Ветряная турбина Дарье

редактировать
Рис. 1: Ветряк Дарье, который когда-то использовался для выработки электроэнергии на островах Магдалины

Ветряк Дарье - это тип ветряка с вертикальной осью (VAWT), который используется для генерировать электричество из энергии ветра. Турбина состоит из ряда изогнутых крыльев лопаток, установленных на вращающемся валу или каркасе. Кривизна лопастей позволяет лопасти подвергаться нагрузке только при растяжении при высоких скоростях вращения. Есть несколько тесно связанных ветряных турбин, в которых используются прямые лопасти. Эта конструкция турбины была запатентована Жоржем Жан-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.

Содержание

  • 1 Принцип работы
  • 2 Giromills
  • 3 Циклотурбины
  • 4 Винтовые лопасти
  • 5 Активная подъемная турбина
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Метод операция

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

В первоначальных версиях конструкции Дарье крылья расположены симметрично и имеют нулевой угол наклона, то есть угол, под которым 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 под углом вперед по определенной «линии действия». Эта сила может проецироваться внутрь за ось турбины на определенном расстоянии, 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 знак, но создаваемая сила по-прежнему наклонена в направлении вращения, потому что крылья симметричны и 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.

Авиационные термины подъемная сила и лобовое сопротивление, строго говоря, силы поперек и вдоль приближающегося чистого относительного воздушного потока соответственно, поэтому они здесь не полезны. Мы действительно хотим знать тангенциальную силу, тянущую лезвие, и радиальную силу, действующую на подшипники.

Когда ротор неподвижен, результирующая сила вращения не возникает, даже если скорость ветра становится довольно 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 проблема с конструкцией заключается в том, что угол атаки изменяется по мере вращения 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, в которых при определенной скорости вращения пульсации происходят на собственной частоте лопаток, что может привести к их (в конечном итоге) поломке. По этой причине большинство турбин Дарье имеют механические тормоза или другие устройства управления скоростью, 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 воздушным винтом. Это приводит к очень высоким центробежным напряжениям в механизме, которые должны быть сильнее и тяжелее, чем в противном случае, чтобы выдержать их. Один из распространенных подходов к минимизации этого - изгибание крыльев в форме «взбивания яиц» (это называется формой «troposkein », производной от греческого слова «форма скрученной веревки»), например что они являются самонесущими и не требуют таких тяжелых опор и креплений. Увидеть. Рис. 1.

В этой конфигурации конструкция Дарье теоретически менее затратна, чем конструкция обычного типа, поскольку большая часть напряжения приходится на лопасти, которые вращают вокруг генератора, расположенного 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 нижняя часть, а другая половина может быть легко смещена с помощью растяжек.

В отличие от этого, в традиционной конструкции вся сила 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 сравнении, хотя в конструкции Дарье есть некоторые преимущества, недостатков гораздо больше, особенно с более крупными машинами в классе 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.

Giromills

Рис. 3. Ветряная турбина типа Giromill MUCE turbines установлен наверху здания морской доски в Хобарте, Австралия

. Патент Дарье 1927 г. также распространяется на практически любые возможные варианты расположения с использованием вертикальных профилей. Одним из наиболее распространенных типов является H-образный ротор, также называемый конструкцией Giromill или H-bar, в котором длинные лопасти "взбивания яиц" обычная конструкция Дарье заменена прямыми вертикальными секциями лопастей, прикрепленными к центральной башне с помощью горизонтальных опор. Эта конструкция используется компанией MUCE, расположенной в Шанхае.

Циклотурбины

Еще одним вариантом Giromill является Циклотурбина, в которой каждая лопасть установлена ​​так, что она может вращаться вокруг своей собственная вертикальная ось. Это позволяет наклонять лопасти так, чтобы у них всегда был угол атаки относительно ветра. Основное преимущество этой конструкции заключается в том, 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 вырабатывает больше мощности. Циклотурбина также имеет то преимущество, 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, как правило, тяжелый, и необходимо добавить какой-то датчик направления ветра, чтобы правильно двигать лопасти.

Винтовые лопасти

Файл: ветряная турбина с вертикальной осью в Хартнеллском колледже, Alisal Campus.gk.webm Воспроизвести носитель Винтовая турбина Дарье в Хартнелл-Колледж.

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 функция распределяет крутящий момент равномерно по всему обороту, предотвращая тем самым разрушительные пульсации. Эта конструкция используется в ветряных турбинах марок Turby, Urban Green Energy, Enessere, Aerotecture и Quiet Revolution.

Активная подъемная турбина

Рис. 5: Активная подъемная турбина - осевая и нормальная сила. Рис. 6: Активная подъемная турбина - система кривошипных стержней.

Относительная скорость создает силу на лопасти. 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 поочередно для каждого полуоборота, напряжения сжатия и напряжения растяжения. При использовании системы кривошипных стержней (рис. 6) принцип активной подъемной турбины заключается в преобразовании этого альтернативного ограничения в дополнительную рекуперацию энергии.

Файл: Active Lift Turbine.ogv Воспроизвести носитель преобразование механических напряжений в дополнительную рекуперацию энергии

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Ветряными генераторами Дарье.
Последняя правка сделана 2021-05-16 13:43:40
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте