Кіріспе

Тік осьті жел турбинасының түрі – Дарриус жел турбинасы, ол жел энергиясынан электр энергиясын өндіру үшін қолданылатын тік осьті жел турбинасының (VAWT) бір түрі. Турбина айналмалы білікке немесе каркасқа бекітілген қисық аэродинамикалық қанаттардан тұрады. Қанаттардың қисықтығы жоғары айналу жылдамдықтарында қанаттардың тек керілуге ұшырауын қамтамасыз етеді. Түзу қанаттары бар бірнеше ұқсас жел турбиналары бар. Бұл турбина дизайнын француз авиациялық инженеры Жорж Жан Мари Дарриус патенттеген; патентке өтініш 1926 жылдың 1 қазанында берілген. Дарриус турбинасын күшті жел жағдайларынан қорғау және оны өздігінен іске қосу қиындықтар тудырады.

Жұмыс істеу әдісі

Дарриус конструкциясының бастапқы нұсқаларында аэрофойлдер симметриялы және нөлдік бұрышты болуы үшін орналастырылған, яғни аэрофойлдер орнатылған құрылымға қатысты орнатылған бұрыш. Бұл құрылым жел қай бағытта соқса да бірдей тиімді, бұл дәстүрлі типтен айырмашылығы, ол желге қаратып айналдырылуы керек. Дарриус роторы айналғанда, аэрофойлдер ауа арқылы дөңгелек жолмен алға жылжып жүреді. Бұл қарсы келетін ауа ағыны желге векторлық түрде қосылады, нәтижесінде аэрофойлге ауа шабуыл бұрышының өзгеретін, шағын оң мәні пайда болады. Бұл белгілі бір "әрекет сызығы" бойынша көлбеу бағытта таза күшті тудырады. Бұл күш турбина осінен белгілі бір қашықтықта ішкі жаққа проекцияланып, валға оң айналым моментін береді, осылайша оның айналу бағытында айналуына көмектеседі. Роторды айналдыратын аэродинамикалық принциптер автогироларда және авторотациядағы тікұшақтардағы принциптермен сәйкес келеді. Аэрофойл аппараттың артқы жағына қозғалғанда, шабуыл бұрышы қарсы белгіге өтеді, бірақ пайда болған күш айналу бағытында көлбеу болып қалады, өйткені қанаттар симметриялық және бұрыштық бұрыш нөлдік. Ротор желдің жылдамдығына байланысты емес жылдамдықпен айналады, әдетте, одан әлдеқайда жылдам. Момент пен жылдамдықтан туындаған энергияны электр генераторы арқылы пайдалы қуатқа айналдыруға болады. Аэронавтикалық көтергіш және соқтыру күштері, нақты айтқанда, келіп жеткен салыстырмалы ауа ағынына перпендикуляр және параллель бағытталған күштер болып табылады, сондықтан олар мұнда тиімді емес. Ойнап отырған күштер – бұл қақпақты айналдыратын жанама күш және подшипниктерге қарсы әрекет ететін радиалды күш. Ротор тұрғанда, желдің жылдамдығы жоғары болса да, таза айналу күші пайда болмайды – ротор айналу моментін тудыру үшін бұрыннан айналып тұруы керек. Сондықтан конструкция әдетте өздігінен іске қосылмайды. Сирек жағдайларда Дарриус роторлары өздігінен іске қосылуы мүмкін, сондықтан тоқтаған кезде оны ұстап тұру үшін тежегіш қажет. Бұл конструкцияның бір мәселесі – турбина айналғанда шабуыл бұрышы өзгереді, сондықтан әрбір қақпақ циклінің екі нүктесінде (турбинаның алдыңғы және артқы жағында) максималды айналым моментін тудырады. Бұл синусоидалық (пульстік) қуат циклына әкеледі, бұл конструкцияны қиындатады. Әсіресе, көптеген Дарриус турбиналары резонанстық режимдерге ие, онда белгілі бір айналу жылдамдығында пульсация қақпақтардың табиғи жиілігіне сәйкес келіп, олардың (әдетте) бұзылуына әкелуі мүмкін. Осы себепті көптеген Дарриус турбиналары турбинаны осы жылдамдықпен ұзақ уақыт бойы айналуына жол бермеу үшін механикалық тежегіштерге немесе басқа жылдамдықты басқару құрылғыларына ие. Тағы бір мәселе – айналу механизмінің көп бөлігі массасы, пропеллердегідей, орталық емес, шеткі жағында орналасқандықтан туындайды. Бұл механизмге өте жоғары центробегтік күштер әсер етеді, оларға төтеп беру үшін олар күштірек және ауыррақ болуы керек. Мұны азайтудың бір әдеттегі тәсілі – қанаттарды "ұйқы соғушы" пішініне (бұл "тропоскейн" пішіні деп аталады, грек тілінен "жүйілген арқанның пішіні" деп аударылған) бұру, осылайша олар өздігінен тұрақталады және мұндай ауыр тіреулер мен бекітулерді қажет етпейді. 1-суретті қараңыз. Бұл конфигурацияда Дарриус конструкциясы теориялық тұрғыдан дәстүрлі конструкциядан арзан, өйткені көптеген күштер турбинаның төменгі жағында орналасқан генераторға қарсы әрекет ететін қақпақтарда шоғырланған. Тік күштерді теңгеріске келтіру қажетті күштер – бұл қақпақтардың сыртқа иілуінен туындайтын қысым жүктемесі (осылайша мұнараны "сығуға" тырысады) және бүкіл турбинаны құлатуға тырысатын жел күші, оның жартысы төменге беріледі, ал екінші жартысы сымдармен оңай өтеледі. Ал дәстүрлі конструкцияда желдің барлық күші басты подшипник орналасқан мұнараның жоғарғы жағына итеруге тырысады. Бұған қоса, бұл жүктемені өтеу үшін сымдарды қолдану қиын, өйткені винт мұнараның үстінен де, астынан да айналады. Сондықтан дәстүрлі конструкция пропеллердің мөлшеріне қарай күрт өсетін мықты мұнараны қажет етеді. Қазіргі заманғы конструкциялар осы өзгермелі жылдамдық пен өзгермелі биіктіктің көп бөлігін өтеуге мүмкіндік береді. Жалпы салыстырғанда, Дарриус конструкциясының кейбір артықшылықтары болғанымен, кемшіліктері көп, әсіресе MW класындағы үлкен машиналар үшін. Дарриус конструкциясы қақпақтар үшін қымбат материалдарды пайдаланады, ал қақпақтың көп бөлігі жерге тым жақын орналасқан, бұл тиімді қуатты бере алмайды. Дәстүрлі конструкциялар энергия өндірісі мен қызмет ету мерзімін барынша арттыру үшін қанат ұшының ең төменгі нүктесінде кемінде 40 метр жерден жоғары болуын қажет етеді. Қазірге дейін, тіпті көміртегі талшығы да, цикліктік жүктеме талаптарына жауап беретін материал белгілі емес.

Гиромельдер

Дарриус 1927 жылғы патенты тік қанаттарды пайдаланатын кез келген мүмкін құрылымды қамтыды. Оның ең көп таралған түрлерінің бірі – H роторы, сондай-ақ Гиромилл немесе H конструкциясы деп аталады, онда дәстүрлі Дарриус конструкциясының ұзын, "құбырша соққыш" тәрізді қанаттары көлденең тіректері бар орталық мұнараға бекітілген тік қанат бөліктерімен алмастырылады. Бұл конструкцияны Шанхай қаласындағы MUCE компаниясы пайдаланады.

Циклетурбиналар

Гиромельдің тағы бір түрі – циклотурбина, онда әрбір қанат өзінің тік осінің айналасында айналуға мүмкіндік беретіндей орнатылған. Бұл қанаттарды желге қатысты белгілі бір шабуыл бұрышында ұстауға, яғни "бұруға" мүмкіндік береді. Осы конструкцияның басты артықшылығы – пайда болатын айналу моменті кең диапазон бойынша дерлік тұрақты болады, сондықтан үш немесе төрт қанаты бар циклотурбинаның айналу моменті де тұрақты болады. Бұл бұрыштар шегінде айналу моменті мүмкін болатын ең жоғары мәнге жақын, демек жүйе көбірек қуат өндіреді. Циклотурбинаның тағы бір артықшылығы – ол өздігінен іске қосыла алады, себебі "желге қарай қозғалатын" қанатын желге қарай тегіс бұрып, қарсылық тудырып, турбинаны төмен жылдамдықпен айналдырады. Керісінше, қанаттарды бұру механизмі күрделі және әдетте ауыр болады, сонымен қатар қанаттарды дұрыс бұру үшін жел бағытын анықтайтын сенсор қосу қажет.

Шеңберлі қақпақтар

Дарриус турбинасының қанаттары спиральға бұрылуы мүмкін, мысалы, үш қанат және 60 градус спиральді бұрылыс. Бұл спиральды турбинаны алғашқы рет жасаған Ульрих Штампа (Германия патенті DE2948060A1, 1979). А. Горлов 1995 жылы ұқсас конструкция ұсынды (Горловтың су турбиналары). Жел турбинаның желге қарайтын және арқа жағындағы әрбір қанатын айналдыра тартып тұрғандықтан, бұл ерекшелік айналу бойындағы моментті тең бөліп, құрылымды бұзуға әкелетін тербелістердің алдын алады. Бұл конструкция Turby, Urban Green Energy, Enessere, Aerotecture және Quiet Revolution жел турбиналары брендтерінде қолданылады.

Белсенді көтергіш турбина

Салыстырмалы жылдамдық пышаққа күш түсіреді. Бұл күшті осілік және нормальді күшке жіктеуге болады (сурет 5). Дарриус турбинасының жағдайында радиусқа байланысты осілік күш айналу моментін тудырады, ал нормальді күш қолға әр жарты айналымда кезекпен қысым және созу күштерін түсіреді. Кранк-шоғыр жүйесімен (сурет 6), белсенді көтеру турбинасының принципі – осы кезектесетін жүктемені қосымша энергияны алуға айналдыру.