ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТЕРИАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛООТДАЧИ РАБОЧИХ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ ДАРЬЕ

Ветроэнергетические установки относятся к наиболее перспективным системам, так называемой альтернативной энергетики. Скажем, офшорные ветропарки уже сегодня являются важным источником возобновляемой энергии во многих странах, имеющих выход к Балтийскому или Северному морям.

Рисунок 1. Состояние ветроустановки после снежной бури

Однако в некоторых регионах, особенно тех, где климат характеризуется суровыми зимами, эксплуатационники сталкиваются с весьма серьезной проблемой — образованием льда на лопастях ветроколеса (см. рис. 1), пишет Deutsche Welle. «В какой-то момент этот лед срывается с лопасти и улетает на расстояние в сто-двести-триста метров, причем нередко речь идет о здоровенных ледышках массой в килограмм, а то и два. Конечно, такой снаряд может и убить». И этим проблемы не ограничиваются. Зимой на протяжении 5-ти месяцев сотрудники шведской фирмы вели круглосуточный мониторинг одной из шведских ветроустановок близ города Хернѐсанд, измеряя скорость ветра, толщину льда на лопастях и производительность ветрогенератора. Оказалось, что уже незначительная корка льда существенно снижает КПД установки, поскольку резко ухудшает аэродинамические характеристики лопастей. Как только толщина льда превышает один миллиметр, начинаются потери. В результате эта ветроустановка выработала на 15 процентов меньше электроэнергии. Даже если эти потери «раскидать» на весь год, все равно получается более 5 процентов — весьма существенная цифра».

Проблема обледенения актуальна практически для всех ветроустановок: их производительность зимой заметно падает. Мало того, что из-за замерзания переохлажденного дождя или мокрого снега ухудшается аэродинамика лопасти, так ветрогенераторы то и дело приходится и вовсе отключать, если толщина слоя льда превышает критическое значение. Такая же ситуация наблюдается и в Финляндии, и на севере Германии, и в Швейцарии и в России.

В последнее время большинство зарубежных фирм стало отдавать предпочтение новому типу ветротурбин с вертикальной осью вращения системы Дарье. Работает турбина за счет возникновения подъемной силы на рабочих лопастях, равноудаленных от общей оси вращения. Лопасти располагаются равномерно по кругу радиуса r₀ относительно центрального вертикального вала вращения и соединены с ним одним из двух способов: с помощью махов или «тропоскино» [1; 2].

В отличие от пропеллерной ветротурбины технология изготовления симметричных крыловых профилей много проще. Их изготовление освоено, например, в АО НИИ «Гидроприбор», ЗАО «Азияэнергопроектмонтаж» и др. Поэтому в Казахстане наибольший интерес проявляется, именно, к разработке ветротурбин Дарье и усовершенствованию его конструкций с целью повышения коэффициента использования энергий ветра.

Одна из таких установок называется Бидарье, и показана на рис. 2 (г. Уральск), и имеет коэффициент использования энергии ветра на 60—70 % больше, чем любая существующая ветроустановка.

Рисунок 2. Ветротурбина Бидарье

Ниже приводятся результаты экспериментального исследования теплообмена рабочих лопастей работающего ветроэнергетического аппарата Дарье с окружающей средой. Теплоотдача каналов в окружающую среду определяется как внутренней гидродинамикой каналов различной формы, так и внешними условиями теплообмена. С этой целью проведены исследования гидравлики каналов, имеющих форму симметричного крылового профиля NASA-0021, используемого в реальном аппарате. В результате установлена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления такого канала от числа Рейнольдса

l=4,62Re^-0.49.

Одновременно были проведены исследования теплоотдачи элемента крылового профиля NASA-0021 в зависимости от скорости и угла атаки воздушной среды на рабочую лопасть при вращающейся турбине Дарье. Схема установки показана на рис 3.

Эксперимент по теплообмену состоял из двух больших серий исследования закономерностей теплообмена с окружающей средой элемента крылового профиля NASA — 0021, подогреваемого изнутри проточным теплым воздухом при указанных выше четырех его расходах. Всего было проведено более 600 опытов, из которых 400 включены в обработку при 10 значениях угла атаки (φ=0⁰, ±4⁰, ±8⁰, ±12⁰, ±16⁰), где знаком «+» отмечен поворот крыла по отношению к потоку из аэродинамической трубы в одну сторону, а знаком «-» в другую). При номинальном вращении турбины Дарье (3,5≤ χ ≤5,5) угол атаки ни при каких положениях рабочей лопасти не может превышать φ=12⁰. При постоянном значении каждого из указанных углов атаки, измерения проводились при 10 значениях скорости атаки (V=4 м/с, 8 м/с, 12 м/с, 16 м/с, 20 м/с, 24 м/с, 28 м/с, 32 м/с, 36 м/с, 38 м/с) при этом, при постоянстве φ и V, четырежды изменялся расход теплого воздуха Q. В каждом из 400 опытов измерялись: расход теплого воздуха через исследуемый канал, его температура входа Т₀ и выхода Т₁, температура потока, выходящего из аэродинамической трубы  и барометрическое давление Р_атм. В обеих сериях экспериментов, как при +φ, так и –φ, в обработку включались их среднеарифметические значения.

Вся эта масса экспериментальных данных было проанализирована и систематизирована, подготовлена к обобщению с целью количественного выяснения закономерностей теплоотдачи специфического канала в специфических условиях взаимодействия с окружающей средой. Эти законы в учении о тепломассообмене основываются на теории размерностей и подобия теплообменных процессов, что позволяет переходить от модели к реальному объекту.

На основании обобщения и обработки опытных данных получена для средней теплоотдачи элемента крылового профиля критериальная зависимость

              (1)

Полученная критериальная зависимость справедлива для всех случаев теплоотдачи крылового профиля NASA — 0021 в набегающий поток, если ее внутренняя полость, по который течет теплый воздух, также имеет форму NASA — 0021. При этом крыловой профиль может быть выполнен из любого материала и иметь некоторую толщину стенки, которую следует рассматривать как плоскую плиту, толщиной Δ.

Рисунок 3. Схема экспериментальной установки

1 — элемент лопасти NASA 0021; 2 — муфельная печь; 3 — лабораторная аэродинамическая труба; 4 — ротаметр РМ; 5 — медь константановые термопары; 6 — лед; 7 — гальванометр; 8 — пылесос; 9 — трансформатор

Список литературы:

1.     Ветроэнергетика под. ред. Д. де. Рензо. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 272 с.

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

3.     Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи — М.: Энергия. — 1973. — 320 с.