка (1) и вал вращения турбины (2) разделены подшипниками (3). Вал вращения (2) турбины представляет собой проточный кольцевой канал (9), постоянство сечения которого обеспечивается шпильками (5). Внешняя цилиндрической формы поверхность (4) обдувается ветром. Подогретый воздух поднимается по кольцевому каналу (9) и затем подходит по полостям махов (6) к рабочим лопастям (7) вращающейся турбины, и через отверстия на концах лопастей выбрасывается наружу. Имеется шкив (8) для соединения с электрогенератором.

Отметим также, что через стенку (2) вала вращения часть тепла из канала (9) будет передаваться в (10) и образуется восходящее слабоконвективное движение воздуха (на рис. 3 показано волнистой стрелкой), обеспечивающее тепловую защиту верхней части центральной стойки (1).

Список литературы:

1.            Безруких П.П. Использование энергии ветра. — Москва, 2008. — 197 с.

2.            Ветроэнергетика / Под. Ред. Д. де Рензо. — М. Энергоатомиздат, 1982. —272 с.

3.            Ершина А.К., Манатбаев Р.К. Определение гидравлического сопротивления симметричного крылового профиля NASA-0021 Вестник КазНУ, серия математика, механика, информатика, 2006 г. № 4 (51), — С. 56—58

4.            Ершина А.К., Ершин Ш.А., Жапбасбаев У.К. Основы теории ветротурбины Дарье. — Алматы, 2001. — 104 с.

5.            Иванов И.И., Иванова Г.А., Перфилов О.Л. Модельные исследования роторных рабочих колес ветроэнергетических станций. Сборник научных трудов Гидропроекта, вып. 129. — Москва 1988 г. — С. 106—113

6.            Предпатент МПК F03D 3/06 (2006.01) «Ветродвигатель Бидарье» 14.08.2007 г.

7.            Турян К.Дж., Стриклэнд Дж., Х., Бэрг Д.Э. Мощность ветроэлектрических агрегатов с вертикальной осью вращения. //Аэрокосмическая техника 1988. — №  8. — С. 105—121.

8.            Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — Москва. Наука. 1974

9.            Darrieus F.M. Turbine Having in Rotation Transverse to the Flow of Current, US Patent 1 ,834/ 018 Doc. B.1931