Способ исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов Российский патент 2025 года по МПК F03D80/40 G01M9/06 

Область техники

Предлагаемое техническое решение 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.

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 нижеследующую совокупность существенных признаков:

- формируют воздушный поток;

- регулируют скорость воздушного потока;

- осуществляют подготовку охлажденной воды и точное дозирование;

- обеспечивают охлаждение воздушного потока;

- обеспечивают формирования водно-воздушного аэрозоля;

- получают обледенение испытуемого образца;

- обеспечивают регистрацию обледенения оптическим методом;

- обеспечивают управление регулировкой воздушного потока, охлаждения воды и воздушного потока с помощью персонального компьютера.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:

- формирование воздушного потока и обеспечение регулировки скорости воздушного потока;

- обеспечение регистрации обледенения оптическим методом;

- обеспечение охлаждения воздуха;

- и обеспечение автоматизации управления и обработки полученных результатов эксперимента с помощью персонального компьютера.

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

Раскрытие сущности изобретения

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

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в известном способе исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов, заключающемся в том, что обеспечивают обледенение лопасти ветрогенератора, осуществляют измерения методами лазерной доплеровской анемометрии, профилей скорости потока вокруг элемента лопасти ветрогенератора в условиях обледенения и оценку влияния обледенения на аэродинамику и силовые характеристики лопастей ветрогенераторов, одновременно обеспечивая заданные условия обледенения.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Предлагаемый способ исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов, поясняется нижеследующим описанием и чертежами представленными для его углубленного понимания, включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют вариант осуществления технического решения и вместе с описанием служат для объяснения принципов действия заявляемого изобретения, где на Фиг. 1 представлен пример функциональной схемы устройства для моделирования условий обледенения лопастей ветрогенераторов и исследования влияния обледенения на их кинематические и силовые параметры.

На Фиг. 1 представлен один из возможных вариантов реализации указанного устройства для исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов (100), согласно схеме, содержит, следующие элементы, обозначенные цифрами на Фиг. 1, например:

1 - рабочий канал квадратного поперечного сечения, выполненный из органического стекла с устройством изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта;

2 - испытуемый экспериментальный объект;

3 - Система охлаждения воздуха;

Замкнутый контур, выполненный, например, из металлических вентиляционных каналов - 4.1; 4.2; 4.3; 4.4;

5 - Устройство, предназначенное для выравнивания поля течения воздушного потока и для снижения уровня турбулентности, выполненное, например, в виде: хонейкомба;

6 - Устройство для создания воздушного потока в замкнутом контуре, с возможностью регулировки, выполненное, например, в виде центробежный вентилятора сопряженного с преобразователем частоты;

8 - генератор мелкодисперсного аэрозоля, выполненный, например, в виде системы подачи воды соединенную трубопроводом с форсункой распылительной, расположенной в ядре воздушного потока;

9 - Устройство, предназначенное для обеспечения заданных параметров уровня влажности воздуха и предотвращения статического электричества выполненное, например, в виде парогенератора;

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 и третья системы трубопроводов соответственно 19; 21.

На Фиг. 2 представлен один из возможных вариантов реализации генератора мелкодисперсного аэрозоля (8). Согласно схеме содержит, например, следующие элементы, обозначенные цифрами на Фиг. 2:

80 - система подачи воды для формирования капельной влаги в воздушном потоке;

81 - регулирующий вентиль;

82 - шаровой кран;

83 - форсунка распылительная;

89 - второй трубопровод.

На Фиг. 3 представлен один из возможных вариантов реализации системы охлаждения воздуха (3). Согласно схеме содержит, например, следующие элементы, обозначенные цифрами на Фиг. 3:

37 - проточный криотермостат;

32 - обратный клапан;

30 - охладитель воздуха.

На Фиг. 4 представлены профили передней кромки лопатки ветрогенератора, при различных типах обледенения, полученных в ходе проведения испытаний в аэродинамической климатической трубе (100).

На Фиг. 5 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 приложенными чертежами.

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, представленные на Фиг. 1: последовательно соединенные вентиляционными каналами (4.1 - 4.4) центробежный вентилятор (6), охладитель воздуха (3), хонейкомб (5), генератор мелкодисперсного аэрозоля (8) 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).

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.

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), генератором мелкодисперсного аэрозоля (8) и парогенератором (9).

Представлен один из возможных вариантов реализации генератора мелкодисперсного аэрозоля (8), согласно схеме, содержит, следующие элементы, обозначенные цифрами на Фиг. 2, например:

форсунку распылительную (83), систему подачи воды (80) регулирующие вентили (81), шаровые краны (82) и вторую систему трубопроводов (89).

Форсунка распылительная (83), расположена в ядре воздушного потока вентиляционного канала (4.4), между хонейкомбом (5) и рабочим каналом (1), соединена с системой подачи воды (80) трубопроводом (89) содержащим регулирующие вентили (81) и шаровые краны (82). А система подачи воды (80) сопряжена с персональным компьютером (18).

Представлен один из возможных вариантов реализации системы охлаждения воздуха (3), согласно схеме, содержит, следующие элементы, обозначенные цифрами на Фиг. 3, например:

проточный криотермостат (37), выполненный, например, в виде циркуляционного охладителя, обратный клапан (32), охладитель воздуха (30), выполненный, например, в виде проточного трубного жидкостно-воздушного теплообменника.

Проточный криотермостат (37) первой системой трубопроводов (19) соединен с упомянутым охладителем воздуха (30) расположены в вентиляционном канале (4.2), по направления воздушного потока, после центробежного вентилятора (6), через обратный клапан (32), так же соединяющим его с рабочим каналом (1). Проточный криотермостат (37) сопряжен с персональным компьютером (18).

Подробное описание осуществления изобретения

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

Формируют стабильный воздушный поток в климатической аэродинамической трубе состоящую из вентиляционных металлических каналов (4.1 - 4.4) с внутренними размерами 400×400 мм. из оцинкованной углеродистой стали, толщиной стенки 0,7 мм., образующие замкнутый контур.

Подают электропитание на аэродинамическую климатическую установку (100), центробежный вентилятор (6), систему охлаждения воздуха (3), генератор мелкодисперсного аэрозоля (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), систему охлаждения воздуха (3), генератор мелкодисперсного аэрозоля (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.

Система охлаждения 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 400×400 на 400×700 мм.

Система охлаждения воздуха (3) соединен первой системой трубопроводов (19) с проточным криотермостатом (37), представляющий собой циркуляционный охладитель, включающий в себя встроенный герметичный бак и насос подачи охлаждающей жидкости. Проточный криотермостат (37) предназначен для точного контроля температуры в диапазоне от - 25 до 40°C с точностью поддержания температуры: ±0,5°С. В качестве проточного криотермостата (37) может применятся циркуляционный охладитель для точного контроля температуры во внешних системах с закрытым контуром, например, LOIP FT-600 7. Упомянутый проточный криотермостат (37) 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 (37), охладителем воздуха (30) и рабочим каналом (1). Подача охлаждающей жидкости на охладитель воздуха (30) регулируется обратным клапаном (32), а входные параметры работы на проточный криотермостат (37) задаются через персональный компьютер (18).

Выравнивают поле течения воздушного потока и снижают уровень турбулентности в рабочем канале (1) с помощью хонейкомба (5), содержащим вертикальные и горизонтальные пластины, установленные внутри вентиляционного канала квадратного сечения с внутренними размерами 800×800 мм., формирующие в потоке сотовые структуры размером 3×3 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 200×200 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 (8), предназначенный для формирования капельной влаги в воздушном потоке, который содержит систему подачи воды (80), от которой по соединяющей системой трубопроводов (89) с форсункой распылительной (83) расположенную в ядре воздушного потока после хонейкомба (5), подается вода. Интенсивность подачи воды задается регулирующим вентилем (81) и шаровым краном (82), а размер капель определяется использованием различных типов распылительных форсунок (83).

Обеспечивают заданные параметры уровня влажности воздуха и предотвращают статическое электричество, с помочью парогенератора (9). 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 (81) и шарового крана (82).

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) выключают генератор мелкодисперсного аэрозоля (8).

По первой системы трубопроводов (19) охлаждающая жидкость циркулирует между охладителем воздуха (30) 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 и может быть использовано для исследования в лабораторных условиях влияния обледенения на кинематику потока и силовые параметры лопасти ветрогенератора, а также для испытания материалов, применяемых в «арктических» условиях. В замкнутом контуре формируют воздушный поток с возможностью регулировки его скорости и температуры. В воздушный поток помещают элемент лопасти ветрогенератора с возможностью изменения углового положения. Персональный компьютер соединяют с термопреобразователем сопротивления и термоанемометром, с помощью которых температура потока регулируется в диапазоне от - 25 до 40°С с точностью поддержания температуры ±0,5°С. После термопреобразователя сопротивления устанавливают хонейкомб для снижения уровня турбулентности воздушного потока. В потоке воздуха формируют капельную влагу путем распыления в ядре потока мелкодисперсного аэрозоля. После образования наледи на поверхности элемента лопасти ветрогенератора прекращают подачу мелкодисперсного аэрозоля и обеспечивают поддержание заданных параметров уровня влажности воздуха и предотвращение статического электричества с помощью парогенератора. Методом лазерной доплеровской анемометрии исследуют влияние обледенения на кинематику потока и силовые параметры лопасти ветрогенератора. Техническим результатом является обеспечение возможности моделирования атмосферных условий, связанных с образованием и накоплением льда, и исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов. 5 ил.

Способ исследования влияния обледенения на кинематические и силовые параметры лопастей ветрогенераторов, заключающийся в том, что в замкнутом контуре формируют воздушный поток с возможностью регулировки его скорости и температуры, в воздушный поток помещают элемент лопасти ветрогенератора, регистрируют обледенение лопасти оптическим методом, обеспечивают автоматическое управление и обработку полученных результатов эксперимента с помощью персонального компьютера, отличающийся тем, что элемент лопасти ветрогенератора, размещают с возможностью изменения углового положения, персональный компьютер соединяют с термопреобразователем сопротивления и термоанемометром, с помощью которых температура потока регулируется в диапазоне от - 25 до 40°С с точностью поддержания температуры ±0,5°С, после термопреобразователя сопротивления устанавливают хонейкомб для снижения уровня турбулентности воздушного потока, в потоке воздуха формируют капельную влагу путем распыления в ядре потока мелкодисперсного аэрозоля, после образования наледи на поверхности элемента лопасти ветрогенератора прекращают подачу мелкодисперсного аэрозоля и обеспечивают поддержание заданных параметров уровня влажности воздуха и предотвращение статического электричества с помощью парогенератора, затем методом лазерной доплеровской анемометрии исследуют влияние обледенения на кинематику потока и силовые параметры лопасти ветрогенератора.