Турбина Дарье: принцип работы и особенности конструкции.

Введение

Тип ветровой турбины с вертикальной осью

Ветровая турбина Дарье является типом ветровой турбины с вертикальной осью (VAWT), используемой для генерации электроэнергии из энергии ветра. Турбина состоит из нескольких изогнутых лопастей профиля крыла, установленных на вращающемся валу или каркасе. Изогнутость лопастей позволяет им испытывать только растягивающие нагрузки при высоких скоростях вращения. Существуют также несколько близких по конструкции ветровых турбин, использующих прямые лопасти. Данная конструкция турбины была запатентована французским авиационным инженером Жоржем Жаном Мари Дарье; заявка на патент была подана 1 октября 1926 года. Существуют значительные трудности в защите турбины Дарье от экстремальных ветровых условий и обеспечении её самозапуска.

Способ работы

В оригинальных версиях конструкции Дарье аэродинамические крылья расположены симметрично и имеют нулевой угол установки, то есть угол, под которым аэродинамические крылья устанавливаются относительно конструкции, на которой они закреплены. Эта схема одинаково эффективна независимо от направления ветра, в отличие от традиционной конструкции, которая должна быть повернута по направлению ветра. Когда ротор Дарье вращается, аэрофолии движутся вперед по воздуху по круговой траектории. Относительно лопасти этот встречный воздушный поток векторно складывается с ветром, создавая изменяющийся небольшой положительный угол атаки. Это генерирует результирующую силу, направленную косо вперед вдоль определенной "линии действия". Эта сила может быть спроецирована внутрь, мимо оси турбины на определенное расстояние, создавая положительный крутящий момент на валу и помогая ему вращаться в текущем направлении. Аэродинамические принципы, приводящие во вращение ротор, эквивалентны принципам автожиров и обычных вертолетов в режиме авторотации. По мере движения аэрофолия вокруг задней части аппарата угол атаки меняет знак на противоположный, но генерируемая сила все равно направлена косо в направлении вращения, поскольку крылья симметричны и угол установки равен нулю. Ротор вращается со скоростью, не связанной со скоростью ветра, и обычно во много раз быстрее. Энергия, возникающая от крутящего момента и скорости, может быть извлечена и преобразована в полезную мощность с помощью электрического генератора. Строго говоря, аэродинамические термины "подъемная сила" и "сопротивление" описывают силы, действующие перпендикулярно и вдоль направления суммарного относительного воздушного потока соответственно, поэтому они здесь неприменимы. Действующие силы – это, скорее, тангенциальная сила, вращающая лопасть, и радиальная сила, действующая на подшипники. Когда ротор неподвижен, не возникает результирующей вращательной силы, даже при высокой скорости ветра – ротор должен уже вращаться для создания крутящего момента. Таким образом, конструкция обычно не является самозапускающейся. В редких случаях роторы Дарье могут самозапускаться, поэтому требуется тормоз для удержания его в остановленном состоянии. Одна из проблем конструкции заключается в том, что угол атаки меняется по мере вращения турбины, поэтому каждая лопасть генерирует максимальный крутящий момент в двух точках своего цикла (передней и задней части турбины). Это приводит к синусоидальному (пульсирующему) циклу мощности, усложняющему конструкцию. В частности, почти все турбины Дарье имеют резонансные частоты, при которых пульсации совпадают с собственной частотой колебаний лопастей, что может привести к их поломке. Поэтому большинство турбин Дарье оснащены механическими тормозами или другими устройствами управления скоростью, чтобы предотвратить вращение на этих частотах в течение длительного времени. Другая проблема связана с тем, что большая часть массы вращающегося механизма сосредоточена на периферии, а не в ступице, как в пропеллере. Это создает очень высокие центробежные нагрузки на механизм, который должен быть прочнее и тяжелее, чтобы выдерживать их. Один из распространенных способов минимизировать это – придать крыльям форму "венчика" (это называется формой "тропоскейн", от греческого "форма пряденой веревки"), чтобы они были самонесущими и не требовали таких массивных опор и креплений. См. рис. 1. В этой конфигурации конструкция Дарье теоретически дешевле традиционной, поскольку основная нагрузка приходится на лопасти, передающие крутящий момент на генератор, расположенный в нижней части турбины. Единственные силы, которые необходимо уравновешивать в вертикальной плоскости, – это нагрузка от изгиба лопастей наружу (стремящаяся "сжать" башню) и сила ветра, пытающаяся опрокинуть всю турбину, половина которой передается на основание, а другая половина может быть легко компенсирована расчалками. В отличие от традиционной конструкции, вся сила ветра пытается опрокинуть башню в верхней части, где расположен основной подшипник. Кроме того, нельзя легко использовать расчалки для компенсации этой нагрузки, поскольку пропеллер вращается как над, так и под вершиной башни. Таким образом, традиционная конструкция требует прочной башни, размеры которой значительно увеличиваются с ростом пропеллера. Современные конструкции могут компенсировать большую часть нагрузки на башню при переменной скорости и переменном шаге лопастей. В целом, несмотря на некоторые преимущества конструкции Дарье, существует гораздо больше недостатков, особенно для крупных машин класса МВт. Конструкция Дарье использует более дорогие материалы для лопастей, при этом большая часть лопасти находится слишком близко к земле, чтобы давать значительную мощность. Традиционные конструкции предполагают, что кончик крыла находится на высоте не менее 40 м в самой низкой точке для максимизации выработки энергии и срока службы. На сегодняшний день не существует материала (даже углеродного волокна), который мог бы соответствовать требованиям к циклической нагрузке.

In the original versions of the Darrieus design, the aerofoils are arranged so that they are symmetrical and have zero rigging angle, that is, the angle that the aerofoils are set relative to the structure on which they are mounted. This arrangement is equally effective no matter which direction the wind is blowing—in contrast to the conventional type, which must be rotated to face into the wind. When the Darrieus rotor is spinning, the aerofoils are moving forward through the air in a circular path. Relative to the blade, this oncoming airflow is added vectorially to the wind, so that the resultant airflow creates a varying small positive angle of attack to the blade. This generates a net force pointing obliquely forwards along a certain "line of action". This force can be projected inwards past the turbine axis at a certain distance, giving a positive torque to the shaft, thus helping it to rotate in the direction it is already travelling in. The aerodynamic principles which rotate the rotor are equivalent to that in autogiros, and normal helicopters in autorotation. As the aerofoil moves around the back of the apparatus, the angle of attack changes to the opposite sign, but the generated force is still obliquely in the direction of rotation, because the wings are symmetrical and the rigging angle is zero. The rotor spins at a rate unrelated to the windspeed, and usually many times faster. The energy arising from the torque and speed may be extracted and converted into useful power by using an electrical generator. The aeronautical terms lift and drag are, strictly speaking, forces across and along the approaching net relative airflow respectively, so they are not useful here. The forces at play are rather tangential force, which pulls the blade around, and radial force, which acts against the bearings. When the rotor is stationary, no net rotational force arises, even if the wind speed rises quite high—the rotor must already be spinning to generate torque. Thus the design is not normally self starting. Under rare conditions, Darrieus rotors can self start, so some form of brake is required to hold it when stopped. One problem with the design is that the angle of attack changes as the turbine spins, so each blade generates its maximum torque at two points on its cycle (front and back of the turbine). This leads to a sinusoidal (pulsing) power cycle that complicates design. In particular, almost all Darrieus turbines have resonant modes where, at a particular rotational speed, the pulsing is at a natural frequency of the blades that can cause them to (eventually) break. For this reason, most Darrieus turbines have mechanical brakes or other speed control devices to keep the turbine from spinning at these speeds for any lengthy period of time. Another problem arises because the majority of the mass of the rotating mechanism is at the periphery rather than at the hub, as it is with a propeller. This leads to very high centrifugal stresses on the mechanism, which must be stronger and heavier than otherwise to withstand them. One common approach to minimise this is to curve the wings into an "egg beater" shape (this is called a "troposkein" shape, derived from the Greek for "the shape of a spun rope") such that they are self supporting and do not require such heavy supports and mountings. See. Fig. 1. In this configuration, the Darrieus design is theoretically less expensive than a conventional type, as most of the stress is in the blades which torque against the generator located at the bottom of the turbine. The only forces that need to be balanced out vertically are the compression load due to the blades flexing outward (thus attempting to "squeeze" the tower), and the wind force trying to blow the whole turbine over, half of which is transmitted to the bottom and the other half of which can easily be offset with guy wires. By contrast, a conventional design has all of the force of the wind attempting to push the tower over at the top, where the main bearing is located. Additionally, one cannot easily use guy wires to offset this load, because the propeller spins both above and below the top of the tower. Thus the conventional design requires a strong tower that grows dramatically with the size of the propeller. Modern designs can compensate most tower loads of that variable speed and variable pitch. In overall comparison, while there are some advantages in Darrieus design there are many more disadvantages, especially with bigger machines in the MW class. The Darrieus design uses much more expensive material in blades while most of the blade is too close to the ground to give any real power. Traditional designs assume that the wing tip is at least 40 m from ground at lowest point to maximize energy production and lifetime. So far there is no known material (not even carbon fiber) which can meet cyclic load requirements.

Гиромиллы

Патент Дарриуса 1927 года также охватывал практически любую возможную компоновку с использованием вертикальных аэродинамических профилей. Одним из наиболее распространенных типов является H-ротор, также называемый гиромиллом или конструкцией с H-образными опорами, в котором длинные изогнутые лопасти классической конструкции Дарриуса заменяются прямыми вертикальными секциями лопастей, прикрепленными к центральной башне посредством горизонтальных элементов. Этот дизайн используется компанией MUCE, базирующейся в Шанхае.

Циклотурбины

Другой вариант гиромилла – циклотурбина, в которой каждое лезвие установлено таким образом, чтобы оно могло вращаться вокруг своей вертикальной оси. Это позволяет изменять угол установки лезвий, чтобы они всегда имели некоторый угол атаки относительно ветра. Главное преимущество этой конструкции заключается в том, что генерируемый крутящий момент остается практически постоянным в довольно широком диапазоне углов, поэтому циклотурбина с тремя или четырьмя лопастями обеспечивает относительно стабильный крутящий момент. В этом диапазоне углов сам крутящий момент приближается к максимальному, что означает, что система также вырабатывает больше энергии. Циклотурбина также обладает преимуществом самозапуска: для этого лезвие, движущееся по ветру, выставляется плашмя к ветру, создавая сопротивление и раскручивая турбину с низкой скоростью. Однако механизм изменения угла установки лезвий сложен и обычно тяжел, а для правильной регулировки лезвий требуется датчик направления ветра.

Шпикольные лопасти

Лезвия турбины Дарье могут быть наклонены по спирали, например, три лезвия с углом спирального закручивания 60 градусов. Первоначальным разработчиком турбины с закрученными лопастями является Ульрих Штампа (патент Германии DE2948060A1, 1979). А. Горлов предложил аналогичную конструкцию в 1995 году (водные турбины Горлова). Поскольку ветер воздействует на каждое лопастное полотно с наветренной и подветренной сторон турбины, эта особенность обеспечивает равномерное распределение крутящего момента на протяжении всего оборота, предотвращая тем самым деструктивные пульсации. Эта конструкция используется ветровыми турбинами марок Turby, Urban Green Energy, Enessere, Aerotecture и Quiet Revolution.

Активная подъемная турбина

Относительная скорость создает силу, действующую на лопасть. Эта сила может быть разложена на осевую и нормальную составляющие (рис. 5). В случае турбины Дарье, осевая сила, связанная с радиусом, создает крутящий момент, а нормальная сила вызывает в плече попеременные напряжения при каждом полуобороте – сжатие и растяжение. В конструкции с кривошипно-шатунным механизмом (рис. 6), принцип активной подъемной турбины заключается в преобразовании этого переменного напряжения в дополнительную энергию.