Канструкцыя і матэрыялы лапатак ветравой турбіны
Лопасці ветраных турбін з'яўляюцца найважнейшым кампанентам сістэмы пераўтварэння энергіі ветру ў электрычнасць. У той час як вежа выконвае функцыю апоры, а генератар пераўтварае механічную энергію ў электрычную, лопасці з'яўляюцца асноўнымі "захопнікамі" энергіі, вызначаючы, колькі энергіі можна атрымаць з ветравага патоку. Таму канструкцыя лопасцяў ветраных турбін заўсёды была ў цэнтры інавацый: патрабаванні высокай аэрадынамічнай эфектыўнасці, трываласці канструкцыі, доўгатэрміновай надзейнасці і канкурэнтаздольных вытворчых выдаткаў. У гэтым артыкуле абмяркоўваюцца прынцыпы канструкцыі лопасцяў ветраных турбін, геаметрычныя параметры, якія ўплываюць на прадукцыйнасць, а таксама матэрыялы, якія звычайна выкарыстоўваюцца, і абгрунтаванне іх выбару.
Роля аэрадынамікі ў канструкцыі лопасці
У прынцыпе, лопасці турбіны працуюць падобна да крылаў самалёта. Калі вецер абцякае аэрадынамічны профіль, паміж верхнім і ніжнім бакамі ўзнікае розніца ціску, што стварае пад'ёмную сілу. Гэты кампанент сілы затым стварае крутоўны момант, які круціць ротар. Для аптымізацыі крутоўнага моманту і магутнасці лопасці павінны быць распрацаваны з правільным профілем аэрадынамічнага профілю, адпаведным вуглом атакі і гладкай паверхняй, каб падтрымліваць прымацаваны паветраны паток і прадухіляць звальванне рухавіка.
У свеце сучасных ветраных турбін канструкцыя лопасцяў не толькі імкнецца да «максімальнай магутнасці», але і патрабуе стабільнасці ў шырокім дыяпазоне хуткасцей ветру, лёгкасці кіравання і бяспечнай структурнай нагрузкі. Аэрадынаміка таксама непасрэдна звязана з шумам: хутка рухаючыяся канцы лопасцяў могуць ствараць шум, таму канструкцыі канцы і задняй абзы часта аптымізуюцца для зніжэння акустычных выкідаў.
Геаметрыя ляза: даўжыня, кручэнне і канічнасць
Тры найбольш вызначальныя аспекты геаметрыі - гэта даўжыня ляза, кручэнне і кануснасць.
1. Даўжыня ляза
Магутнасць, якую атрымлівае турбіна, прыблізна прапарцыйная плошчы абаротнага ротара, якая роўная πR². Гэта азначае, што падаўжэнне лапатак з'яўляецца эфектыўным спосабам павелічэння магутнасці турбіны. Аднак больш доўгія лапаткі дадаюць масу, павялічваюць выгінальны момант у корані лапаткі і патрабуюць больш трывалых матэрыялаў і канструкцый. Такім чынам, павелічэнне даўжыні заўсёды суправаджаецца ўсё больш складанай канструкцыйнай і матэрыяльнай інжынерыяй.
2. Паварот (скручванне)
Адносная хуткасць ветру, якую "адчувае" лязо, змяняецца ўздоўж спіцы. Паблізу ступіцы тангенцыяльная хуткасць ніжэйшая; паблізу кончыка — вышэйшая. Каб дасягнуць аптымальнага вугла атакі ў кожным становішчы, лязу надаюць скручванне: лакальны вугал тангажу большы паблізу кораня, а затым памяншаецца да кончыка. Скручванне дапамагае лязу эфектыўна працаваць па ўсёй яго даўжыні і памяншае непатрэбную нагрузку.
3. Звужэнне (звужэнне хорды)
Хорда — гэта шырыня профілю лопасці ад пярэдняй да задняй абзы. Як правіла, хорда большая бліжэй да кораня, каб вытрымліваць структурныя нагрузкі, а затым звужаецца да кончыка, каб паменшыць супраціўленне і масу. Кануснасць таксама ўплывае на размеркаванне пад'ёмнай сілы, робячы яе больш раўнамернай і памяншаючы пікавыя нагрузкі.
Акрамя таго, у канструкцыі ўлічваюцца форма наканечніка (напрыклад, стрэлападобная наканечнік або невялікае крыло), таўшчыня профілю і размяшчэнне лонжерона (асноўнай косткі) як апорнага элемента.
Кантроль вышыні тону і стратэгія аперацый
Сучасныя ветраныя турбіны звычайна выкарыстоўваюць кіраванне кутом нахілу, што дазваляе круціць лопасці адносна ветру для падтрымання бяспечнага кручэння ротара. Пры занадта моцным ветры лопасці нахіляюцца, каб паменшыць пад'ёмную сілу, не даючы генератару перавысіць свае абмежаванні магутнасці і падтрымліваючы кантроль над структурнымі нагрузкамі. Сістэма нахілу патрабуе, каб канструкцыя лопасцей была сумяшчальная з механізмам ступіцы і вытрымлівала паўторныя цыклы нагрузкі (стомленасць), выкліканыя зменамі кута нахілу і турбулентнасцю.
На невялікіх турбінах або ў некаторых канструкцыях выкарыстоўваецца пасіўнае або актыўнае кіраванне срывам — гэта падыход да праектавання, які наўмысна спыняе аэрадынамічны профіль пры пэўных хуткасцях ветру, каб абмежаваць магутнасць. Аднак кіраванне тангажам больш распаўсюджана на турбінах вялікага маштабу з-за сваёй гнуткасці і эфектыўнасці.
Структурныя нагрузкі: стомленасць, выгіб і кручэнне
Лопасці падвяргаюцца не толькі аэрадынамічным нагрузкам, але і гравітацыйным, цэнтрабежным і дынамічным нагрузкам з-за турбулентнасці. Пры кручэнні ротара лопасці падвяргаюцца паўторным цыклам расцяжэння і сціску, якія выклікаюць стомленасць. Зношанасць часта з'яўляецца вызначальным фактарам тэрміну службы лопасцяў, бо турбіны працуюць дзесяцігоддзямі з мільёнамі цыклаў нагрузкі.
Канструктыўна канструкцыя ляза абапіраецца на некалькі асноўных кампанентаў:
– Накладка лонжерона: падоўжны армавальны пласт, які супраціўляецца асноўнай нагрузцы на выгіб.
– Зруховая палатно: унутраныя сценкі, якія супраціўляецца зруху і спрыяюць калянасці.
– Абшыўка (ашалёўка ляза): закрывае профіль і перадае нагрузку.
– Устаўка кораня: сістэма ўзмацнення і нітаў для злучэння ляза са ступіцай.
Калянасць важная для таго, каб лязо не сагнулася, пакуль не ўдарыцца аб вежу (ўдар па вежы), і не вібравала празмерна, што паскарае пашкоджанне.
Традыцыйныя матэрыялы: шкловалакно і смала
Найбольш распаўсюджаным матэрыялам, які выкарыстоўваецца для вырабу лапатак ветраных турбін, з'яўляецца кампазіт на аснове шкловалакна з матрыцай смалы (звычайна эпаксіднай або поліэфірнай). Прычыны гэтага наступныя:
– Суадносіны трываласці і вагі дастаткова добрыя для вялікіх ужыванняў.
– Ніжэйшы кошт, чым з вугляроднага валакна.
– Дасканалы вытворчы працэс, прыдатны для масавай вытворчасці.
– Добрая каразійная ўстойлівасць для вонкавага асяроддзя.
Эпаксідная смала часта выбіраецца дзякуючы сваім выдатным механічным уласцівасцям, адгезіі і ўстойлівасці да стомленасці. Хоць поліэстэр/вінілавы эфір можна выкарыстоўваць у некаторых канструкцыях з меркаванняў кошту, неабходна аптымізаваць доўгатэрміновыя эксплуатацыйныя характарыстыкі і даўгавечнасць.
Вугляроднае валакно: лёгкае і жорсткае, але дарагое
Для вырабу больш доўгіх лопасцяў вытворцы ўсё часцей звяртаюцца да вугляроднага валакна, асабліва для лонжеронных накладак. Вугляроднае валакно прапануе:
– Высокая калянасць, таму прагін ляза памяншаецца.
– Меншая маса, што памяншае гравітацыйныя і дынамічныя нагрузкі.
– Палепшаныя паказчыкі стомленасці ў пэўных канфігурацыях.
Недахопамі з'яўляюцца больш высокія цэны, строгі кантроль якасці і патэнцыйныя праблемы, такія як адчувальнасць да ўдару і неабходнасць дэталёвага праектавання злучэнняў. Таму распаўсюджанай стратэгіяй з'яўляецца гібрыдны кампазіт: вугляроднае валакно выкарыстоўваецца ў крытычных зонах (лонжеронах), у той час як шкловалакно застаецца пераважным у іншых частках, каб знізіць выдаткі.
Асноўны матэрыял: бальза і пенапласт
Кампазітныя ляза часта выкарыстоўваюць сэндвіч-структуру: два пласты абалонкі з лёгкім стрыжнем пасярэдзіне для павелічэння калянасці без дадання вялікай масы. Распаўсюджаныя стрыжні:
– Бальзавая драўніна: лёгкая, трывалая і мае добрыя механічныя ўласцівасці, але патрабуе кантролю з пункту гледжання якасці і ўстойлівасці да вільгаці.
– Пенапласт (ПВХ, ПЭТ або САН): стабільны, паслядоўны ў вытворчасці і воданепранікальны; кожны тып мае розныя характарыстыкі трываласці і працоўнай тэмпературы.
Выбар стрыжня ўлічвае размяшчэнне на лязе, лакальныя нагрузкі і рызыку пашкоджання ад удару (напрыклад, падчас транспарціроўкі) або эрозіі.
Экалагічныя праблемы: эрозія ад дажджу і маланак
Лапаткі турбін круцяцца на кончыках з вельмі высокай хуткасцю. У дажджлівыя ўмовы часціцы вады могуць выклікаць эрозію пярэдняй абзы, гэта значыць сціранне пярэдняй абзы лапаткі. Эрозія зніжае аэрадынамічную эфектыўнасць і павялічвае шум. Рашэнні ўключаюць спецыяльныя пакрыцці, ахоўныя плёнкі або больш устойлівыя да сцірання матэрыялы.
Акрамя таго, турбіны — гэта высокія адкрытыя канструкцыі, што робіць іх уразлівымі да ўдараў маланкі. Сучасныя лопасці звычайна маюць сістэмы абароны ад маланкі: прыёмнікі на кончыках лопасцей і ўнутраныя праваднікі для накіравання току ў зямлю без пашкоджання кампазітнага матэрыялу.
Вытворчасць: інфузія, препрег і кантроль якасці
Метады вырабу ляза ўплываюць на якасць і кошт. Папулярныя метады ўключаюць:
– Вакуумная інфузія (VARTM): смала ўводзіцца ў валокны ў форме з дапамогай вакууму; падыходзіць для вялікіх лязоў і эфектыўнай вытворчасці.
– Прэпрэг: валокны, прасякнутыя смалой пад дакладным кантролем; вырабляе высокую якасць, але даражэйшы і патрабуе строгага кантролю тэмпературы.
– Ручная кладка: прасцейшая, але схільная да вялікіх змен якасці.
Кантроль якасці важны для прадухілення пустэч, распластоўвання або дэфектаў валокнаў, якія могуць паскорыць разбурэнне ад стомленасці.
Будучыя тэндэнцыі: перапрацоўка і ўстойлівыя матэрыялы
Адной з асноўных праблем галіны з'яўляецца заканчэнне тэрміну службы лапатак. Традыцыйныя тэрмарэактыўныя кампазіты цяжка перапрацоўваць. Зараз з'яўляецца некалькі падыходаў: больш лёгка перапрацоўваемыя тэрмапластычныя смалы, метады аддзялення валокнаў ад смалы і выкарыстанне выкарыстаных лапатак для іншых ужыванняў. Даследаванні таксама вывучаюць натуральныя валокны або біясмалы, хоць праблемы з прадукцыйнасцю і кансістэнцыяй застаюцца значнымі для буйных турбін.
Выснова
Канструкцыя і матэрыялы лапатак ветраных турбін уяўляюць сабой складанае спалучэнне аэрадынамікі і канструкцыйнага праектавання. Даўжыня лапатак, іх кручэнне і кануснасць прызначаны для аптымальнай пад'ёмнай сілы і кантраляваных нагрузак; у той час як кампазітныя матэрыялы, такія як шкловалакно і вугляроднае валакно, падабраны для дасягнення высокіх суадносін трываласці да вагі і ўстойлівасці да стомленасці. З улікам патрабаванняў да больш буйных турбін і росту попыту на аднаўляльныя крыніцы энергіі, інавацыі ў галіне лапатак будуць працягваць засяроджвацца на эфектыўнасці, экалагічнай устойлівасці, прастаце вытворчасці і больш устойлівых рашэннях па перапрацоўцы.
Калі жадаеце, я магу дадаць спецыяльныя раздзелы: прыклады часта выкарыстоўваных профіляў аэрадынамічнага профілю, параўнанне кошту шкловалакна і вугляроду, альбо схему ўнутранай структуры лопасці (вечка лонжерона — зрухавая перагародка) з больш тэхнічным апісаннем.
