Ветряная турбина Дарье — это тип ветряной турбины с вертикальной осью (VAWT), используемой для выработки электроэнергии из энергии ветра . Турбина состоит из ряда изогнутых лопаток с аэродинамическим профилем , установленных на вращающемся валу или каркасе. Кривизна лопастей позволяет лезвию подвергаться нагрузке только при растяжении при высоких скоростях вращения. Существует несколько тесно связанных ветряных турбин, в которых используются прямые лопасти. Эту конструкцию турбины запатентовал Жорж Жан Мари Дарье , французский авиационный инженер ; подача заявки на патент была 1 октября 1926 года. Существуют серьезные трудности с защитой турбины Дарье от сильных ветров и обеспечением ее автоматического запуска.
В исходных вариантах конструкции Дарье аэродинамические крылья расположены симметрично и имеют нулевой угол такелажа , то есть угол, под которым аэродинамические крылья установлены относительно конструкции, на которой они установлены. Такое расположение одинаково эффективно независимо от того, в каком направлении дует ветер, в отличие от обычного типа, который необходимо поворачивать лицом против ветра.
Когда ротор Дарье вращается, аэродинамические крылья движутся вперед по воздуху по круговой траектории. Относительно лопасти этот встречный поток воздуха векторно добавляется к ветру, так что результирующий поток воздуха создает небольшой положительный угол атаки лопасти. Это создает результирующую силу, направленную наклонно вперед вдоль определенной «линии действия». Эта сила может быть спроецирована внутрь за ось турбины на определенное расстояние, придавая положительный крутящий момент валу, тем самым помогая ему вращаться в том направлении, в котором он уже движется. Аэродинамические принципы, которые вращают ротор, эквивалентны принципам в автожирах. , и нормальные вертолёты на авторотации.
При движении крыла вокруг задней части аппарата угол атаки меняется на противоположный знак, но создаваемая сила по-прежнему направлена под углом к направлению вращения, поскольку крылья симметричны, а угол такелажа равен нулю. Ротор вращается со скоростью, не связанной со скоростью ветра, и обычно во много раз быстрее. Энергия, возникающая в результате крутящего момента и скорости, может быть извлечена и преобразована в полезную мощность с помощью электрического генератора .
Авиационные термины подъемная сила и сопротивление , строго говоря, представляют собой силы поперек и вдоль приближающегося чистого относительного потока воздуха соответственно, поэтому они здесь бесполезны. Действующие силы представляют собой скорее тангенциальную силу , которая тянет лезвие, и радиальную силу, которая действует на подшипники.
Когда ротор неподвижен, результирующая вращательная сила не возникает, даже если скорость ветра возрастает довольно сильно — ротор уже должен вращаться, чтобы генерировать крутящий момент. Таким образом, проект обычно не запускается автоматически. В редких случаях роторы Дарье могут запуститься самостоятельно, поэтому для удержания их при остановке требуется какой-то тормоз.
Одна из проблем конструкции заключается в том, что угол атаки меняется по мере вращения турбины, поэтому каждая лопасть генерирует максимальный крутящий момент в двух точках своего цикла (в передней и задней части турбины). Это приводит к синусоидальному (пульсирующему) циклу мощности, что усложняет конструкцию. В частности, почти все турбины Дарье имеют резонансные режимы , при которых при определенной скорости вращения пульсация имеет собственную частоту лопастей, что может привести к их (в конечном итоге) поломке. По этой причине большинство турбин Дарье имеют механические тормоза или другие устройства контроля скорости, которые удерживают турбину от вращения на этих скоростях в течение длительного периода времени.
Другая проблема возникает из-за того, что большая часть массы вращающегося механизма находится на периферии, а не на ступице, как в случае с гребным винтом. Это приводит к очень высоким центробежным нагрузкам на механизм, который должен быть сильнее и тяжелее, чем в противном случае, чтобы выдержать их. Один из распространенных способов свести это к минимуму — изогнуть крылья в форме «взбивалки» (это называется формой « тропоскейна », от греческого слова «форма скрученной веревки») так, чтобы они были самонесущими. и не требуют таких тяжелых опор и креплений. Видеть. Рисунок 1.
В этой конфигурации конструкция Дарье теоретически дешевле, чем конструкция обычного типа, поскольку большая часть нагрузки приходится на лопатки, которые вращаются против генератора, расположенного в нижней части турбины. Единственные силы, которые необходимо уравновешивать по вертикали, — это сжимающая нагрузка, вызванная изгибом лопастей наружу (таким образом пытаясь «сжать» башню), и сила ветра, пытающаяся снести всю турбину, половина которой передается на нижняя часть и другая половина могут быть легко смещены с помощью растяжек .
Напротив, в традиционной конструкции вся сила ветра пытается сдвинуть башню вверху, где расположен главный подшипник. Кроме того, невозможно легко использовать растяжки для компенсации этой нагрузки, поскольку пропеллер вращается как над, так и под вершиной башни. Таким образом, традиционная конструкция требует прочной башни, которая резко увеличивается с размером винта. Современные конструкции могут компенсировать большую часть нагрузок на башню с переменной скоростью и переменным шагом.
В целом, хотя у конструкции Дарье есть некоторые преимущества, недостатков гораздо больше, особенно у более крупных машин класса MW. В конструкции Дарье используются гораздо более дорогие материалы в лопастях, в то время как большая часть лопасти находится слишком близко к земле, чтобы обеспечить реальную мощность. Традиционные конструкции предполагают, что законцовка крыла находится на высоте не менее 40 м от земли в самой нижней точке, чтобы максимизировать выработку энергии и срок службы. До сих пор не известен материал (даже углеродное волокно ), который мог бы удовлетворить требования к циклическим нагрузкам. [ нужна цитата ]
Патент Дарье 1927 года также охватывал практически любую возможную конструкцию с использованием вертикальных профилей. Одним из наиболее распространенных типов является H-ротор , [1] [2] [3] также называемый Giromill или H-образной конструкцией, в котором длинные лопасти «взбивалки» обычной конструкции Дарье заменены прямыми вертикальными лопастями. Лопастные секции крепились к центральной башне с помощью горизонтальных опор. Этот дизайн используется шанхайской компанией MUCE. [4] [5]
Другой вариант гиромельницы — циклотурбина , в которой каждая лопасть установлена так, что может вращаться вокруг своей вертикальной оси. Это позволяет «наклонять» лопасти так, чтобы они всегда имели некоторый угол атаки относительно ветра. Основным преимуществом этой конструкции является то, что создаваемый крутящий момент остается почти постоянным в пределах довольно широкого угла, поэтому циклотурбина с тремя или четырьмя лопатками имеет довольно постоянный крутящий момент. В этом диапазоне углов крутящий момент близок к максимально возможному, а это означает, что система также генерирует больше мощности. Преимущество циклотурбины также заключается в возможности самозапуска за счет наклона лопасти, движущейся по ветру, горизонтально ветру, чтобы создать сопротивление и запустить турбину, вращающуюся на низкой скорости. С другой стороны, механизм наклона лопастей сложен и, как правило, тяжелый, и для правильного наклона лопастей необходимо добавить какой-то датчик направления ветра.
Лопасти турбины Дарье могут быть скошены по спирали, например, три лопасти и спиральный поворот на 60 градусов. Первоначальным конструктором винтовой турбины является Ульрих Стампа (патент Германии DE2948060A1, 1979 г.). Похожую конструкцию А. Горлов предложил в 1995 году (водяные турбины Горлова) . Поскольку ветер тянет каждую лопасть как с наветренной, так и с подветренной стороны турбины, эта функция равномерно распределяет крутящий момент по всему обороту, предотвращая тем самым разрушительные пульсации. Эта конструкция используется ветряными турбинами марок Turby , Urban Green Energy , Enessere , Aerotecture и Quiet Revolution .
Относительная скорость создает силу, действующую на лезвие. Эту силу можно разложить на осевую и нормальную силу (рис. 5). В случае турбины Дарье осевая сила, связанная с радиусом, создает крутящий момент, а нормальная сила создает на рычаге напряжение попеременно на каждые пол-оборота, напряжение сжатия и напряжение растяжения. При использовании системы кривошипно-шатунной системы (рис. 6) принцип работы турбины с активным подъемом заключается в преобразовании этого альтернативного ограничения в дополнительную рекуперацию энергии.
[6] [7]
(Вертикальные турбины Muce) на здании MarineBoard
