Shamol turbinasi rotorlari shamol energiyasini mexanik energiyaga qanday aylantiradi
Shamol turbinalari dunyodagi eng tez rivojlanayotgan qayta tiklanadigan energiya texnologiyalaridan biridir. Biroq, oddiy ko'rinadigan minoralar va katta pichoqlar ortida murakkab fizika va muhandislik tamoyillari yotadi. Tizimning markazida shamol turbinasi rotori joylashgan - bu shamolning kinetik energiyasini ushlash va uni aylanish mexanik energiyasiga aylantirish uchun mas'ul qism. Keyin bu mexanik energiya elektr energiyasi ishlab chiqarish uchun generatorga o'tkazilishi mumkin. Xo'sh, rotor bu konversiyani qanday amalga oshiradi? Ushbu maqolada jarayon batafsil yoritilgan: shamol pichoqlarga qanday kuch ta'sir qilishidan tortib, rotorda moment qanday hosil bo'lishigacha va boshqaruv tizimi o'z ish faoliyatini qanday optimallashtirishigacha.
1. Shamol energiyasi: harakatlanuvchi resurs
Shamol kinetik energiyaga ega, chunki havo massasi ma'lum bir tezlikda harakatlanadi. Umuman olganda, shamol oqimida mavjud bo'lgan energiya miqdori shamol tezligi oshishi bilan keskin oshadi. Uni har kuni hisoblashingiz shart bo'lmasa-da, muhim printsip quyidagicha: shamol kuchi shamol tezligining kubiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Bu shuni anglatadiki, agar shamol tezligi ikki baravar oshsa, potentsial quvvat taxminan sakkiz baravar oshishi mumkin. Shuning uchun shamol turbinalarining joylashuvi shamol xaritalari, topografik sharoitlar va mavsumiy shamol naqshlari asosida sinchkovlik bilan tanlanadi.
Biroq, barcha shamol energiyasini ushlash mumkin emas. Agar barcha energiya ushlansa, turbina orqasidagi havo butunlay turg'un bo'ladi va yangi shamol oqimi rotor orqali o'tishda davom eta olmaydi. Shuning uchun, rotor energiyaning faqat bir qismini ushlay oladi, qolgan qismi turbinadan o'tgandan keyin shamol oqimi sifatida qoladi.
2. Rotor “aylanuvchi qanot” sifatida
Ko'p odamlar shamol turbinasi pichoqlarini shamol tomonidan itarib yuboriladigan teskari ventilyator kabi ishlaydi deb o'ylashadi. Aslida, zamonaviy turbina pichoqlari ko'proq aylanadigan samolyot qanotlariga (aeroflok) o'xshaydi. Shamol pichoqning aeroflok shaklidagi yuzasidan o'tganda, pichoqning yuqori va pastki tomonlari o'rtasida bosim farqi hosil bo'ladi. Bu bosim farqi ko'tarish kuchini hosil qiladi - bu nisbiy havo oqimi yo'nalishiga taxminan perpendikulyar yo'naltirilgan kuch.
Ko'tarishdan tashqari, oqim bilan mos keladigan va harakatni to'xtatadigan qarshilik ham mavjud. Zamonaviy shamol turbinalari yuqori ko'tarish va past qarshilikni hosil qilish uchun mo'ljallangan bo'lib, bu esa pichoqlarning samarali aylanishiga imkon beradi. Shunday qilib, rotor shunchaki shamol tomonidan "itarib yuborilmaydi", balki pichoqning shakli tufayli yuzaga keladigan aerodinamik kuchlar tomonidan "tortiladi".
3. Nisbiy tezlik: shamol + pichoqning aylanishi
Rotorlarni tushunishda asosiy element nisbiy shamol tushunchasidir. Rotor pichoqlari nafaqat qarama-qarshi shamolga qaraydi; ular rotor aylanayotganda aylana shaklida harakatlanadi. Natijada, pichoqlar "sezadigan" havo oqimi quyidagilarning kombinatsiyasidir:
– rotor tomon esayotgan shamol tezligi va
– aylanish tufayli pichoqning tangensial tezligi.
Bu kombinatsiya pichoqlarga ma'lum bir burchak hosil qiladi, bu hujum burchagi deb nomlanadi. To'g'ri hujum burchagi ko'tarishni optimallashtiradi va rotorning momentini maksimal darajada oshiradi. Agar hujum burchagi juda yuqori bo'lsa, pichoqlar to'xtab qolishi mumkin, natijada ko'tarilish keskin pasayadi va samaradorlik pasayadi.
4. Aerodinamik kuchdan aylanish momentiga
Har bir pichoq qismiga ta'sir qiluvchi aerodinamik kuchlarni ularning tarkibiy qismlariga bo'lish mumkin. Turbina uchun eng muhim komponent - bu kuch komponenti bo'lib, uning yo'nalishi pichoqning markaz (rotor markazi) atrofida aylanishiga olib keladi. Bu komponent momentni ishlab chiqaradi.
Shunchaki:
– Katta va aniq yo'naltirilgan ko'tarish samarali tangensial kuchni ta'minlaydi,
– bu tangensial kuch rotor vali atrofida burilish momentini hosil qiladi,
– burilish momenti rotorni aylantirishga majbur qiladi va valning aylanishi shaklida mexanik energiya ishlab chiqaradi.
Pichoqning tangensial tezligi uchida ildizga yaqinroq bo'lgani uchun, pichoq dizayni bir xil emas. Odatda pichoqlar quyidagicha tayyorlanadi:
– ildizga yaqin joyda qalinroq (strukturaviy mustahkamlik uchun),
– uchiga nisbatan ingichkaroq (aerodinamik samaradorlik uchun),
– pichoq bo'ylab hujum burchagi optimal bo'lib qolishi uchun burilishga (geometrik burilish) ega.
5. Uchish tezligi nisbati: samaradorlik uchun muhim nisbat
Shamol turbinalari uchi tezligi nisbati (TSR) deb nomlangan asosiy dizayn parametriga ega, bu pichoq uchi tezligining shamol tezligiga nisbati. Kamroq pichoqli turbinalar (masalan, uchta pichoq) odatda yuqori TSRda ishlaydi, bu esa pichoq uchlarining shamolga qaraganda ancha tezroq harakatlanishiga imkon beradi.
Nima uchun bu muhim? Chunki TSR rotorning shamol energiyasini qanchalik yaxshi "qazib olishiga" ta'sir qiladi. Agar rotor juda sekin bo'lsa, qarshilik ustunlik qiladi va samaradorlik past bo'ladi. Agar rotor juda tez bo'lsa, aerodinamik yo'qotishlar ortadi va shovqin kuchayadi, bu hatto katta konstruktiv yuklarga olib keladi. Zamonaviy turbinalar nazorat ostida tebranish va shovqinni saqlab qolish bilan birga maksimal quvvat ishlab chiqarish uchun ma'lum bir TSR uchun optimallashtirilgan.
6. Nazariy chegara: Betz chegarasi
Rotor iloji boricha samarali bo'lishi uchun mo'ljallangan bo'lsa ham, undan oshib bo'lmaydigan jismoniy chegara mavjud, bu Betz qonuni yoki Betz chegarasi deb nomlanadi. Bu chegara ideal turbina tomonidan ushlanishi mumkin bo'lgan maksimal shamol energiyasi rotorning supurilgan maydonidan o'tadigan umumiy shamol energiyasining taxminan 59,3% ni tashkil qilishini bildiradi.
Sababi oddiy: rotordan o'tgandan keyin havo harakatlanishda davom etishi kerak, aks holda oqim "turg'unlashadi" va yangi havo kirmaydi. Amalda, haqiqiy turbinalarda qo'shimcha yo'qotishlar (ishqalanish, turbulentlik, mexanik yo'qotishlar) mavjud, shuning uchun umumiy samaradorlik odatda bu chegaradan past bo'ladi.
7. Tovush balandligini boshqarish: pichoqning burchagini sozlaydi
Rotorni turli shamol tezliklarida optimal ishlashini ta'minlash uchun zamonaviy turbinalar qadamni boshqarish mexanizmidan foydalanadilar, bu esa pichoqlarni o'z o'qi bo'ylab aylantirib, qadam burchagini o'zgartiradigan mexanizmdir. Qadamni boshqarish yordamida tizim quyidagilarni amalga oshirishi mumkin:
– mo''tadil shamollarda energiya yig'ilishini oshirish,
– kuchli shamollarda generator quvvatidan oshmasligi uchun quvvatni cheklash,
– bo'ron paytida turbinalarni ortiqcha yuklanishdan himoya qilish.
Shamol juda kuchli bo'lganda, aerodinamik qarshilikni kamaytirish uchun pichoqlarni optimal burchakdan "qiyalik" qilib qo'yish mumkin, shu bilan rotorning aylanishini boshqaradi. Ekstremal sharoitlarda, qadam rotorni to'xtatish uchun ishlatilishi mumkin (tormoz tizimi bilan birgalikda).
8. Yaw tizimi: shamol yo'nalishiga qaragan holda
Rotor shamolni samarali ushlab turishi uchun rotor tekisligi shamol yo'nalishiga qaragan bo'lishi kerak. Katta o'lchamli turbinalar gondolani (minoraning yuqori qismidagi dvigatel korpusi) aylantiradigan qiyalik tizimidan foydalanadi, shunda rotor har doim shamolga qaragan bo'ladi. Shamol qanoti sensori va anemometr qiyalik holatini sozlash uchun boshqaruvchiga kirish ma'lumotlarini taqdim etadi.
Agar rotor shamol yo'nalishi bilan moslashtirilmasa (yonboshlashning noto'g'ri joylashishi), ushlangan energiya kamayadi va pichoqlarga notekis yuklar ko'payishi mumkin, bu esa komponentlarning aşınmasını tezlashtiradi.
9. Rotordan valga: foydalanishga tayyor mexanik energiya
Rotor aylanayotganda mexanik energiya markaz orqali asosiy valga (past tezlikli val) uzatiladi. Bu val nisbatan sekin aylanishga moyil, ammo yuqori moment hosil qiladi. Ba'zi dizaynlarda generatorni yuqori tezlikda aylantirish uchun tezlik reduktor yordamida oshiriladi. Boshqa dizaynlarda, ayniqsa, ba'zi zamonaviy turbinalar, past tezlikda ishlay oladigan ko'p qutbli generatorga ega to'g'ridan-to'g'ri haydovchidan (reduktorsiz) foydalanadi.
Biroq, muhim jihat: shamol energiyasi elektr energiyasiga aylanishidan oldin, avval rotor tomonidan aylanadigan mexanik energiyaga aylantiriladi va bu konversiya sifati turbinaning umumiy ishlashini belgilaydi.
10. Kesimpulan
Shamol turbinasi rotori shamol energiyasini an'anaviy shamol tegirmoni kabi "itarish" orqali emas, balki qanot aerodinamikasi tamoyillari orqali mexanik energiyaga aylantiradi: aerofolga ko'tarish kuchi hosil qiladi, ko'tarish esa rotorni aylantiradigan momentni yaratadigan tangensial kuch hosil qiladi. Jarayonning samaradorligiga pichoq dizayni (burilish, profil, uzunlik), uch tezligi nisbati kabi parametrlar va pitchni boshqarish va yaw tizimlari kabi boshqaruv tizimlari ta'sir qiladi. Betz chegarasi kabi nazariy chegaralar mavjud bo'lsa-da, zamonaviy muhandislik turbinalarga xavfsizlik va ishonchlilikni saqlab qolish bilan birga optimal ishlashga yaqinlashish imkonini beradi. Oxir-oqibat, rotor shamol turbinasining "yuragi" - shamolning tabiiy kuchini o'lchangan va boshqariladigan mexanik aylanish orqali inson energiya ehtiyojlari bilan bog'laydigan komponent.
