СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ РАБОТАЮЩЕЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ КАРУСЕЛЬНОГО ТИПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF THERMAL PROTECTION FOR OPERATING CAROUSEL-TYPE WIND-DRIVEN POWER PLANT AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Предлагается способ тепловой защиты наружных поверхностей работающей ветротурбины от заносов снегом в зимнее время за счет организации естественной вентиляции воздуха его внутренних полостей и соответствующие конструктивные решения для осуществления способа.
1. Область техники. Изобретение относится к инфраструктуре ветроэнергетики - обеспечению стабильной работы ветроэнергетических установок (ВЭУ) карусельного типа [1-6] в суровых климатических условиях путем использования естественной вентиляции теплого воздуха внутри вращающихся элементов ВЭУ, возникающей вследствие центробежных сил.
Прототипом предлагаемого нами изобретения является ВЭУ Дарье, использующаяся для преобразования энергии ветра в электричество.
Центральные, Северные и Восточные области Казахстана и сопредельная им территория России имеют резко континентальный климат с суровыми зимами и гололедными явлениями. Именно в периоды наибольшей нужды в тепловой и электрической энергии ВЭУ могут быть выведены из строя вследствие заносов мокрым снегом с последующим резким понижением температуры воздуха и образованием тяжелого ледового покрова на них. Есть большая опасность, что с ними случится то же, что и с линией электропередачи, показанной на фиг.1. Одним из возможных путей защиты наружных поверхностей работающей ветротурбины Дарье от налипания мокрого снега является подогрев теплым воздухом, протекающим по внутренним каналам аппарата.
2. Уровень техники. Существуют две наиболее распространенные конструктивные формы ВЭУ Дарье: Н - ротор (фиг.2а) и система тропоскино (фиг.2б). На фиг.2 приведены фотографии эксплуатируемых ныне ветроагрегатов Дарье. Есть сведения, что ВЭУ покрывают гидрофобной краской, что, возможно, защищает от сплошного покрытия дождевыми каплями, но вряд ли сможет уберечь от осаждения (прилипания) влажных снежинок на холодную поверхность деталей ВЭУ при минусовой температуре среды. Поэтому тепловая защита является более радикальным средством. Причем, при сильных морозах он к тому же спасает подшипники от промерзания.
В применении к ВЭУ любой конструкции предлагаемый нами способ не имеет аналогов, если не считать аналогом бытовую отопительную систему.
1
3. Раскрытие изобретения. Принципиальная схема осуществления способа тепловой защиты ВЭУ карусельного типа на примере H - ротора показана на фиг.3. При вращении турбины возникает центробежная сила  (где ρ - плотность воздуха, ω - угловая скорость вращения турбины, l - длина маха), направленная вдоль махов (2) в сторону рабочих лопастей (3), на концах которых имеются отверстия в атмосферу. Махи и рабочие лопасти представляют собой каналы, образованные симметричным крыловым профилем NASA-0021. Под действием силы F воздух внутри маха (2) будет перемещаться к рабочим лопастям (3) ветротурбины и выбрасываться в атмосферу, одновременно вызывая подсос воздуха по вертикальному кольцевому каналу (1), образованному между центральной стойкой ВЭУ и наружным валом вращения. Таким образом, возникает естественная внутренняя вентиляция ветротурбины при круговом движении махов, вызванная действием центробежных сил
Отсюда нетрудно подсчитать перепад давления на концах махов (см. фиг.3)
Течение вязкой жидкости в канале махов испытывает сопротивление трения
1
1
1
где u, d, λ - соответственно среднерасходная скорость, эквивалентный диаметр и коэффициент гидравлического сопротивления канала маха.
Тогда ежесекундная работа центробежных сил на перемещение воздушной массы вдоль маха за вычетом работы на преодоление сил вязкого сопротивления записывается в виде:
1
0
2
где цифра 2 суммирует работу обеих махов (в случае трехлопастной турбины 2 следует заменить на цифру 3). Естественная вентиляция ветротурбины возможна, если работа A будет больше или равна сумме работ по преодолению сопротивления трения в кольцевом канале длиной l и в рабочей лопасти - l
0
0
0
где λ, d, u - известные параметры для кольцевого канала (см. [7]), а также в лопастях
2
2
2
где λ, u, d - соответственно параметры рабочей лопасти (см. обозначения в формуле (3)).
1
2
2
1
1
0
2
Формула (6) получена с учетом того, что d=d и воздух будет двигаться по четырем каналам длиной l со скоростями u/2. Таким образом, необходимым условием определения угловой скорости вращения ветротурбины ω, обеспечивающим естественную вентиляцию элементов турбины, является A≥A+A.
Подставляя выражения (4), (5) и (6), после несложных преобразований получим:
В качестве примера рассмотрим ветротурбину Дарье с прямыми лопастями (фиг.2а) мощностью 6-7 кВт при среднегодовой скорости ветра 6-7 м/с.
Как известно, максимальное значение коэффициента использования энергии ветра ξ=0,45 (см. [2]) находится между величиной быстроходности турбины
Мощность ветротурбин определяется формулой
2
2
2
2
в
0
1
1
1
1
где U - скорость ветра, S - ометаемая поверхность. При U=7 м/с удельная мощность ветра на 1 м N=221,2 Вт. Из этой мощности ветротурбина может снять с каждого квадратного метра миделева сечения ветротурбины не более 100 Вт и 7-и кВт-ная ветротурбина должна иметь S=70 м, т.е. чуть больше 8 м рабочие лопасти и длину махов более 4 м. Махи должны быть расположены на высоте (l) не менее 7 м. Для простоты примем S=64 м, т.е. 8 м × 8 м. Тогда хорда лопастей и махов будет b=1 м [8]. У профиля NASA-0021 отношение периметра крыла Ф к хорде b приблизительно равно 2,1. В этом случае площадь их сечения f=0.14 м, d=0,28 м. Если принять u=2 м/с, то число Рейнольдса в полости l маха Re=37333.
В формуле (7) неизвестным является коэффициент гидравлического сопротивления каналов с формой NASA-0021, применяемых в качестве махов и рабочих лопастей. В связи с этим был поставлен специальный эксперимент с продувкой канала, имеющего форму крылового профиля NASA-0021 [9]. В результате установлен коэффициент его гидравлического сопротивления
-0.488
λ=4,62Re,
1
э
где число Рейнольдса Re определяется по среднерасходной скорости воздуха в канале u и его эквивалентному диаметру d=4f/Ф (f - площадь сечения канала, Ф - его периметр).
2
2
2
3
3
В l полостях Re=18567 и λ=0,034. Расход воздуха в каждом махе Q/2=0.28 м/с или Q=0.56 м/с.
0
0
0
0
0
2
Как уже указывалось, l=7 м. Диаметр центральной стойки положим равным 0,15 м при длине 15 м. Тогда можно использовать подшипники (ОСТ НКСМ 6121-39) внутренним диаметром d=150 мм и внешним D=270 мм. Эквивалентный диаметр кольцевой полости d=0,12 м, а площадь ее сечения 0,188 м. Среднерасходная скорость движения воздуха в этом канале u=3 м/с, число Рейнольдса Re=20000 и λ=0,054. Подставляя значения величин, входящих в формулу (7) найдем, что ω≥1.3 1/с. Таким образом, для естественной вентиляции ветротурбины достаточно всего 12 об/мин, в то время как при скорости ветра 7 м/с для выбранной нами ветротурбины ω=7.875 1/с или 75 об/мин. Заметим, при буревых скоростях ветра 12-15 м/с ветротурбина будет иметь 129-161 об/мин. Таким образом, работа центробежных сил с избытком хватает для организации естественной вентиляции внутри ветротурбины, даже если для усиления жесткости махов и рабочих лопастей внутри их полостей имеется арматура.
Заявленный технический результат в способе тепловой защиты работающей ветротурбины карусельного типам с турбиной Дарье, включающей вертикальную неподвижную стойку на прочном фундаменте, вал вращения, расположенный соосно со стойкой, отделен от нее центрирующими подшипниками и соединен с рабочими лопастями ветротурбины любым из известных способов: либо с помощью махов, либо по системе тропоскино, и генератор тока, связанный с валом вращения для выработки электроэнергии, достигается тем, что с помощью внутренней естественной вентиляции установки, возникающей вследствие центробежной силы, организуется обогрев всех элементов теплым воздухом при обеспечении в конструкции ветротурбины непрерывной проточной системы через весь агрегат с выбросом отработавшего воздуха в атмосферу.
В качестве источников получения теплого воздуха может служить резкое увеличение установленной мощности установки вследствие роста скорости ветра снежных метелей, пурги, бури, т.к. энергия ветра пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому часть энергии уйдет на обеспечение потребителя электроэнергией, а излишняя остальная часть энергии идет на разогрев электрической муфельной печи, через которую протекает и нагревается подсасываемый снаружи атмосферный воздух, и зарядку аккумулятора. Можно использовать для нагрева подсасываемого атмосферного воздуха сжигание баллонного газа для получения необходимого тепла, а вся дополнительная мощность, полученная за счет буревых скоростей, аккумулируется. Применение электрических тэнов для обогрева внешних поверхностей вращающихся ветротурбин не желательно по следующим причинам: при больших токах тэны могут перегореть и во вторых необходимо дополнительное устройство для подключения тэнов к генераторам тока при вращении ветротурбины.
4. Осуществление изобретения
Вариант 1.
На фиг.4 показана принципиальная конструктивная схема позволяющая организовать тепловую защиту вращающейся ветротурбины типа Н - ротор.
Ветроэнергетическая установка, включающая вертикальную неподвижную стойку, нижний конец которой заделан в прочный фундамент, вал вращения, связанный с генератором тока, расположен соосно со стойкой и отделенный от нее центрирующими подшипниками, верхний торец вала вращения соединен с махами, представляющими собой горизонтально расположенные симметричные относительно хорды крыловые профили NASA-0021, на концах которых крепятся рабочие лопасти с профилем NASA-0021 буквой «Т» или «Г» так, чтобы хорда лопастей была направлена по касательной к окружности, описываемой концами махов при вращения ветротурбины, отличается тем, что связанный с генератором тока вал вращения представляет собой проточный кольцевой канал, соединенный с пустотелыми махами, которые в свою очередь соединены с аналогичными каналами рабочих лопастей с образованием единой проточной системы через всю установку, у которого в нижней части имеется возможность для входа теплого воздуха в эту систему, а на концах лопастей - отверстия для выхода воздуха в атмосферу.
Вариант 2.
Ветроэнергетическая установка, включающая вертикальную неподвижную стойку, нижней конец которой заделан в прочный фундамент, вал вращения, связанный с генератором тока, расположенный соосно со стойкой и отделенный от нее центрирующими подшипниками, упругие рабочие лопасти NASA-0021, согнутые в виде лука, нижним концом прикреплены к валу вращения, а верхним концом - к его торцевой части, отличается тем, что вал вращения, связанный с генератором тока, представляет собой два смежных кольцевых канала разной высоты, один из которых соединен с верхним концом согнутой в виде лука пустотелой лопасти ветротурбины, а второй, короткий, - подведен к нижнему концу изогнутой лопасти так, чтобы при подаче теплого воздуха давления в местах соединения вала вращения с лопастями были равны между собой, а выход для отработавшего воздуха в атмосферу находится в средней части лопастей, обеспечивая естественную вентиляцию всей установки.
1
1
I
В случае конструкции ветротурбины Дарье по системе тропоскино (см. фиг.2б) предлагаемый нами способ тепловой защиты остается в силе. Конструктивное оформление ветроагрегата схематично показано на фиг.5. Принципиальное отличие от предыдущей схемы естественной вентиляции полых элементов аппарата заключается лишь в том, чтобы обеспечить равенство статических давлений P на входе в нижнюю половину дугообразной лопасти (7) и P  на входе ее в верхнюю половину (см. фиг.5), т.е.
1
атм
1
атм
I
Тогда перепады давлений Р-Р и P -Р обеспечат одинаковые расходы теплого воздуха как по нижней, так верхней половинкам лопасти (7). В результате имеем три вертикальных кольцевых канала (9), (10), (11) (остальные обозначения элементов ветротурбины те же, что на фиг.4).
5
4
3
2
Для выполнения условия (9) возникает задача найти размеры кольцевого канала (9) (т.е. d-d) в зависимости от отношения Н/l, если известны (заданы) размеры канала (10), т.е. d-d (см. фиг.5).
Как известно [7], гидравлическое сопротивление каналов (9) и (11) определяются по формулам
1
2
Расходы теплого воздуха по каналу (9) Q и по каналу (11) Q будут одинаковыми при выполнении условия (9), т.е.
0
где Q - общий расход теплого воздуха, потребный для пепловой защиты ветроагрегата. В результате будем иметь
э1
5
4
1
1
-0.25
где (см [3]) d=d-d, λ=0,3164Re ,
э2
3
2
2
2
-0.25
d=d-d, λ=0,3164 Re ,
(ν - кинематическая вязкость воздуха).
Если с учетом (11) в равенство (12) подставить выражения всех входящих в него величин, то в конечном счете придем к трансцендентной зависимости вида
2
3
5
4
3
При известных d, d, и Н/l при помощи компьютерной технологии нетрудно найти соответствующий диаметр d, т.к. d=d+h, где h - толщина стенки канала (11)
Литература
1. Darrieus F.M. Turbine Having in Rotation Transverse to the Flow of Current, US Patent 1834/018 Doc. B.1931.
2. Ершина А.К., Ершин Ш.А., Жапбасбаев У.К. Основы теории ветротурбины Дарье. - Алматы, 2001. - 104 с.
3. Турян К. Дж., Стриклэнд Дж., X., Бэрг Д.Э. Мощность ветроэлектрических агрегатов с вертикальной осью вращения. // Аэрокосмическая техника 1988. №8. - С.105-121.
4. Безруких П.П. Использование энергии ветра. М., 2008. - 197 с.
5. Ветроэнергетика / Под. Ред. Д. де Рензо. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 272 с.
6. Предпатент, МПК F03D 3/06 (2006.01) «Ветродвигатель Бидарье» 14.08.2007 г.
7. Шлихтинг. Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.
8. И.И. Иванов, Г.А Иванова, О.Л. Перфилов. Модельные исследования роторных рабочих колес ветроэнергетических станций. Сборник научных трудов Гидропроекта, вып.129. М.: 1988 г. С.106-113.
9. Ершина А.К., Манатбаев Р.К. Определение гидравлического сопротивления симметричного крылового профиля NASA-0021. Вестник КазНУ, серия математика, механика, информатика, 2006 г., №4 (51), С.56-58.