Конструкция турбины: Конструкция турбины | ТурбоМастер

Устройство турбины | carakoom.com

Как устроена турбина Устройство системы турбонаддува очень простое. Турбина устанавливается на выпускной коллектор двигателя. Выхопные газы из…

Как устроена турбина

Устройство системы турбонаддува очень простое. Турбина устанавливается на выпускной коллектор двигателя. Выхопные газы из цилиндров вращают турбину. Турбина соединена валом с компрессором, который находится между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, который поступает в цилиндры.

Выхлопные газы из цилиндров проходят через крыльчатку турбины и вращают ее. Больше выхлопных газов – быстрее вращается крыльчатка турбины. На другом конце вала распологается крыльчатка компрессора, которая подает воздух к цилиндрам.

Для того, чтобы выдерживать скорости вращения в 150.000 оборотов в минуту, вал турбины должен поддерживаться особыми подшипниками. Большинство обычных подшипников на таких скоростях просто разваливаются, поэтому в турбинах используются особые гидроподшипники. В таких подшипниках осуществлен постоянный подвод масла к валу. Масло выполняет две функции: охлаждает вал и другие детали турбины, а также снижает трение.

Одна из проблем турбонагнетателей заключается в том, что они не дают мгновенной реакции на газ. Турбине необходима секунда или две, чтобы раскрутиться до оптимальной скорости и создать нужное давление. Эта секундная задержка называется турбо-лагом, после которой автомобиль устремляется вперед.

Один из вариантов понизить турбо-лаг – уменьшить инерцию вращающихся деталей, уменьшив их вес. Это позволит турбине и компрессору раскручиваться быстрее и создавать давление раньше. Хотите меньше инерции, выбирайте турбину меньшего размера. Маленькие турбины создают давление быстрее и на более низких оборотах двигателя, но на высоких скоростях, когда необходимо очень много воздуха, маленькие турбины могут не справиться со сжатием воздуха. При больших скоростях двигателя, когда поток выхлопных газов возрастает, создается угроза для маленьких турбин, через которые проходит слишком большой поток и скорость возрастает до огромных показателей.
Кстати, есть такая система, как антилаг. Ее используют на драговых гоночных турбовых авто. Почитайте по ссылке.

У многих систем турбонаддува есть клапан вестгейта (wastegate valve), который позволяет выводить излишние выхлопные газы, дабы турбина не раскручивалась слишком быстро. Пружинка в клапане вестгейта определяет давление в системе, если давление становится выше определенного показателя, это значит, что турбина вращается слишком быстро, тогда излишнее давление сбрасывается через вестгейт, а скорость вращения турбины замедляется.

Некоторые турбины имеют шариковые подшипники, а не гидроподшипники. Но эти шариковые подшипники тоже специфичные – они изготовленные по передовым технологиям с использованием превосходных материалов. Такие подшипники позволяют вращаться валам с меньшим трением, чем при использовании гидроподшипников. Также такие подшипники позволяют использовать более легкие валы меньшего размера.

Также в турбинах используются керамические крыльчатки, которые легче стальных.

В следующий раз я расскажу вам как работают турбины в паре.

Первая часть
Вторая часть
Или все наоборот 😉

Подпишись на наш Telegram-канал

Устройство ТКР | kamturbo

ТУРБОКОМПРЕССОР

Это лопастная машина, позволяющая использовать энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания — наддува.

Наддув позволяет увеличить количество подаваемого в цилиндры двигателя воздуха, что позволяет сжигать в том же рабочем объёме цилиндра больше топлива. Т. е. при том же рабочем объёме двигателя увеличивается его мощность.

Также при повышении давления в цилиндре улучшаются условия сгорания топлива, растёт экономичность двигателя и уменьшается токсичность выхлопных газов.

Дополнительное снижение расхода топлива обусловлено использованием для привода компрессора избыточной энергии выхлопных газов.

Поэтому турбонаддув сегодня всё шире применяется в двигателестроении.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из 3-х основных элементов:

• компрессор

• турбина

• корпус подшипников

ТУРБИНА

Турбина также состоит из корпуса и рабочего колеса. Колесо турбины жёстко связано с колесом компрессора валом. В автотракторном двигателестроении наиболее распространены радиально-осевые турбины.

Отработавшие газы из двигателя подаются во входной патрубок турбины, а затем в спиральный канал корпуса турбины (улитку), который обеспечивает равномерный вход газа в рабочее колесо. Проходя через межлопаточные каналы колеса, от его периферии к центру, за счёт специального профиля лопаток, газ расширяется и охлаждается, при этом тепловая энергия газа преобразуется в механическую работу вращения колеса. Мощность, развиваемая на турбине, передаётся на колесо компрессора и обеспечивает его работу.
          
Размеры всех элементов турбины и её рабочего колеса определяются исходя из необходимой мощности на привод компрессора и на основании анализа располагаемой энергии отработавшего газа в выхлопном коллекторе двигателя. Для каждого двигателя параметры турбины подбираются индивидуально. Так, например: при уменьшении проходного сечения канала улитки увеличивается скорость движения потока газа в ней, что способствует увеличению частоты вращения рабочего колеса и мощности турбины.
          
Различают турбины, работающие при постоянном давлении газа перед турбиной, и импульсные. В первом случае на двигателе применяются сравнительно простые выпускные коллектора относительно большого сечения. Во втором случае в турбине используется энергия импульсов газового потока, обусловленная импульсным характером выхода газов из цилиндров, что способствует повышению эффективности работы турбины. При этом выхлопной коллектор имеет относительно небольшое сечение и состоит из двух коллекторов, каждый из которых соединён с определённой группой цилиндров. Этим обеспечивается равномерное чередование импульсов давления и отсутствие их взаимного наложения. Улитка импульсной турбины делится перегородкой на два канала, каждый из которых соединён со своим коллектором.
          
С учётом высоких температур газа в турбине (до 800…9000С) корпуса турбин отливаются из чугуна специального состава. Рабочие колёса отливаются из жаропрочного сплава.
Рабочее колесо турбины соединяется со стальным валом сваркой трением и в сборе называются ротором. В месте сварки вал ротора имеет внутреннюю полость, препятствующую теплопередаче от колеса в вал.
          
Частота вращения ротора достигает, в зависимости от размерности ТКР и условий его работы на данном двигателе 90000…200000 об/мин и выше. Поэтому вращающиеся детали ТКР требуют очень точной балансировки. Это достигается балансировкой в три этапа:
— балансировка ротора и колеса компрессора отдельно,
— балансировка ротора в сборе с колесом компрессора,
— проверка дисбаланса картриджа в сборе (ротор с колесом компрессора в сборе с корпусом подшипников), дополнительная балансировка при необходимости.
          
Не допускается самостоятельная разборка ТКР в эксплуатации, т. к. при этом нарушается взаимное положение деталей ротора и балансировка

КОМПРЕССОР

Компрессор состоит из корпуса и колеса компрессора. В автотракторных двигателях самое широкое распространение получили компрессоры центробежного типа. При вращении колеса компрессора воздух засасывается лопатками через входной патрубок, расположенный в средней части корпуса компрессора. При прохождении через межлопаточные каналы колеса аэродинамическими и центробежными силами поток воздуха ускоряется. За колесом воздух проходит через кольцевую щель (диффузор) и через спиральный канал (улитку) корпуса компрессора, где постепенно тормозится. При этом повышается давление, достигая максимального значения на выходе из улитки.

Необходимые параметры наддува, т. е. давление и расход воздуха на входе в двигатель, определяются исходя из рабочего объёма двигателя, необходимой мощности и частоты вращения. Геометрические размеры всех элементов компрессора выбираются на основании сложных газодинамических расчётов для достижения заданных параметров наддува. Поэтому для каждого двигателя выбор компрессора индивидуален.

Как правило, колесо и корпус компрессора отливаются из алюминиевых сплавов.

КОРПУС ПОДШИПНИКОВ

Корпус подшипников служит для крепления корпусов компрессора и турбины и для размещения подшипников ротора. Ротор вращается в подшипниках скольжения (чаще всего бронзовые или алюминиевые втулки). Между наружной поверхностью подшипников и посадочной поверхностью подшипников в корпусе также имеется зазор, заполненный маслом. Этот зазор играет роль демпфера при радиальных смещениях ротора в подшипниках. Подшипники могут свободно вращаться в корпусе подшипников или зафиксированы в нём от вращения специальным элементом — фиксатором.

Осевое перемещение ротора ограничивается упорным подшипником, состоящим из собственно упорного подшипника, закреплённого в задней стенке компрессора, и двух стальных упорных шайб, закреплённых на валу ротора. Упорный подшипник изготавливается из бронзы или из спечённого материала на основе бронзографита.
Масло в подшипники подаётся под давлением из системы смазки двигателя через штуцер на корпусе подшипников и сливается через специальное отверстие в картер двигателя.
 

Недостаточное поступление масла в подшипники ротора приводит к мгновенному задиру подшипников. Затруднённый слив масла из корпуса подшипников приводит к заполнению внутренней полости корпуса маслом и выдавливанию его через уплотнения ротора в компрессор и турбину.
 

Попаданию масла из корпуса подшипников в компрессор и турбину препятствуют специальные уплотнения ротора, представляющие собой разрезные чугунные кольца, вставленные в канавки кольцедержателей на роторе. Кольца наружной поверхностью плотно, без просветов, прижимаются к уплотняемым поверхностям в задней стенке корпуса компрессора и корпуса подшипников со стороны турбины. При этом в замке колец выдерживается минимальный, по условиям собираемости, зазор. Боковые стенки колец и канавок кольцедержателей обрабатываются с высоким качеством. Между кольцами и стенками канавок также выдерживаются минимальные зазоры.

Уплотнение ротора обеспечивается за счёт гидродинамических взаимодействий между боковыми поверхностями колец и стенками канавок, а также за счёт того, что давление воздуха и газа со стороны компрессора и турбины на большинстве режимов работы двигателя больше, чем в корпусе подшипников.

На режиме холостого хода двигателя, возможно, что давление в корпусе подшипников окажется больше, чем давление перед уплотнением со стороны компрессора. В этом случае вероятна утечка масла из корпуса подшипников через уплотнение в компрессор. Поэтому не рекомендуется длительная (более 5 мин) работа двигателя на холостом ходу.
 

Помимо уплотнений ротора в корпусе подшипников, перед уплотнением ротора со стороны компрессора, размещён маслоотражающий экран. Экран препятствует прямому попаданию масла, сливаемого через торцы радиального подшипника ротора, на колечное уплотнение и снижает вероятность утечки масла в компрессор. Для этой же цели на роторе перед уплотнением компрессора расположен маслоотражатель, выполненный в виде диска. Масло, попадая на маслоотражатель, сбрасывается с него под действием центробежных сил.
 

При работе турбокомпрессора имеет место теплообмен между горячей турбиной и относительно холодным компрессором. И охлаждение турбин, и нагрев компрессора одинаково отрицательно влияют на эффективность турбокомпрессора в целом. Для снижения теплопередачи служит теплоизолирующий экран, расположенный между корпусом турбины и корпусом подшипников. Этой же цели служит конструкция крепления корпуса турбины на корпусе подшипников. В некоторых случаях используются специальные термоизолирующие прокладки между корпусами. Уменьшению тепла, передаваемого в компрессор, также способствует охлаждение корпуса подшипников маслом.

Проект ветряной турбины для системы ветряных турбин

В основе любой системы производства возобновляемой энергии ветра лежит ветровая турбина . Конструкция ветряной турбины обычно состоит из ротора, генератора постоянного тока (DC) или генератора переменного тока (AC), который установлен на башне высоко над землей.

Итак, как ветряные турбины предназначены для производства электроэнергии. Проще говоря, ветряная турбина — это противоположность домашнему или настольному вентилятору. Вентилятор использует электричество из сети для вращения и циркуляции воздуха, создавая ветер.

С другой стороны, конструкции ветряных турбин используют силу ветра для выработки электроэнергии. Движение ветра вращает лопасти турбины, которые улавливают кинетическую энергию ветра и преобразуют эту энергию во вращательное движение через вал для привода электрического генератора и выработки электроэнергии, как показано на рисунке.

Типовая конструкция генератора ветровой турбины

На изображении выше показаны основные компоненты, из которых состоит типичная конструкция ветряной турбины . Ветряная турбина извлекает кинетическую энергию из ветра, замедляя его и передавая эту энергию вращающемуся валу, поэтому важно иметь хорошую конструкцию. Доступная мощность ветра, доступная для сбора урожая, зависит как от скорости ветра, так и от площади, охватываемой вращающимися лопастями турбины.

Таким образом, чем выше скорость ветра или больше лопасти ротора, тем больше энергии можно извлечь из ветра. Таким образом, мы можем сказать, что производство энергии ветровой турбиной зависит от взаимодействия между лопастями ротора и ветром, и именно это взаимодействие важно для конструкции ветряной турбины .

Чтобы улучшить это взаимодействие и, следовательно, повысить эффективность, доступны два типа конструкции ветряной турбины. Общая горизонтальная ось и конструкция ветряной турбины с вертикальной осью. Конструкция ветряной турбины с горизонтальной осью улавливает больше ветра, поэтому выходная мощность выше, чем у конструкции ветряной турбины с вертикальной осью. Недостатком конструкции с горизонтальной осью является то, что башня, необходимая для поддержки ветряной турбины, намного выше, а конструкция лопастей ротора должна быть намного лучше.

Типовая конструкция ветряной турбины

Турбина с вертикальной осью или VAWT проще в проектировании и обслуживании, но обеспечивает более низкую производительность, чем ветряная турбина с горизонтальной осью, из-за высокого сопротивления простой конструкции лопасти ротора. Большинство ветряных турбин, вырабатывающих электроэнергию сегодня, как в коммерческих, так и в домашних условиях, представляют собой машины с горизонтальной осью, поэтому именно эти типы конструкции ветряной турбины мы рассмотрим в этом учебном пособии по ветряным турбинам.

Ротор — это основная часть конструкции современной ветровой турбины, которая собирает энергию ветра и преобразует ее в механическую энергию в форме вращения. Ротор состоит из двух или более лопастей из ламинированного дерева, стекловолокна или металла и защитной втулки, которая вращается (отсюда и название) вокруг центральной оси.

Подобно крылу самолета, лопасти ветряной турбины благодаря своей изогнутой форме создают подъемную силу. Лопасти несущего винта извлекают часть кинетической энергии из движущихся воздушных масс по принципу подъемной силы со скоростью, определяемой скоростью ветра и формой лопастей. Конечным результатом является подъемная сила, перпендикулярная направлению потока воздуха. Затем хитрость заключается в том, чтобы спроектировать лопасти несущего винта таким образом, чтобы создать необходимую подъемную силу и тягу лопасти несущего винта, обеспечивающие оптимальное замедление воздуха и не более того.

К сожалению, лопасти ротора турбины не улавливают на 100% всю мощность ветра, так как это означало бы, что воздух за лопастями турбины был бы совершенно неподвижным и, следовательно, не позволял бы ветру проходить через лопасти. Теоретический максимальный КПД, который лопасти ротора турбины могут извлекать из энергии ветра, составляет от 30 до 45% и зависит от следующих переменных лопасти ротора: Конструкция лопасти , Номер лопасти , Длина отвала , Шаг/угол отвала , Форма отвала и Материалы и вес отвала и многие другие.

Конструкция лопастей – Конструкции лопастей ротора работают либо по принципу подъемной силы, либо по принципу сопротивления для извлечения энергии из движущихся воздушных масс. В конструкции подъемных лопастей используется тот же принцип, который позволяет самолетам, воздушным змеям и птицам летать, создавая подъемную силу, перпендикулярную направлению движения. Лопасть несущего винта представляет собой аэродинамическое крыло или крыло, по форме похожее на крыло самолета. Когда лопасть рассекает воздух, между верхней и нижней поверхностями лопасти создается перепад скорости ветра и давления.

Давление на нижнюю поверхность больше и, таким образом, «поднимает» лезвие вверх, поэтому мы хотим сделать эту силу как можно большей. Когда лопасти прикреплены к центральной оси вращения, как ротор ветряной турбины, эта подъемная сила преобразуется во вращательное движение.

Этой подъемной силе противодействует сила сопротивления, параллельная направлению движения и вызывающая турбулентность вокруг задней кромки лопасти, когда она рассекает воздух. Эта турбулентность тормозит лопасть, поэтому мы хотим сделать эту силу сопротивления как можно меньше. Сочетание подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.

Конструкции сопротивления больше используются для вертикальных конструкций ветряных турбин, которые имеют большие чашеобразные или изогнутые лопасти. Ветер буквально расталкивает лопасти, прикрепленные к центральному валу. Преимущества лопастей несущего винта с тормозной конструкцией заключаются в более низких скоростях вращения и высоком крутящем моменте, что делает их полезными для перекачки воды и питания сельскохозяйственной техники. Ветряные турбины с подъемным двигателем имеют гораздо более высокую скорость вращения, чем тяговые, и поэтому хорошо подходят для выработки электроэнергии.

Количество лопастей — количество лопастей ротора в конструкции ветряной турбины обычно определяется аэродинамической эффективностью и стоимостью. Идеальная конструкция ветряной турбины должна иметь много тонких лопастей ротора, но большинство генераторов ветряных турбин с горизонтальной осью имеют только одну, две или три лопасти ротора.

Увеличение количества лопастей ротора выше трех дает лишь небольшое увеличение эффективности ротора, но увеличивает его стоимость, поэтому обычно не требуется более трех лопастей, но для домашнего использования доступны небольшие многолопастные турбогенераторы с высокой скоростью вращения. Как правило, чем меньше количество лопастей, тем меньше материала требуется при изготовлении, что снижает их общую стоимость и сложность.

Однолопастные роторы имеют противовес на противоположной стороне ротора, но страдают от высокого напряжения материала и вибрации из-за их неплавного вращательного движения одиночной лопасти, которая должна двигаться быстрее, чтобы улавливать такое же количество энергии ветра.

Также с одним или даже двумя лопастными роторами большая часть доступного движения воздуха и, следовательно, ветровой энергии проходит через непроходимую площадь поперечного сечения турбины, не взаимодействуя с ротором, что снижает их эффективность.

С другой стороны, многолопастные роторы имеют более плавное вращение и более низкий уровень шума. Более низкие скорости вращения и крутящий момент возможны с многолопастными конструкциями, что снижает нагрузку на трансмиссию, что приводит к снижению затрат на редуктор и генератор. Однако конструкции ветряных турбин с большим количеством лопастей или очень широкими лопастями будут подвергаться воздействию очень больших сил при очень сильном ветре, поэтому в большинстве конструкций ветряных турбин используются три лопасти ротора.

Нечетное или четное количество лопастей ротора – конструкция ветряной турбины с «ЧЕТНЫМ» количеством лопастей ротора, 2, 4 или 6 и т. д., может страдать от проблем со стабильностью при вращении. Это связано с тем, что каждая лопасть ротора имеет точно противоположную лопасть, расположенную под углом 180 9 .0065 или в обратном направлении.

Когда ротор вращается, в тот самый момент, когда самая верхняя лопасть направлена ​​вертикально вверх (положение на 12 часов), самая нижняя лопасть направлена ​​прямо вниз перед опорной башней турбины. В результате самая верхняя лопасть изгибается назад, потому что она получает максимальную силу от ветра, называемую «распорной нагрузкой», а нижняя лопасть проходит в свободную от ветра зону непосредственно перед опорной башней.

Уже в продаже

Технология ветряных турбин: принципы и конструкция

Это неравномерное изгибание лопастей ротора турбины (самая верхняя изогнута на ветру, а самая нижняя прямая) при каждом вертикальном выравнивании создает нежелательные силы на лопасти ротора и вал ротора, когда две лопасти изгибаются вперед и назад. как они вращаются. Для небольшой турбины с жесткими алюминиевыми или стальными лопастями это может не быть проблемой, в отличие от более длинных лопастей из пластика, армированного стекловолокном.

Конструкция ветряной турбины с нечетным числом лопастей ротора (не менее трех лопастей) вращается более плавно, поскольку гироскопические и изгибающие силы более равномерно распределяются между лопастями, что повышает устойчивость турбины.

Наиболее распространенная конструкция ветряной турбины с нечетными лопастями – это трехлопастная турбина. Энергетическая эффективность трехлопастного ротора немного выше, чем у двухлопастного ротора аналогичного размера, а благодаря дополнительной лопасти они могут вращаться медленнее, что снижает износ и шум.

Кроме того, чтобы избежать турбулентности и взаимодействия между соседними лопастями, расстояние между каждой лопастью многолопастной конструкции и скорость ее вращения должны быть достаточно большими, чтобы одна лопасть не встречала возмущенный, более слабый воздушный поток, вызванный предыдущей лезвие проходит ту же точку непосредственно перед ним. Из-за этого ограничения большинство ветряных турбин нечетного типа имеют максимум три лопасти на роторе и обычно вращаются с более низкой скоростью.

Как правило, трехлопастные роторы турбин лучше вписываются в ландшафт, более эстетичны и более аэродинамически эффективны, чем конструкции с двумя лопастями, что способствует тому, что трехлопастные ветряные турбины доминируют на рынке ветроэнергетики. Хотя отдельные производители выпускают двух- и шестилопастные турбины (для парусных лодок).

Другие преимущества роторов с нечетными (тремя) лопастями включают более плавную работу, меньший уровень шума и меньшее количество столкновений с птицами, что компенсирует недостаток более высоких материальных затрат. Количество лопастей существенно не влияет на уровень шума.

Длина лопасти ротора. Три фактора определяют, сколько кинетической энергии может быть извлечено из ветра ветряной турбиной: «плотность воздуха», «скорость ветра» и «площадь ротора». Плотность воздуха зависит от того, насколько вы находитесь над уровнем моря, а скорость ветра зависит от погоды. Однако мы можем контролировать площадь вращения, охватываемую лопастями ротора, увеличивая их длину, поскольку размер ротора определяет количество кинетической энергии, которую ветряная турбина может получить от ветра.

Лопасти ротора вращаются вокруг центрального подшипника, образуя идеальный круг 360 ^o , когда он вращается, и, как мы знаем из школы, площадь круга определяется как: π.r ² . Таким образом, по мере увеличения охватываемой площади ротора площадь, которую он покрывает, также увеличивается пропорционально квадрату радиуса. Так, удвоение длины лопастей турбины приводит к увеличению ее площади в четыре раза, что позволяет получать в четыре раза больше энергии ветра. Однако это значительно увеличивает размер, вес и, в конечном счете, стоимость конструкции ветряной турбины.

Одним из важных аспектов длины лопасти является вращательная конечная скорость ротора, являющаяся результатом угловой скорости. Чем больше длина лопасти турбины, тем быстрее вращение наконечника при данной скорости ветра. Точно так же для данной длины лопасти ротора чем выше скорость ветра, тем быстрее вращение.

Тогда почему бы нам не разработать конструкцию ветряной турбины с очень длинными лопастями ротора, работающую в ветреную среду и производящую много бесплатной электроэнергии из ветра. Ответ заключается в том, что возникает точка, в которой длина лопастей ротора и скорость ветра фактически снижают выходную эффективность турбины. Вот почему многие более крупные конструкции ветряных турбин вращаются с гораздо меньшей скоростью.

Эффективность зависит от того, насколько быстро вращается наконечник ротора при заданной скорости ветра, создавая постоянное отношение скорости ветра к скорости вращения наконечника, называемое «отношением скорости вращения наконечника» ( λ ), которое представляет собой безразмерную единицу, используемую для максимизации эффективности ротора. Другими словами, «отношение скорости кончика лопасти» (TSR) — это отношение скорости конца вращающейся лопасти в об/мин к скорости ветра в километрах в час (км/ч) или милях в час (миль в час). ).

Хорошая конструкция ветряной турбины определяет мощность ротора при любом сочетании ветра и скорости вращения ротора. Чем больше этот коэффициент TSR, тем быстрее вращение ротора ветродвигателя при заданной скорости ветра. Скорость вращения вала, на которой закреплен ротор, также указывается в оборотах в минуту (об/мин) и зависит от скорости вращения наконечника и диаметра лопастей турбины.

Скорость вращения турбины определяется как: об/мин = скорость ветра x передаточное отношение x 60 / (диаметр x π).

Если ротор турбины вращается слишком медленно, он позволяет беспрепятственно проходить слишком большому количеству ветра и, таким образом, не извлекает столько энергии, сколько мог бы. С другой стороны, если лопасть ротора вращается слишком быстро, она кажется ветру одним большим плоским вращающимся круглым диском, который создает большое сопротивление и потери на острие, замедляющие ротор. Поэтому важно согласовать скорость вращения ротора турбины с конкретной скоростью ветра, чтобы получить оптимальный КПД.

Роторы турбины с меньшим количеством лопастей достигают максимальной эффективности при более высоком соотношении скоростей вращения лопастей, и, как правило, трехлопастные ветряные турбины для выработки электроэнергии имеют отношение скоростей лопастей от 6 до 8, но они будут работать более плавно, поскольку они имеют три лопасти. С другой стороны, турбины, используемые для перекачивания воды, имеют более низкое передаточное число от 1,5 до 2, поскольку они специально разработаны для создания высокого крутящего момента на низких скоростях.

Шаг/угол лопасти ротора — лопасти ротора ветряной турбины с фиксированной конструкцией, как правило, не являются прямыми или плоскими, как крылья аэродинамического профиля самолета, а вместо этого имеют небольшой изгиб и сужение по длине от кончика до основания, чтобы обеспечить различные скорости вращения вдоль клинок. Этот поворот позволяет лопасти поглощать энергию ветра, когда ветер дует на нее с разных тангенциальных углов, а не только прямо. Прямая или плоская лопасть перестанет создавать подъемную силу и может даже остановиться (заглохнуть), если лопасть обдувается ветром под разными углами, называемыми «углом атаки», особенно если этот угол атаки слишком крутой.

Поэтому, чтобы лопасть ротора имела оптимальный угол атаки, увеличивающий подъемную силу и эффективность, лопасти конструкции ветряной турбины обычно скручены по всей длине лопасти. Кроме того, этот поворот в конструкции ветряной турбины предотвращает слишком быстрое вращение лопастей ротора при высоких скоростях ветра.

Однако для очень крупных конструкций ветряных турбин, используемых для выработки электроэнергии, такое скручивание лопастей может сделать их конструкцию очень сложной и дорогой, поэтому используется какая-то другая форма аэродинамического контроля, чтобы удерживать угол атаки лопастей идеально выровненным. с направлением ветра.

Аэродинамическую мощность, создаваемую ветровой турбиной, можно контролировать, регулируя угол наклона ветряной турбины в зависимости от угла атаки ветра при вращении каждой лопасти вокруг своей продольной оси. Затем лопасти несущего винта с регулируемым шагом могут быть более плоскими и более прямыми, но, как правило, эти большие лопасти имеют аналогичную крутку по своей геометрии, но намного меньше, чтобы оптимизировать тангенциальную нагрузку на лопасть несущего винта.

Каждая лопасть ротора имеет вращательный механизм скручивания, пассивный или динамический, встроенный в основание лопасти, обеспечивающий равномерное увеличение шага по всей длине (постоянное скручивание). Требуемый шаг составляет всего несколько градусов, так как небольшие изменения угла наклона могут иметь существенное влияние на выходную мощность, поскольку мы знаем из предыдущего урока, что энергия, содержащаяся в ветре, пропорциональна кубу скорости ветра.

Одним из основных преимуществ управления шагом лопастей несущего винта является увеличение окна скорости ветра. Положительный угол наклона создает большой пусковой момент, когда ротор начинает вращаться, уменьшая скорость ветра при включении. Точно так же при высоких скоростях ветра, когда достигается предел максимальной скорости ротора, можно управлять шагом, чтобы не допустить превышения предела скорости вращения ротора за счет снижения их эффективности и угла атаки.

Регулирование мощности ветряной турбины может быть достигнуто за счет управления шагом лопастей ротора для уменьшения или увеличения подъемной силы на лопастях путем управления углом атаки. Меньшие лопасти ротора достигают этого за счет небольшого поворота в своей конструкции.

Большие коммерческие ветряные турбины используют управление шагом либо пассивно, с помощью центробежных пружин и рычагов (аналогично винтам вертолета), либо активно, используя небольшие электродвигатели, встроенные в ступицу лопастей, чтобы повернуть ее на несколько градусов. Основными недостатками управления шагом являются надежность и стоимость.

Уже в продаже

Power from the Wind — 2nd Edition: A Practice…

Конструкция лопастей – кинетическая энергия, извлекаемая из ветра, зависит от геометрии лопастей ротора, поэтому важно определить аэродинамически оптимальную форму и конструкцию лопастей.

Но наряду с аэродинамическим дизайном лопасти несущего винта не менее важен конструктивный дизайн. Конструктивный дизайн состоит из выбора материала лопастей и прочности, поскольку лопасти изгибаются и изгибаются под действием энергии ветра во время их вращения.

Очевидно, что идеальный конструкционный материал для лопасти ротора должен сочетать в себе необходимые конструктивные свойства, такие как высокая удельная прочность, высокая усталостная долговечность, жесткость, частота собственных колебаний и сопротивление усталости, а также низкая стоимость и способность легко формоваться. в желаемую аэродинамическую форму.

Лопасти ротора небольших турбин, используемых в жилых помещениях, мощностью от 100 Вт и выше, как правило, изготавливаются из цельного резного дерева, древесных ламинатов или композитов с деревянным шпоном, а также из алюминия или стали. Деревянные лопасти ротора прочны, легки, дешевы, гибки и популярны в большинстве самодельных конструкций ветряных турбин, поскольку их легко изготовить. Однако низкая прочность древесных ламинатов по сравнению с другими древесными материалами делает их непригодными для лопастей тонкой конструкции, работающих при высоких скоростях острия.

Алюминиевые лезвия также легкие, прочные и с ними легко работать, но они дороже, легко гнутся и подвержены усталости металла. Точно так же стальные лопасти используют самый дешевый материал и могут быть сформированы в виде изогнутых панелей в соответствии с требуемым профилем аэродинамического профиля. Однако в стальные панели гораздо труднее придать изгиб, а в сочетании с плохими усталостными свойствами, означающими, что они ржавеют, сталь используется редко.

Лопасти несущего винта, используемые для очень большой горизонтальной оси 9Ветряная турбина 0003 конструкции изготавливается из армированных пластиковых композитов, наиболее распространенными из которых являются композиты из стекловолокна/полиэфирной смолы, стекловолокна/эпоксидной смолы, стекловолокна/полиэфира и углеродного волокна. Композиты из стекловолокна и углеродного волокна имеют значительно более высокое отношение прочности на сжатие к весу по сравнению с другими материалами. Кроме того, стекловолокно легкое, прочное, недорогое, обладает хорошими усталостными характеристиками и может использоваться в различных производственных процессах.

Размер, тип и конструкция ветряной турбины, которая может вам понадобиться, зависят от вашего конкретного применения и требований к мощности. Конструкции малых ветряных турбин варьируются в размерах от 20 Вт до 50 киловатт (кВт), а меньшие или «микро» (от 20 до 500 Вт) турбины используются в жилых районах для различных применений, таких как производство электроэнергии для зарядки аккумуляторов и питания. огни.

Энергия ветра является одним из самых быстрорастущих источников возобновляемой энергии в мире, поскольку это чистый, широко распространенный энергетический ресурс, который имеется в изобилии, имеет нулевую стоимость топлива и технологию производства электроэнергии без выбросов. Большинство современных генераторов ветряных турбин, доступных сегодня, предназначены для установки и использования в жилых помещениях.

В результате они изготавливаются меньше и легче, что позволяет быстро и легко монтировать их непосредственно на крышу, на короткую опору или башню. Установка более нового турбогенератора как части вашей домашней ветроэнергетической системы позволит вам сократить большую часть более высоких затрат на обслуживание и установку более высокой и дорогой турбинной башни, как это было раньше.

В следующем уроке о Энергия ветра мы рассмотрим работу и конструкцию генераторов ветряных турбин, используемых для выработки электроэнергии как части домашней ветровой генерирующей системы.

Ветряная мельница (DB-400) 400W 12V Генератор ветряной турбины…

2000 Вт 11 Blade Missouri General™ Freedom II…

Уже в продаже

Комплект солнечной энергии ветра ECO-WORTHY 500 Вт: 1x 400 Вт…

ALEKO WG450A 450 Вт, 24 В, ветровой…

Стили дизайна

Небольшие многолопастные турбины все еще используются для перекачки воды. Они имеют относительно низкую аэродинамическую эффективность, но при большой площади лопастей могут обеспечить высокий пусковой момент (крутящее усилие). Это позволяет ротору вращаться при очень слабом ветре и подходит для перекачки воды.

Большинство современных ветряных турбин имеют три лопасти, хотя в 1980-х и начале 1990-х годов были предприняты некоторые попытки вывести на рынок одно- и двухлопастные ветряные турбины.

Однолопастная конструкция (рис. 3.4) является наиболее конструктивно эффективной для рабочей лопатки, так как имеет наибольшие размеры сечения лопатки при всей установленной площади поверхности лопатки в одной балке. Выключение (парковка) ветряных турбин при очень сильном ветре является нормальным явлением, чтобы защитить их от повреждений. Это связано с тем, что они, как правило, испытывают гораздо более высокие нагрузки на лопасти и башни, если продолжают работать. Конструкция с одной лопастью позволяет использовать уникальные стратегии парковки — с одной лопастью, действующей как флюгер или с подветренной стороны за башней, — что может свести к минимуму воздействие штормовой нагрузки. Однако есть ряд недостатков. Наличие противовеса для статической балансировки ротора снижает аэродинамическую эффективность и сложную динамику, требующую шарнира лопасти для снятия нагрузки. Конструкции Riva Calzoni, MAN, Messerschmidt и других имели слишком высокую скорость наконечника, чтобы быть приемлемыми на современном европейском рынке с акустической точки зрения.

Рисунок 3.4 Однолопастная ветряная турбина

Двухлопастная конструкция несущего винта (рис. 3.5) технически не уступает устоявшейся трехлопастной конструкции. В интересах потенциально более простой и эффективной конструкции несущего винта с большим количеством вариантов установки несущего винта и гондолы необходимо либо принять более высокую циклическую нагрузку, либо ввести сложный шарнир качания. Шарнир качания позволяет двум лопастям несущего винта двигаться как одна балка обычно на ± 7 ° при вращении вне плоскости. Допуск этого небольшого движения может значительно снизить нагрузку на систему ветровой турбины, хотя некоторые критические нагрузки возвращаются, когда движение качания достигает своих конечных пределов. Двухлопастной несущий винт аэродинамически немного менее эффективен, чем трехлопастной.

В целом, роторы с увеличенным числом лопастей имеют небольшие преимущества. Это связано с минимизацией потерь на концах лопастей. Эти потери в совокупности меньше для большого числа узких концов лопаток, чем для нескольких широких.

При проектировании ротора рабочая скорость или диапазон рабочих скоростей обычно выбирается в первую очередь с учетом таких факторов, как излучение акустического шума. При выбранной скорости следует, что существует оптимальная общая площадь лопастей для максимальной эффективности ротора. Количество лопастей, в принципе, открытое, но большее количество лопастей означает более тонкие лопасти для фиксированной (оптимальной) общей площади лопастей. Это суммирует общие принципы, влияющие на количество лезвий.

Заметьте также, что было бы полным заблуждением полагать, что удвоение количества лопастей удвоит мощность ротора. Скорее, это уменьшило бы мощность, если бы ротор был изначально хорошо сконструирован.

Рисунок 3.5 Двухлопастные ветряные турбины, Carter Wind Turbines Ltd

Трудно выделить общую экономическую выгоду двух- и трехлопастной конструкции. В общем случае неверно предполагать, что при двухлопастной конструкции экономится стоимость одной из трех лопастей, так как две лопасти двухлопастного винта не тождественны двум лопастям трехлопастного винта. Роторы с двумя лопастями обычно работают с гораздо более высокой скоростью вращения, чем роторы с тремя лопастями, поэтому у большинства исторических конструкций были проблемы с шумом. Тем не менее, нет никакой фундаментальной причины для более высокой скорости острия, и это следует не принимать во внимание при объективном техническом сравнении конструктивных достоинств двух и трех лопастей.

Таким образом, однолопастной ротор технически более проблематичен, в то время как двухлопастный ротор технически приемлем. Решающим фактором в устранении однолопастной конструкции ротора с коммерческого рынка и почти полном отказе от двухлопастной конструкции был визуальный эффект. Явно неустойчивое прохождение лопастей через цикл вращения часто вызывает возражения.

Первоначально большинство ветряных турбин работали с фиксированной скоростью при производстве энергии. В пусковой последовательности ротор может быть припаркован (остановлен), а при отпускании тормозов будет ускоряться ветром до тех пор, пока не будет достигнута требуемая фиксированная скорость. В этот момент будет выполнено подключение к электросети, а затем сеть (через генератор) будет поддерживать постоянную скорость. Когда скорость ветра превышала уровень, при котором вырабатывалась номинальная мощность, мощность регулировалась одним из ранее описанных способов: срывом или наклоном лопастей.

Впоследствии была введена работа с переменной скоростью. Это позволило согласовать ротор и скорость ветра, и, таким образом, ротор мог поддерживать наилучшую геометрию потока для максимальной эффективности. Ротор может быть подключен к сети на низких скоростях при очень слабом ветре и будет ускоряться пропорционально скорости ветра. По мере приближения к номинальной мощности и, конечно же, после достижения номинальной мощности ротор возвращался к работе почти с постоянной скоростью, при этом лопасти наклонялись по мере необходимости для регулирования мощности. Важные различия между работой с переменной скоростью, используемой в современных больших ветряных турбинах, и более старой обычной работой с фиксированной скоростью:

• Переменная скорость при работе ниже номинальной мощности может обеспечить увеличение захвата энергии
• Способность изменять скорость выше номинальной мощности (даже в довольно небольшом диапазоне скоростей) может существенно снизить нагрузку, облегчить режим работы системы шага и значительно снизить изменчивость выходной мощности

Конструктивные вопросы шага по отношению к срыву и степени изменения скорости вращения ротора, очевидно, связаны.

В 1980-х преобладала классическая датская трехлопастная конструкция с фиксированной скоростью и регулируемой скоростью. Аэродинамики за пределами ветроэнергетики (например, для вертолетов и газовых турбин) были шокированы идеей использования срыва. Тем не менее, из-за постепенного срыва ротора ветряной турбины он оказался полностью жизнеспособным способом эксплуатации ветряной турбины и использования, а не предотвращения срыва. Это один из уникальных аспектов ветроэнергетики.

Активное управление шагом — это термин, используемый для описания системы управления, в которой лопасти качаются вдоль своей оси, как лопасть гребного винта. Этот подход, на первый взгляд, предлагал лучшее управление, чем регулирование сваливания, но опыт показал, что управление шагом ветряной турбины с фиксированной скоростью при высоких рабочих скоростях ветра выше номинальной скорости ветра (минимальная устойчивая скорость ветра, при которой турбина может производить свою номинальную выходную мощность). ) может быть весьма проблематичным. Причины сложны, но в турбулентных (постоянно меняющихся) ветровых условиях требуется поддерживать регулировку шага до наиболее подходящего угла и высоких нагрузок, а чрезмерные колебания мощности могут возникать всякий раз, когда система управления «захватывается» лопастями в направлении. неправильное положение.

Ввиду таких трудностей, наиболее остро проявлявшихся при высоких эксплуатационных скоростях ветра (скажем, от 15 м/с до 25 м/с), управление по тангажу в сочетании с жестко фиксированной скоростью стало считаться «сложной» комбинацией. Vestas первоначально решила эту проблему, внедрив OptiSlip (степень активной переменной скорости с управлением шагом в режиме ограничения мощности, которая позволяет изменять скорость примерно на 10% с использованием индукционного генератора с высоким скольжением). Suzlon в настоящее время использует аналогичную технологию Flexslip с максимальным проскальзыванием 17%. Изменение скорости помогает регулировать мощность и снижает потребность в быстром тангаже.

Переменная скорость имеет некоторые преимущества, но также вызывает вопросы относительно стоимости и надежности. Это рассматривалось как путь в будущее с ожидаемым снижением затрат и улучшением производительности технологии привода с регулируемой скоростью. В какой-то степени это было реализовано. По экономическим соображениям никогда не было явных аргументов в пользу использования переменной скорости, при этом небольшой выигрыш в энергии компенсировался дополнительными затратами, а также дополнительными потерями в приводе с переменной скоростью. Текущее стремление к переменной скорости в новых больших ветряных турбинах связано с большей эксплуатационной гибкостью и опасениями по поводу качества электроэнергии традиционных ветряных турбин с регулируемым остановом. Двухскоростные системы появились в 1980-х и 1990-х годов в качестве компромисса, улучшающего улавливание энергии и характеристики шума ветряных турбин с регулируемой остановкой. Конструкция с регулируемым остановом остается жизнеспособной, но технология переменной скорости обеспечивает лучшее качество выходной мощности в сеть, и в настоящее время она определяет путь проектирования самых больших машин. Некоторые эксперименты проводятся с комбинацией переменной скорости и регулирования сваливания, но переменная скорость естественным образом сочетается с регулировкой шага. По причинам, связанным с методами управления мощностью, электрическая система регулирования скорости позволяет эффективно управлять шагом, а не сверхактивно.

Другим важным стимулом для применения управления шагом, и в частности управления шагом с независимым шагом каждой лопасти, является признание сертификационными органами того, что это позволяет рассматривать несущий винт как имеющий две независимые тормозные системы, воздействующие на низкоскоростной вал. Следовательно, для общей безопасности машины требуется только стояночный тормоз.

Управление тангажом вошло в технологию ветряных турбин в первую очередь как средство регулирования мощности, которое позволяло избежать срыва, когда срыв, по опыту отраслей, не связанных с ветровой техникой, считался проблематичным, если не катастрофическим. Однако в сочетании с переменной скоростью и передовыми стратегиями управления он предлагает уникальные возможности для ограничения нагрузок и усталости в системе ветряных турбин и почти повсеместно используется в новых конструкциях больших ветряных турбин.