Шамал турбинасынын роторлору шамал энергиясын механикалык энергияга кантип айландырат
Шамал турбиналары дүйнөдөгү эң тез өнүгүп жаткан кайра жаралуучу энергия технологияларынын бири. Бирок, жөнөкөй мунаралардын жана чоң калактардын артында татаал физика жана инженердик принциптер жатат. Системанын өзөгүндө шамал турбинасы ротору турат — ал шамалдын кинетикалык энергиясын кармап, аны айланма механикалык энергияга айландырууга жооптуу. Андан кийин бул механикалык энергия электр энергиясын өндүрүү үчүн генераторго өткөрүлүп берилиши мүмкүн. Ошентип, ротор бул конверсияны кантип ишке ашырат? Бул макалада процесс кененирээк каралат: шамалдын калактарга кандайча күч тийгизгенинен баштап, ротордо момент кантип пайда болгонуна жана башкаруу системасы анын иштешин кантип оптималдаштырганына чейин.
1. Шамал энергиясы: кыймылдуу ресурс
Шамал кинетикалык энергияга ээ, анткени аба массасы белгилүү бир ылдамдыкта кыймылдайт. Жалпысынан алганда, шамал агымындагы энергиянын көлөмү шамалдын ылдамдыгы жогорулаган сайын кескин көбөйөт. Аны күн сайын эсептөөнүн кажети жок болсо да, маанилүү принцип мындай: шамалдын күчү шамалдын ылдамдыгынын кубуна түз пропорционалдуу. Бул шамалдын ылдамдыгы эки эсе көбөйсө, потенциалдуу кубаттуулук болжол менен сегиз эсеге көбөйүшү мүмкүн дегенди билдирет. Ошондуктан шамал турбиналарынын жайгашкан жерлери шамал карталарына, топографиялык шарттарга жана сезондук шамал схемаларына негизделип кылдаттык менен тандалып алынат.
Бирок, бардык шамал энергиясын кармоого мүмкүн эмес. Эгерде бардык энергия кармалса, турбинанын артындагы аба толугу менен токтоп калат жана жаңы шамал агымы ротор аркылуу өтө албай калат. Ошондуктан, ротор энергиянын бир бөлүгүн гана кармай алат, калганы турбинадан өткөндөн кийин шамал агымы катары калат.
2. Ротор "айлануучу канат" катары
Көп адамдар шамал турбинасынын калактарын шамал түрткөн тескери оодарылган желдеткич сыяктуу иштейт деп ойлошот. Чындыгында, заманбап турбина калактары айлануучу учактын канаттарына (аэронфелькаларга) окшош. Шамал бычактын аэронфелька формасындагы бетинен өткөндө, бычактын үстүнкү жана астыңкы капталдарынын ортосунда басым айырмасы пайда болот. Бул басым айырмасы көтөрүү күчүн пайда кылат — салыштырмалуу аба агымынын багытына болжол менен перпендикуляр багытталган күч.
Көтөрүүдөн тышкары, агым менен дал келген жана кыймылды басаңдатуучу сүйрөө күчү да бар. Заманбап шамал турбиналары жогорку көтөрүү жана төмөнкү сүйрөө күчүн түзүү үчүн иштелип чыккан, бул калактардын натыйжалуу айлануусуна мүмкүндүк берет. Ошентип, ротор жөн гана шамал менен "түртүлбөйт", тескерисинче, калактын формасынан улам пайда болгон аэродинамикалык күчтөр менен "тартылат".
3. Салыштырмалуу ылдамдык: шамал + бычактын айланышы
Роторлорду түшүнүүдөгү негизги элемент - салыштырмалуу шамал түшүнүгү. Ротордун калактары жөн гана каршылаш шамалга карабай, ротор айланганда тегерек кыймылда болот. Натыйжада, калактар "сезген" аба агымы төмөнкүлөрдүн айкалышы болуп саналат:
– роторго карай соккон шамалдын ылдамдыгы жана
– айлануудан улам бычактын тангенциалдык ылдамдыгы.
Бул айкалыш бычактарга белгилүү бир бурч түзөт, ал чабуул бурчу деп аталат. Туура чабуул бурчу көтөрүүнү оптималдаштырат жана ротордун моментин максималдуу түрдө көбөйтөт. Эгерде чабуул бурчу өтө жогору болсо, бычактар токтоп калышы мүмкүн, бул көтөрүүнүн кескин төмөндөшүнө жана натыйжалуулуктун кескин төмөндөшүнө алып келет.
4. Аэродинамикалык күчтөн айлануу моментине чейин
Ар бир калак бөлүгүнө таасир этүүчү аэродинамикалык күчтөрдү алардын компоненттерине бөлүүгө болот. Турбина үчүн эң маанилүү компонент - бул калактын борбордун (ротордун борбору) айланасында айлануусуна алып келүүчү күч компоненти. Бул компонент моментти пайда кылат.
Жөн гана:
– Чоң жана так багытталган көтөрүү натыйжалуу тангенциалдык күчтү камсыз кылат,
– бул тангенциалдык күч ротордун валынын айланасында буралуучу моментти пайда кылат,
– буралуу моменти ротордун айланышына алып келет жана валдын айлануусу түрүндө механикалык энергияны өндүрөт.
Бычактын тангенциалдык ылдамдыгы учундагыга караганда тамырга жакыныраак болгондуктан, бычактын дизайны бирдей эмес. Адатта, бычактар төмөнкүдөй жасалат:
– тамырга жакын калыңыраак (структуралык бекемдик үчүн),
– учуна карай ичке (аэродинамикалык натыйжалуулук үчүн),
– бычак боюнча чабуул бурчу оптималдуу бойдон калышы үчүн бурулушка (геометриялык бурулушка) ээ.
5. Учтун ылдамдык катышы: натыйжалуулук үчүн маанилүү катыш
Шамал турбиналарынын учтун ылдамдык катышы (TSR) деп аталган негизги конструкциялык параметри бар, ал бычактын учунун ылдамдыгынын шамалдын ылдамдыгына болгон катышы. Азыраак бычактары бар турбиналар (мисалы, үч бычак), адатта, жогорку TSRде иштейт, бул бычактын учтарынын шамалга караганда алда канча тез кыймылдашына мүмкүндүк берет.
Бул эмне үчүн маанилүү? Анткени TSR ротордун шамал энергиясын канчалык жакшы "алып алышына" таасир этет. Эгерде ротор өтө жай болсо, сүйрөө басымдуулук кылат жана натыйжалуулук төмөн болот. Эгерде ротор өтө ылдам болсо, аэродинамикалык жоготуулар көбөйүп, ызы-чуу күчөйт, ал тургай структуралык жүктөмдөрдүн көбөйүшүнө алып келет. Заманбап турбиналар башкарылуучу титирөөнү жана ызы-чууну сактоо менен максималдуу кубаттуулукту өндүрүү үчүн белгилүү бир TSRге оптималдаштырылган.
6. Теориялык чеги: Бетц чеги
Ротор мүмкүн болушунча натыйжалуу болууга ылайыкташтырылган болсо да, андан ашып кетүүгө мүмкүн болбогон физикалык чеги бар, ал Бетцтин мыйзамы же Бетцтин чеги деп аталат. Бул чеги идеалдуу турбина тарабынан кармала турган максималдуу шамал энергиясы ротордун шыпырылган аймагы аркылуу өткөн жалпы шамал энергиясынын болжол менен 59,3% түзөт деп айтылат.
Себеби жөнөкөй: ротордон өткөндөн кийин аба кыймылдай бериши керек, болбосо агым "токтоп калат" жана жаңы аба кирбейт. Иш жүзүндө чыныгы турбиналарда кошумча жоготуулар (сүрүлүү, турбуленттүүлүк, механикалык жоготуулар) болот, андыктан жалпы натыйжалуулук адатта бул чектен төмөн болот.
7. Тонду башкаруу: бычактын бурчун тууралайт
Ротордун ар кандай шамалдын ылдамдыгында оптималдуу иштешин камсыз кылуу үчүн, заманбап турбиналар бурчту өзгөртүү үчүн калактарды өз огунда айландыруучу механизм болгон кадамды башкарууну колдонушат. Кадамды башкаруу менен система төмөнкүлөрдү жасай алат:
– орточо шамалда энергияны үнөмдөөнү көбөйтүү,
– катуу шамалда генератордун кубаттуулугунан ашпаш үчүн кубаттуулукту чектөө,
– бороон-чапкын учурунда турбиналарды ашыкча жүктөөлөрдөн коргоо.
Шамал өтө катуу болгондо, аэродинамикалык каршылыкты азайтуу үчүн винттердин бычактарын оптималдуу бурчтан "жылдырып", ошону менен ротордун айлануусун башкарууга болот. Өзгөчө шарттарда, бул кадам роторду токтотуу үчүн колдонулушу мүмкүн (тормоз системасы менен бирге).
8. Яв системасы: шамалдын багытына каратып
Ротор шамалды натыйжалуу кармоо үчүн, ротордун тегиздиги шамалдын багытына багытталышы керек. Ири масштабдуу турбиналар ротор ар дайым шамалга багытталгандай кылып, гондола (мунаранын чокусундагы кыймылдаткычтын корпусу) айлануучу кыйшайтуу системасын колдонот. Шамалдын калканчынын сенсору жана анемометр башкаруучуга кыйшайуунун абалын тууралоо үчүн киргизүү маалыматын берет.
Эгерде ротор шамалдын багытына туура келбесе (жаак бурулушунун туура эмес жайгашуусу), кармалган энергия азаят жана пышактарга бирдей эмес жүктөмдөр көбөйүп, компоненттердин эскирүүсүн тездетет.
9. Ротордон валга чейин: колдонууга даяр механикалык энергия
Ротор айланганда, механикалык энергия борбор аркылуу негизги валга (төмөн ылдамдыктагы вал) берилет. Бул вал салыштырмалуу жай айланууга жакын, бирок жогорку моментти өндүрөт. Айрым конструкцияларда генераторду жогорку ылдамдыкта айландыруу үчүн ылдамдык редуктор менен жогорулатылат. Башка конструкцияларда, айрыкча айрым заманбап турбиналар, төмөнкү ылдамдыкта иштей ала турган көп полюстуу генератор менен түз жетектөөнү (редукторсуз) колдонушат.
Бирок, маанилүү жагдай: шамал энергиясы электр энергиясына айланганга чейин, ал алгач ротор тарабынан айлануучу механикалык энергияга айландырылат жана бул айландыруунун сапаты турбинанын жалпы иштешин аныктайт.
10. Кесимпулан
Шамал турбинасы ротору шамал энергиясын салттуу шамал тегирмени сыяктуу "түртүү" аркылуу эмес, канаттын аэродинамикасынын принциптери аркылуу механикалык энергияга айландырат: аэродинамикалык фольга көтөрүү күчүн пайда кылат, көтөрүү роторду айландыруучу моментти пайда кылган тангенциалдык күчтү пайда кылат. Процесстин натыйжалуулугуна бычактын дизайны (буроо, профиль, узундук), учтун ылдамдык катышы сыяктуу параметрлер жана кадамды башкаруу жана кыйшайтуу системалары сыяктуу башкаруу системалары таасир этет. Бетц чеги сыяктуу теориялык чектөөлөр болгону менен, заманбап инженерия турбиналарга коопсуздукту жана ишенимдүүлүктү сактоо менен оптималдуу иштөөгө мүмкүндүк берет. Акыр-аягы, ротор шамал турбинасынын "жүрөгү" болуп саналат — өлчөнгөн жана башкарылуучу механикалык айлануу аркылуу шамалдын табигый күчүн адамдын энергия муктаждыктары менен байланыштырган компонент.
