Үр ашигтай салхин турбины ирний үйл ажиллагаа ба дизайн
Салхин турбинууд нь дэлхийн хамгийн хурдацтай хөгжиж буй сэргээгдэх эрчим хүчний технологийн нэг юм. Өндөр цамхагууд болон нарийн төвөгтэй мэт санагдах генераторуудын цаана гүйцэтгэлд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг нэг бүрэлдэхүүн хэсэг байдаг: салхин турбины ир. Ир нь салхины кинетик энергийг барьж аваад роторын эргэлтийн хэлбэрээр механик энерги болгон хувиргадаг бөгөөд дараа нь генератор үүнийг цахилгаан болгон хувиргадаг. Ир нь салхитай шууд харилцан үйлчилдэг тул тэдгээрийн загвар нь үр ашиг, цахилгаан гаралт, дуу чимээ, бүтцийн бат бөх чанар, тэр ч байтугай ашиглалтын зардалд ихээхэн нөлөөлдөг. Энэ нийтлэлд салхин турбины ирний үүрэг болон аэродинамик, бүтцийн, материалын болон үйл ажиллагааны үүднээс үр ашигтай ирний дизайны зарчмуудыг авч үзэх болно.
Салхин турбины ирний үндсэн үүрэг
Энгийнээр хэлбэл, салхин турбины ир нь эргэлдэгч "далавч"-ын үүрэг гүйцэтгэдэг. Салхи ирний профайл (агааржуулагч)-аар дамжин өнгөрөхөд өргөлт үүсдэг бөгөөд энэ нь чирэлтээс давамгайлдаг. Энэхүү өргөлт нь роторын төв хэсэгт эргүүлэх хүчийг үүсгэж, роторыг эргүүлэхэд хүргэдэг. Ир нь янз бүрийн салхины хурдаар эргүүлэх хүчийг илүү үр дүнтэй үүсгэх тусам илүү их энерги гаргаж авах боломжтой.
Гэхдээ тэдний үүрэг нь зөвхөн роторыг эргүүлэх биш юм. Ир нь мөн дараахь зүйлд нөлөөлдөг.
1. Турбины чадлын шинж чанар: салхины хурд ба үйлдвэрлэсэн эрчим хүчний хоорондын хамаарал.
2. Тогтвортой байдал ба хяналт: орчин үеийн ир нь ихэвчлэн ачаалал болон хүчийг тохируулахын тулд ирний өнцгийг эргүүлдэг давирхайн системтэй байдаг.
3. Урт хугацааны найдвартай байдал: ир нь давтагдсан ачааллын мөчлөг, турбулент байдал, бороо, тоос шороо, давс (далайн эрэг орчмын хувьд) болон болзошгүй аянга цахилгааныг тэсвэрлэх ёстой.
4. Дуу чимээ ба хүрээлэн буй орчинд үзүүлэх нөлөөлөл: ирний үзүүрийн загвар нь аэродинамик дуу чимээнд нөлөөлдөг.
Аэродинамикийн үндэс: Өргөх, чирэх хүч ба үр ашиг
Ирний үр ашиг нь өргөх-чирэх (L/D) харьцаатай нягт холбоотой. Сайн агаарын тууз нь янз бүрийн холбогдох өнцгүүдэд бага чирэлттэй өндөр өргөлтийг бий болгодог. Ашиглалтын явцад ир нь ихэнх ажиллагааны нөхцөлд агаарын урсгалыг "наалдамхай" (гацахгүй) байлгах зориулалттай бөгөөд гацах нь өргөлтийг бууруулж, чирэлтийг эрс нэмэгдүүлдэг.
Салхины эрчим хүчийг олборлох онолын хязгаарыг Бетцийн хязгаар гэж нэрлэдэг бөгөөд салхины кинетик энергийн ойролцоогоор 59,3%-ийг хамгийн тохиромжтой турбин давж чадахгүй. Үр ашигтай ирний загвар нь аэродинамик болон механик алдагдлыг багасгах, салхины янз бүрийн хурдтай үед оновчтой ажиллагааг хангах замаар энэ хязгаарт хүрэхийг зорьдог.
Ирний дизайны гол параметрүүд
1. Ирний урт ба шүүрдэх талбай
Турбины барьж чадах энерги нь роторын шүүрдэх талбайтай пропорциональ байна, өөрөөр хэлбэл πR² (R = роторын радиус). Тиймээс ирийг уртасгах нь чадлын потенциалыг шууд нэмэгдүүлдэг. Гэсэн хэдий ч урт ир нь нугалах ачаалал, масс, материалын шаардлага, тээвэрлэлт болон угсралтын бэрхшээлийг нэмэгдүүлдэг. Дизайнерууд эрчим хүчний ашиг орлогыг бүтцийн болон ложистикийн зардалтай тэнцвэржүүлэх ёстой.
2. Аэрофольны профайл (хөндлөн огтлолын хэлбэр)
Ирний хэсэг бүр өөр өөр агаарын хөлтэй байдаг. Үндсэн хэсгийн ойролцоох хэсэг нь бүтцийн бат бөх байдлын үүднээс ихэвчлэн илүү зузаан байдаг бол гаднах хэсгүүд нь аэродинамик үр ашгийн үүднээс илүү нарийхан байдаг. Орчин үеийн агаарын хөлгүүдийг ихэвчлэн гадаргуугийн барзгар байдлыг (шороо эсвэл шавьжнаас үүдэлтэй) тэсвэрлэх зориулалттайгаар тусгайлан бүтээсэн бөгөөд ирний уртын дагуу Рейнольдсын тоогоор хэлбэлзэхэд үр дүнтэй хэвээр байна.
3. Ирний дагуу мушгиралтын тархалт
Ирний "мэдэрсэн" харьцангуй агаарын хурд нь үндэснээс үзүүр хүртэл нэмэгддэг, учир нь эргэлтийн хурдны бүрэлдэхүүн хэсэг нэмэгддэг. Радиус бүрт оновчтой довтолгооны өнцгийг хадгалахын тулд ирийг эргүүлдэг: үндэстэй ойролцоох хэсэг нь илүү том геометрийн өнцөгтэй байдаг бол үзүүртэй ойролцоох хэсэг нь бага байдаг. Зөв эргүүлэх нь ирийг бүхэлд нь оновчтой аэродинамик нөхцөлд ойртуулж, эргүүлэх хүчийг нэмэгдүүлж, зогсолтыг бууруулдаг.
4. Хөндлөнгийн тархалт (Хавтгайн өргөн)
Хөндлөн огтлолын өргөн гэдэг нь ирний хөндлөн огтлолын өргөн юм. Ерөнхийдөө хөвд нь үндэсний ойролцоо том байдаг тул харьцангуй бага хурдтай үед бүтэц болон аэродинамикийн хувьд хангалттай хөндлөн огтлолын талбайг бий болгодог. Үзүүр рүү чиглэсэн үед хөвд нь чирэх хүч болон үзүүрийн алдагдлыг багасгахын тулд нарийсдаг. Хөндлөнгийн зөв хуваарилалт нь ирний дагуу үр ашигтай, бүтцийн хувьд найдвартай ачааллын хуваарилалтыг хангадаг.
5. Хөшүүргийн хурдны харьцаа (TSR)
Үзүүрийн хурдны харьцаа нь ирний үзүүрийн хурдны салхины хурдтай харьцуулсан харьцаа юм. TSR нь үр ашиг болон дуу чимээнд нөлөөлдөг. Өндөр TSR нь аэродинамик үр ашгийг сайжруулж болохоос гадна дуу чимээ болон динамик ачааллыг нэмэгдүүлдэг. Орчин үеийн турбинууд нь ихэвчлэн тодорхой оновчтой TSR дээр ажилладаг бөгөөд ир нь тухайн TSR дээр оргил чадлын коэффициент (Cp) хүрэхээр бүтээгдсэн байдаг.
Pitch Control болон Үйл ажиллагааны Стратеги
Орчин үеийн турбины ир нь ихэвчлэн өнгөний тохируулгатай байдаг бөгөөд энэ нь салхитай харьцуулахад ирний өнцгийг өөрчлөх чадвартай байдаг. Өнгийн тохируулга нь дараах тохиолдолд ашигтай байдаг:
– Дунд зэргийн салхинд хүчийг оновчтой болгох: ир нь гацахгүйгээр хамгийн их өргөлтийг бий болгох зорилготой.
– Хүчтэй салхинд чадлыг хязгаарлах: нэрлэсэн хүчин чадалд хүрсний дараа зарим энергийг “үрэх” болон хэт ачааллаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд давирхайг өөрчилдөг.
– Аюулгүй байдал: онцгой нөхцөлд роторыг зогсоохын тулд ирийг өд хэлбэртэй байрлалд (салхитай бараг зэрэгцээ) байрлуулж болно.
Зохих хяналтгүйгээр нэг нөхцөлд үр ашигтай байгаа ирний загвар нь өөр нөхцөлд аюултай эсвэл тогтворгүй байж болно. Тиймээс аэродинамик загвар нь үргэлж хяналтын системтэй холбоотой байдаг.
Бүтцийн анхаарах зүйлс: Бат бөх боловч хөнгөн
Ир нь амархан эргэлдэх, холхивч болон хурдны хайрцагт (хэрэв байгаа бол) үзүүлэх ачааллыг бууруулахын тулд хөнгөн байх ёстой боловч маш бат бөх байх ёстой. Үндсэн ачаалалд дараахь зүйлс орно.
– Салхины даралтын улмаас эргэлтийн хавтгайтай перпендикуляр чиглэлд гулзайлтын ачаалал.
– Таталцал болон эргүүлэх хүчнээс үүдэлтэй ирмэгийн ачаалал (эргэлтийн хавтгайд).
– Хэдэн арван жилийн турш ашиглалтын хугацаанд давтагдсан мөчлөгөөс үүдэлтэй ядрах ачаалал.
Ирний бүтцийн дизайнд ихэвчлэн жонш (гол дам нуруу), зүсэлтийн тор, бүрхүүлүүд багтдаг. Ачааллыг төв рүү шилжүүлэхийн тулд үндсэн хэсгийг бэхжүүлдэг. Хамгийн том бэрхшээл бол цамхагийн цохилтоос урьдчилан сэргийлэхийн тулд ирний үзүүрийн хазайлтыг хянах явдал юм, ялангуяа том турбинууд дээр.
Ирний материал: Стандарт нийлмэл
Салхин турбины ирний ихэнхийг дараахь нийлмэл материалаар хийдэг.
– Шилэн хөвөн (GFRP): харьцангуй хямд бөгөөд нэлээд бат бөх тул түгээмэл байдаг.
– Нүүрстөрөгчийн шилэн (CFRP): илүү хөнгөн, хатуу, маш урт ирэнд тохиромжтой боловч илүү үнэтэй.
– Эпокси эсвэл полиэстр давирхайг матриц болгон ашиглаж, бальза эсвэл хөөс зэрэг гол хэсгийг ашиглан хатуулгийг нэмэгдүүлнэ.
Материалын сонголт нь гүйцэтгэл болон ашиглалтын хугацааны зардалд нөлөөлдөг. Хөнгөн ир нь үр ашгийг сайжруулж, жинг бууруулж болох ч анхны өртөг нь өндөр байж болно. Цаашилбал, нийлмэл ирийг дахин боловсруулах нь чухал асуудал бөгөөд энэ нь материал болон дахин боловсруулах аргуудад тасралтгүй шинэчлэл хийхэд хүргэдэг.
Дуу чимээг бууруулах дизайн
Салхин турбины дуу чимээ голчлон ирний үзүүр болон турбулент урсгалаас үүсдэг. Дуу чимээг бууруулах дизайны стратегиудад дараахь зүйлс орно.
– Том эргүүлгийг жижиг эргүүлэг болгон хуваах зориулалттай шүдтэй ирмэг (ар талын ирмэг).
– Дуу чимээг багасгахын зэрэгцээ үзүүрийн алдагдлыг багасгахын тулд үзүүрийн тусгай хэлбэрүүд, тухайлбал арчигдсан үзүүр эсвэл далавчны үзүүр гэх мэт.
– Урсгал тогтвортой байхын тулд хурдан элэгдэлд орохоос сэргийлж гөлгөр гадаргуу болон урд ирмэгийн засвар үйлчилгээ.
Дуу чимээг бууруулах нь нийгмийн хүлээн зөвшөөрөлт, ялангуяа орон сууцны хорооллын ойролцоох далайн эргийн турбинуудын хувьд чухал ач холбогдолтой.
Гадаргуугийн эсэргүүцэл ба урд ирмэгийн элэгдэл
Нэг томоохон практик асуудал бол бороо, тоосны хэсгүүд эсвэл давсны улмаас урд ирмэгийн элэгдэл юм. Элэгдэл нь гадаргуугийн барзгар байдлыг нэмэгдүүлж, L/D-г бууруулж, эцэст нь эрчим хүчний үйлдвэрлэлийг бууруулдаг. Тиймээс үр ашигтай ир нь дараахь зүйлийг хийх ёстой.
- Элэгдэлд тэсвэртэй бүрхүүлтэй,
– Хялбар үзлэг, засвар үйлчилгээ хийх зориулалттай,
– Байршлын нөхцөл байдлыг (цаг уур, хур тунадасны эрчим, элс) харгалзан үзнэ үү.
Дизайны интеграци: Эрчим хүч ба эдийн засгийн үр ашиг
Ирний загвар нь аэродинамикийн хамгийн дээд үр ашгийг эрэлхийлэх боломжгүй юм. Салбарын зорилго бол эрчим хүчний хамгийн бага түвшний өртгийг (LCOE) хангах явдал юм. Энэ нь үр ашигтай ир нь үйлдвэрлэл, суурилуулалт, засвар үйлчилгээ, эвдрэлийн зардлыг зохицуулж, ашиглалтын хугацаандаа хамгийн их эрчим хүч үйлдвэрлэдэг гэсэн үг юм. Орчин үеийн оновчлол нь ихэвчлэн аэроэластик симуляци (аэродинамик ба бүтцийн уян хатан байдлын хослол), салхин хонгилын туршилт, хээрийн үйл ажиллагааны өгөгдлийн шинжилгээг ашигладаг.
Хаах
Салхин турбины ир нь салхины энергийг цахилгаан болгон хувиргах гол бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Тэдгээрийн үүрэг нь зөвхөн салхийг барихаас гадна турбиныг тогтвортой, аюулгүй, удаан эдэлгээтэй, хэмнэлттэй ажиллуулах явдал юм. Үр ашигтай ирний загвар нь аэродинамикийн оновчлол (агааржуулагч, мушгиралт, хөвч, үзүүрийн загвар), удирдлагын систем (өнцгийн болон ажиллагааны стратеги), бүтцийн асуудлууд (бат бөх чанар ба ядаргаа), нийлмэл материалын сонголт, дуу чимээ болон гадаргуугийн эсэргүүцлийн талуудыг хослуулсан байдаг. Дизайн болон материалын технологийн дэвшлийн ачаар салхин турбины ир нь илүү урт, ухаалаг, илүү үр дүнтэй болж хөгжсөөр байгаа бөгөөд цэвэр, тогтвортой эрчим хүчний системд шилжих шилжилтийн чухал тулгуур багана болгон салхины эрчим хүчийг дэмжиж байна.
