Аэродинамическая климатическая установка для исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов Российский патент 2024 года по МПК G01M9/00 F03D9/00 

Область техники

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к аэродинамическим установкам (трубам), и может быть использовано для исследования в лабораторных условиях влияния обледенения на кинематику потока и силовые параметры лопасти ветрогенератора методом лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), а также для испытания материалов, применяемых в «арктических» условиях.

Моделирование арктических условий выполняет аэродинамическая климатическая установка содержащая генератор мелкодисперсного аэрозоля, потоки генератора аэрозоля оптимизируются с помощью лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА).

Предшествующий уровень техники

Обледенение лопастей ветрогенераторов, существенно влияет на эффективность, надежность и безопасность их работы. Обледенение лопастей приводит к изменению их профиля, что ухудшает аэродинамические характеристики ветрогенератора. Это снижает его эффективность и уменьшает количество генерируемой электроэнергии.

Обледенение может привести к дополнительным динамическим нагрузкам на лопасти, что может повысить износ и снизить срок службы оборудования. Неравномерное обледенение лопастей может привести к дисбалансу, что также может повлиять на надежность работы ветрогенератора.

Помимо критического влияния обледенения на КПД и надежность работы, отрыв кусков льда с кромок лопастей, нагруженных ветрогенераторов во время работы может привести к повреждению как самого ветрогенератора, поскольку, отрыв льда может создавать дополнительные нагрузки и динамические силы, а также может представлять опасность для людей и окружающей среды.

В целом, предотвращение и управление обледенением лопастей ветрогенераторов являются важными аспектами, чтобы обеспечить стабильную и безопасную работу этих устройств в условиях холодного климата.

Известна установка искусственного намерзания и обледенения с замкнутым контуром, раскрытая в описании патента на изобретение RU 2798386, дата подачи заявки 02.03.2023. Известное устройство содержит: форкамеру, сопряженную с рабочей частью, в которой установлен держатель образцов, обратный канал, форсунку, персональный компьютер и контроллер, с которыми сопряжен модуль подготовки охлажденной воды и точного дозирования, включающий расходомер воды, преобразователь давления, емкость для охлаждения воды с уровнемером, которая сопряжена со вторым унистатом, компрессором, редуктором и соединена трубопроводом, через расходомер воды с форсункой, при этом с персональным компьютером и контроллером также сопряжены видеокамера, датчик скорости и температуры воздуха, вентилятор, который сопряжен с частотным преобразователем, и первый унистат, который сопряжен с первым теплообменником и вторым теплообменником.

Общими признаками известного технического решения и заявленного изобретения являются: оптически прозрачный рабочий канал, вентилятор, соединенный с частотным преобразователем, система охлаждения воздуха, персональный компьютер используемый для автоматизации установки и получения, обработки полученных результатов эксперимента, система подачи воды и форсунка.

Недостатком известного технического решения является высокий уровень турбулентности и невозможность распределения скорости воздушного потока внутри рабочего канала

Раскрытие сущности изобретения

Целью данного изобретения является моделирования атмосферных условий, связанных с образованием и накоплением льда и исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов.

Технический результат изобретения заключается в возможности измерения методами лазерной доплеровской анемометрии, профилей скорости потока вокруг элемента лопасти ветрогенератора в условиях обледенения и оценка влияния обледенения на аэродинамику и силовые характеристики лопастей ветрогенераторов.

Краткое описание прилагаемых чертежей

На Фиг. 1 представлен чертеж заявляемого технического решения для его углубленного понимания, включен в данное описание и составляет его часть, иллюстрирует вариант осуществления изобретения и вместе с описанием служит для объяснения принципов действия заявляемого изобретения.

Представлен один из возможных вариантов реализации аэродинамической климатической трубы (100) со следующими элементами, обозначенными цифрами на Фиг. 1:

1 - рабочий канал квадратного поперечного сечения, выполненный из органического стекла с устройством изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта; 2 - испытуемый экспериментальный объект; 3 - охладитель воздуха; 4.1; 4.2; 4.3; 4.4 - металлические вентиляционные каналы образующие замкнутый контур; 5 - хонейкомб; 6 - центробежный вентилятор сопряженный с преобразователем частоты; 7 - проточный криотермостат; 8 - система подачи воды для формирования капельной влаги в воздушном потоке; 9 - парогенератор; 10 - регулирующий вентиль; 11 - шаровой кран; 12 - обратный клапан; 13 - форсунка распылительная; 14 - термопреобразователь сопротивления; 15 - датчик относительной влажности и температуры; 16 - термоанемометр; 17 - измерительный комплекс лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) совмещенный с системой фото-видео фиксации; 18 - персональный компьютер; первая, вторая и третья системы трубопроводов соответственно 19; 20; 21.

На Фиг. 2 представлены профили передней кромки лопатки ветрогенератора, при различных типах обледенения полученных в ходе проведения испытаний в аэродинамической климатической трубе (100).

На Фиг. 3 представлена карта расходной компоненты скорости при обдувании лопатки ветрогенератора, с обледенением в форме наледи. При условиях эксперимента: скорость набегающего потока 10 м/с.; угол атаки до 16°.

Детальное описание чертежей

Далее будут рассмотрены особенности реализации заявленного изобретения, иллюстрируемые приложенным чертежом на Фиг. 1.

Если в нижеследующем описании, а также формуле изобретения, говорится что элемент «соединен» или «сопряжен» с другим элементом, то элемент может быть «непосредственно соединен» с другим элементом или иметь с ним электрическую, оптическую и прочую связь, непосредственно напрямую или через третий элемент.

Кроме того, если иное не оговорено особо, термин «содержит» и его производные («содержащий», «содержащийся», «включающий в себя» и иные аналогичные термины) понимается как включение указанных элементов, но не как исключение любых других элементов.

Для достижения указанного технического результата, предложенное устройство включает в себя следующие элементы и их связи: последовательно соединенные вентиляционными каналами (4.1 - 4.4) центробежный вентилятор (6), охладитель воздуха (3), хонейкомб (5) и рабочий канал (1), образующие замкнутую аэродинамическую климатическую установку.

Центробежный вентилятор (6) сопряжённый с преобразователем частоты, соединен вертикально расположенным вентиляционным каналом (4.1) с охладителем воздуха (3).

Проточный криотермостат (7) первой системой трубопроводов (19) соединен с охладителем воздуха (3) через обратный клапан (12) и рабочим каналом (1).

Хонейкомб (5) при помощи линейного диффузора соединен с вертикально расположенным вентиляционным каналом (4.3) и при помощи профильного конфузора соединен с рабочим каналом (1), а также с датчиком относительной влажности и температуры (15).

Термопреобразователь сопротивления (14) расположен в вертикально расположенном вентиляционном канале (4.3) по направлению воздушного потока после упомянутого охладителя воздуха (3) и перед упомянутым хонейкомбом (5), в качестве указанного термопреобразователя сопротивления (14) может использоваться, например, ДТС 065-Pt 100. В 3.100.

Генератор мелкодисперсного аэрозоля включает в себя форсунку распылительную (13), систему подачи воды (8) регулирующие вентили (10), шаровые краны (11) и вторую систему трубопроводов (20). Форсунка распылительная (13), упомянутого генератора мелкодисперсного аэрозоля, расположена в ядре воздушного потока после хонейкомба (5), соединена с системой подачи воды (8) трубопроводом (20) содержащим регулирующие вентили (10) и шаровые краны (11) упомянутого генератора мелкодисперсного аэрозоля.

Рабочий канал (1) оптически сопряжен с измерительным комплексом ЛДА (17).

Термоанемометр (16) расположен в точке соединения рабочего канала (1) второго линейного диффузора, соединяющего упомянутый рабочий канал (1) с вентиляционным каналом (4.1), и парогенератором (9) через третий трубопровод (21).

Персональный компьютер (18) соединен с измерительным комплексом ЛДА (17), преобразователем частоты сопряженным с центробежным вентилятором (6), датчиком относительной влажности и температуры (15), термопреобразователем сопротивления (14), термоанемометром (16), проточным криотермостататом (7), системой подачи воды (8) и парогенератором (9).

Подробное описание осуществления изобретения

Предлагаемое устройство аэродинамической климатической трубы (100), работает следующим образом.

Формирование стабильного воздушного потока в климатической аэродинамической трубе производится в вентиляционных металлических каналах (4.1 - 4.4) с внутренними размерами 400х400 мм. из оцинкованной углеродистой стали, толщиной стенки 0,7 мм., образующие замкнутый контур.

Подают электропитание на аэродинамическую климатическую установку (100), центробежный вентилятор (6), проточный криотермостат (7), систему подачи воды (8), парогенератор (9) и измерительный комплекс (ЛДА) (17), а также персональный компьютер (18). Устанавливают в рабочий канал (1) испытуемый экспериментальный объект (2) - элемент лопасти ветрогенератора.

Далее последовательно включают центробежный вентилятор (6), проточный криотермостат (7), систему подачи воды (8), парогенератор (9).

Центробежный вентилятор (6), предназначен для создания воздушного потока в климатической аэродинамической трубе, регулирование производительности центробежного вентилятора (6) (скорости потока воздуха) производится через преобразователь частоты, сопряженный с электродвигателем центробежного вентилятора (6), преобразователь частоты соединен с персональным компьютером (18). В качестве центробежного вентилятора (6) можно использовать, например, ВР 280-46-5,0 с электродвигателем мощностью 15 кВт.

Охладитель воздуха (3) представляет собой проточный трубный жидкостно-воздушный теплообменник, имеющий высокую степень оребрения со стороны воздушного потока, например, NWP 700-400/2-R, соединен с вентиляционным каналом (4.2) через переходники с 400х400 на 400х700 мм.

Охладитель воздуха (3) соединен первой системой трубопроводов (19) с проточным криотермостатом (7), представляющий собой циркуляционный охладитель, включающий в себя встроенный герметичный бак и насос подачи охлаждающей жидкости. Проточный криотермостат (7) предназначен для точного контроля температуры в диапазоне от - 25 до 40°С и точностью поддержания температуры: ±0,5°С. В качестве проточного криотермостата (7) может применятся циркуляционный охладитель для точного контроля температуры во внешних системах с закрытым контуром, например, LOIP FT-600 7. Упомянутый проточный криотермостат (7) также соединен трубопроводом (19) с рабочим каналом (1) для поддержания в нем заданных параметров температуры.

По первой системе трубопроводов (19) охлаждающая жидкость циркулирует между проточным криотермостатом (7), охладителем воздуха (3) и рабочим каналом (1). Подача охлаждающей жидкости на охладитель воздуха (3) регулируется обратным клапаном (12), а входные параметры работы на проточный криотермостат (7) задаются через персональный компьютер (18).

Хонейкомб (5) предназначенный для выравнивания поля течения воздушного потока и для снижения уровня турбулентности, содержит вертикальные и горизонтальные пластины, установленные внутри вентиляционного канала квадратного сечения с внутренними размерами 800х800 мм., формирующие в потоке сотовые структуры размером 3х3 мм квадратного сечения.

Хонейкомб (5) соединен с вентиляционным каналом (4.4) при помощи линейного диффузора, предназначенном для расширения воздушного потока до размеров упомянутого хонейкомба (5), а с рабочим каналом (1) соединен через профильный конфузор, предназначенным для сужения воздушного потока до необходимых размеров упомянутого рабочего канала (1).

Хонейкомб (5) соединён с датчиком относительной влажности и температуры (15), с которого поступает сигнал на персональный компьютер (18).

Рабочий канал (1) квадратного поперечного сечения с внутренними размерами 200х200 мм, выполнен из органического стекла, предназначен для закрепления в нем испытуемого экспериментального объекта (2), с возможностью изменения углового положения упомянутого испытуемого экспериментального объекта (2), например, в виде расположенного на боковых стенках рабочего канала (1) устройства изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта (2).

Рабочий канал (1) оптически сопряжен с измерительным комплексом ЛДА (17), предназначенным для измерения профилей скорости потока вокруг испытуемого экспериментального объекта (2) в условиях обледенения и оценки влияния обледенения на аэродинамику, данные с которого поступают на персональный компьютер (18).

При достижении заданных параметров (температура, скорость потока, относительная влажность и число Рейнольдса) включаю генератор мелкодисперсного аэрозоля, предназначенный для формирования капельной влаги в воздушном потоке, который содержит систему подачи воды (8), от которой по соединяющей второй системой трубопроводов (20) с форсункой распылительной (13) расположенную в ядре воздушного потока после хонейкомба (5), подается вода. Интенсивность подачи воды задается регулирующим вентилем (10) и шаровым краном (11), а размер капель определяется использованием различных типов распылительных форсунок (13).

Парогенератор (9), предназначен для обеспечения заданных параметров уровня влажности воздуха и предотвращения статического электричества. По третьему трубопроводу (21) соединяющим упомянутый парогенератор (9) со вторым линейным диффузором, соединяющим рабочий канал (1) с вентиляционным каналом (4.1), а также термоанемометр (16) подсоединенный к персональному компьютеру (18) в аэродинамическую климатическую трубу (100) подаётся пар.

Параметры режима для образования капельного, кристаллического и смешанного обледенения подбираются эмпирически и легко воспроизводятся с помощью тонкой регулировки процесса управления установкой с использованием цифровизации и автоматизации реализуемой с помощью персонального компьютера (18), а также регулирующего вентиля (10) и шарового крана (11).

В результате перечисленных операций, образовавшийся водно-воздушный аэрозоль, в виде кристаллов снега и льда, поступает на испытуемый экспериментальный объект (2) расположенный в рабочем канале (1). С этого момента и следует начинать отсчет продолжительности испытания с фиксацией снего- и льдо-аккумуляции на поверхности испытуемый экспериментальный объект (2).

После образования на испытуемом экспериментальном объекте (2) наледи с заданными параметрами (в форме прозрачной наледи, в форме инея или форме изморози) на форсунку распылительную (13) останавливается подача воды.

По первой системы трубопроводов (19) охлаждающая жидкость циркулирует между охладителем воздуха (3) и рабочим каналом (1) благодаря чему в указанном рабочем канале (1) поддерживается заданная температура и образовавшаяся наледь на испытуемом экспериментальном объекте (2) не разрушается в процессе исследования влияния обледенения на кинематику потока и силовые параметры лопасти ветрогенератора, методом лазерной доплеровской анемометрии реализуемого с помощью измерительного комплекса ЛДА (17) и персонального компьютера (18).

Экспериментальные результаты

Проведение экспериментальные исследования образования льда на поверхности модельных секций лопастей (без гидрофобных покрытий) при климатических условиях без образования наледи и с интенсивным образованием наледи. Проведённая серия экспериментов с оценкой массы и геометрии ледового покрытия. Исследовано обледенение для одинаковой интенсивности водных капель в аэрозоле и температурных условий для скорости набегающего потока 10 м/с в зависимости от угла атаки (от 0 до двойного оптимального 16 градусов).

Эксперименты проводились в диапазоне температур в потоке при температуре от 0 до -30 градусов, расход воды для создания аэрозоля в потоке составлял порядка 1 мл/с. Для засева потока каплями воды использовались сопла с диаметром 0.1 мм. Образование наледи контролировалось при скорости потока от 2 до 12. 5 м/с Углы, на которые выставлялась лопатка: 0, 4, 8, 12, 16 градусов (от 0 до двойного оптимального угла равного 8 градусов).

Сделана оценка влияния режима работы на обледенение. Все результаты экспериментов можно разбить на несколько групп по особенностям образовавшейся наледи. Первая группа - мягкая изморозь, которая образовывалась при температурах более минус 6°С в диапазоне скоростей от 2 до 4.2 м/с. Данный тип обледенения образует крупнозернистые кристаллические отложения льда. плотность составляла 200-600 кг/м³. На лопатках наблюдался хаотичный нарост белого цвета с наветренной стороны. За 60 минут эксперимента образовывалась корка толщиной более 6 мм на передней кромке лопатки. Вторая группа - наледь в виде толстой пленки замерзшей воды, прозрачной или матового цвета. Температура оказывала сильное влияние на образовании льда. Прозрачный лед образуется в диапазоне температур от 0 до -6°С. Скорости при таком типе обледенения составляли от 4.2 м/с до 8.4 м/с. В данной группе обледенение хорошо повторяет профиль лопатки и имеет среднюю длину нароста от 4 до 5 мм при длительности обледенения порядка 60 минут. Матовый лед образовывался при температурах от -6 до -10°С. Данный тип льда имеет плотность от 600 до 900 кг/м³, форма наледи также совпадает с формой лопатки с наветренной стороны. Белый лед образуется при температурах ниже -10°С и имеет плотность от 300 до 600 кг/м³. Проведены исследования изменения кинематических характеристик вокруг тестируемых объектов при различных входных условиях (с использованием измерительного оборудования ЛДА). Проведены измерения средней скорости потока на расстояниях 50 мм 100 мм 150 мм в потоке перед лопаткой и на расстояниях 50, 100, 150, 200 и 250 мм в потоке после заднего края лопатки. Измерены профили скорости при различной скорости набегающего потока. Для измерения скорости в поток добавлялись трассеры - частицы глицерина. Показано, что наличие наледи существенно ослабляет скорость вблизи лопатки. Наличие наледи приводит к более раннему образованию зон возвратного течения по сравнению с лопаткой в отсутствии обледенения. Наиболее ярко влияние наледи на аэродинамику течения проявлялось при образовании зон возвратного течения. Построенные поля расходной проекции скорости показывают, что при образовании наледи зона возвратного течения в случае отрыва потока почти в 2 раза больше, чем для лопатки без обледенения, а также значения отрицательной проекции скорости интенсивнее до 50 %.

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к аэродинамическим установкам (трубам), и может быть использовано для исследования в лабораторных условиях влияния обледенения на кинематику потока и силовые параметры лопасти ветрогенератора методом лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), а также для испытания материалов, применяемых в «арктических» условиях. Формирование стабильного воздушного потока в устройстве производится в вентиляционных металлических каналах, образующие замкнутый контур. Устанавливают в рабочий канал испытуемый экспериментальный объект, например, элемент лопасти ветрогенератора. Для этого подают электропитание центробежный вентилятор, проточный криотермостат, систему подачи воды, парогенератор и измерительный комплекс (ЛДА), а также персональный компьютер. Далее последовательно включают центробежный вентилятор, проточный криотермостат, систему подачи воды, парогенератор. Центробежный вентилятор предназначен для создания воздушного потока в климатической аэродинамической трубе. Охладитель воздуха соединен первой системой трубопроводов с проточным криотермостатом, представляющий собой циркуляционный охладитель, включающий в себя встроенный герметичный бак и насос подачи охлаждающей жидкости. Проточный криотермостат предназначен для точного контроля температуры. Технический результат изобретения заключается в возможности измерения методами лазерной доплеровской анемометрии, профилей скорости потока вокруг элемента лопасти ветрогенератора в условиях обледенения и оценка влияния обледенения на аэродинамику и силовые характеристики лопастей ветрогенераторов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аэродинамическая климатическая установка (100) для исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов, содержащая центробежный вентилятор (6) сопряженный с преобразователем частоты, соединенный вертикально расположенным вентиляционным каналом (4.1) с охладителем воздуха (3) соединенным с проточным криотермостатом (7), оптически прозрачный рабочий канал (1) квадратного поперечного сечения с устройством изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта (2), систему подачи воды (8) соединенную трубопроводом (20) с форсункой распылительной (13), персональный компьютер (18) соединенный с преобразователем частоты сопряжённого с центробежным вентилятором (6), а так же с термопреобразователем сопротивления (14) и термоанемометром (16), отличающаяся тем, что аэродинамическая климатическая установка (100) дополнительно содержит датчик относительной влажности и температуры (15) подсоединённый к хонейкомбу (5) предназначенным для выравнивания поля течения воздушного потока и для снижения уровня турбулентности в рабочем канале (1), соединенный вертикально расположенным вентиляционным каналом (4.3) с охладителем воздуха (3), парогенератор (9) расположенный по направлению воздушного потока после рабочего канала (1), измерительный комплекс ЛДА (17) оптически сопряженный с упомянутым рабочим каналом (1), причем, хонейкомб (5) расположен по направлению воздушного потока после упомянутого охладителя воздуха (3) и перед упомянутым рабочим каналом (1), форсунка распылительная (13) расположена в ядре воздушного потока после хонейкомба (5), а расход подачи воды задается регулирующим вентилем (10), персональный компьютер (18) соединен с измерительным комплексом ЛДА (17), датчиком относительной влажности и температуры (15), а проточный криотермостат (7) соединен с рабочим каналом (1).

2. Устройство по п. 1 содержащее несколько распылительных форсунок (13).

3. Устройство по п. 1, в котором хонейкомб (5) соединен с вентиляционным каналом (4.4) при помощи линейного диффузора, а с рабочим каналом (1) соединен через профильный конфузор.

4. Устройство по п. 1, в котором хонейкомб (5) содержит вертикальные и горизонтальные пластины, установленные внутри вентиляционного канала квадратного сечения, формирующие в потоке сотовые структуры размером 3х3 мм квадратного сечения.