Устройство проверки эффективности противообледенительных методов Российский патент 2025 года по МПК F03D80/40 G01M9/06 

Область техники

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к климатическим аэродинамическим установкам (трубам), и может быть использовано для исследования оптическими методами такими как фазовая триангуляция и методом лазерной доплеровской анемометрии, эффективности противообледенительных систем и гидрофобных покрытий, применяемых для лопастей ветрогенераторов, а также для испытания материалов, применяемых в «арктических» условиях, методами оптической диагностики.

Моделирование арктических условий выполняет аэродинамическая климатическая установка, содержащая устройство формирования потока холодного воздуха, генератор мелкодисперсного аэрозоля и рабочую камеру, оптически сопряженную с оптическим измерительным комплексом, а также установка содержит управляющий модуль, задающий параметры работы устройства формирования потока холодного воздуха, генератора мелкодисперсного аэрозоля и оптического измерительного комплекса.

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 проверки эффективности различных антиобледенительных воздействий оптическими методами.

Раскрытие сущности изобретения

Целью данного изобретения является моделирования атмосферных условий, связанных с образованием и накоплением льда и исследования эффективности различных антиобледенительных воздействий применительно к лопастям ветрогенераторов.

Технический результат изобретения заключается в возможности измерения оптическими методами эффективности антиобледенительных воздействий.

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 устройства (100) со следующими элементами, обозначенными цифрами на Фиг. 1:

99 - вентиляционный канал квадратного поперечного сечения; 10 - устройство формирования потока холодного воздуха, содержащее: 11 - первую трубку Ранка-Хилша, 12 - вторую трубку Ранка-Хилша, 13 - третью трубку Ранка-Хилша, 14 - четвертую трубку Ранка-Хилша; 20 - хонейкомб; 30 - генератора мелкодисперсного аэрозоля, содержащий: 37 - систему подачи воды для формирования капельной влаги в воздушном потоке, 31 - регулирующий вентиль, 35 - первый трубопровод, 39 - форсунка распылительная; 40 - холодильная установка; 41 - вторая система трубопроводов; 50 - рабочая камера, с устройством изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта; 51 - испытуемый экспериментальный объект; 59 - модуль диагностики; 60 - оптический измерительный комплекс, совмещенный с системой фото-видео фиксации; 70 - управляющий модуль; 79 - общая шина.

На Фиг. 2 представлена 3D модель рабочей камеры (50) в процессе проведения испытаний совмещающего в себе применение гидрофобных покрытий, метода нагрева, ультразвуковых воздействий, вибраций и «вдува» воздуха изнутри испытуемого экспериментального объекта (51).

На Фиг. 2 обозначены: 51 - Испытуемый экспериментальный объект; 513 - Нагревательные провода; 50 - Рабочая камера; 518 - Подача воздуха; 514 - гидрофобное покрытие; 500 - воздушный поток.

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:

устройство формирования потока холодного воздуха (10), содержащее параллельно соединенные между собой первую (11), вторую (12), третью (13) и четвертую (14) трубки Ранка-Хилша, холодильная мощность каждой при давлении 6 бар составляет порядка 800 Вт, соединено с горизонтально расположенным вентиляционным каналом (99) квадратного поперечного сечения.

Холодный поток из указанных трубок Ранка-Хилша направлен в вентиляционный канал (99).

Хонейкомб (20) расположен в вентиляционном канале (99) между устройством формирования потока холодного воздуха (10) и генератором мелкодисперсного аэрозоля (30).

Хонейкомб (20) предназначен для выравнивания поля течения воздушного потока и для снижения уровня турбулентности, содержит вертикальные и горизонтальные пластины, установленные внутри вентиляционного канала квадратного сечения, формирующие в потоке сотовые структуры размером 3×3 мм квадратного сечения.

Хонейкомб (20) соединен с вентиляционным каналом (99) при помощи линейного диффузора (не обозначен на Фиг. 1), предназначенном для расширения воздушного потока до размеров упомянутого хонейкомба (20), и профильным конфузором (не обозначен на Фиг. 1), предназначенным для сужения воздушного потока до необходимых размеров упомянутого вентиляционного канала (99).

Генератор мелкодисперсного аэрозоля (30) включает в себя форсунку распылительную (39), систему подачи воды (37), регулирующий вентиль (31) и первый трубопровод (35).

Форсунка распылительная (39), упомянутого генератора мелкодисперсного аэрозоля (30), расположена в ядре воздушного потока после хонейкомба (20), соединена с системой подачи воды (37) трубопроводом (35), содержащим регулирующий вентиль (31).

Рабочая камера (50), выполнена из органического стекла, содержит устройство изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта (51), оптически сопряжена с оптическим измерительным комплексом (60), а также соединена с холодильной установкой (40).

При этом рабочая камера (50) дополнительно содержит модуль диагностики (59), содержащий: датчик дифференциального давления, термоэлектрические преобразователи, манометр, и содержит технические разъемы (на Фиг. 1 не указаны) для подключения необходимого оборудования для проведения эксперимента.

Испытуемый экспериментальный объект (51) расположен в рабочей камере (50) на расстоянии 2-х метров от выходов воздуха из труб Ранка-Хилша (11-14), соединен с холодильной установкой (40) с помощью второго трубопровода (41) и модулем диагностики (59).

Упомянутая холодильная установка (40) представляет собой циркуляционный охладитель, включающий в себя встроенный герметичный бак и насос подачи охлаждающей жидкости. Холодильная установка (40) предназначена для точного контроля температуры в диапазоне от - 25 до 40°С и точностью поддержания температуры ± 0,5°С.

В качестве холодильной установки (40) может применяться циркуляционный охладитель для точного контроля температуры во внешних системах с закрытым контуром, например, LOIP FT-600 7.

Управляющий модуль (70) соединен общей шинной (79) с первой (11), второй (12), третьей (13) и четвертой (14) трубками Ранка-Хилша, системой подачи воды (37), холодильной установкой (40), модулем диагностики (59), измерительным комплексом (60), а также может быть соединен с дополнительным оборудованием, необходимым для проведения эксперимента, и предназначен для автоматизации работы устройства (100), задания параметров проведения испытаний, контроля, приема и обработки информации от средств измерения и контроля технологических параметров установки, физических характеристик параметров потока и исследуемых моделей.

Управляющий модуль (70) реализован, например, на базе персонального компьютера и контроллера, например, ПЛК110.

Подробное описание осуществления изобретения

Предлагаемое устройство (100) работает следующим образом.

Испытуемый экспериментальный объект (51) - модель лопасти ветрогенератора с нанесенным на ее поверхность испытываемым гидрофобным покрытием с заданным угловым положением помещается в рабочую камеру (50), подсоединяется к модулю диагностики (59), холодильной установке (40) и через технические разъемы, содержащиеся в рабочей камере (50), соединяется с внешним оборудованием необходимым для проведения эксперимента.

Подают электропитание на устройство формирования потока холодного воздуха (10), содержащее: первую (11), вторую (12), третью (13) и четвертую (14) трубки Ранка-Хилша; систему подачи воды (37), холодильную установку (40), измерительный комплекс (60), управляющий модуль (70), модуль диагностики (59), а также на дополнительное оборудование при его необходимости.

Производится настройка оптического измерительного комплекса (60), содержащего фото- видео аппаратуру и измерительную систему на основе метода фазовой триангуляции.

С помощью управляющего модуля (70) задают параметры проведения эксперимента. Формируют стабильный воздушный поток в горизонтально расположенном вентиляционном канале (99) квадратного поперечного сечения путем подачи в него потока охлажденного воздуха.

Устройство формирования потока холодного воздуха (10) предназначено для создания воздушного потока с заданной температурой в вентиляционном канале (99), содержит первую (11), вторую (12), третью (13) и четвертую (14) трубки Ранка-Хилша, мощность каждой из которых составляет при давлении 6 бар порядка 800 Вт, минимальная температура достигается при 7 бар и составляет -22°C. Мощность упомянутых трубок Ранка-Хилша (11-14), задается управляющим модулем (70), соединенным с упомянутыми трубками Ранка-Хилша (11-14) по общей шине (79).

Холодный поток из указанных трубок Ранка-Хилша направлен в вентиляционный канал (99) и проходит через хонейкомб (20), далее выровненный охлажденный воздушный поток с низким уровнем турбулентности попадает в рабочую камеру (50) и на испытуемый экспериментальный объект (51).

По второй системе трубопроводов (41) охлаждающая жидкость циркулирует между холодильной установкой (40), рабочей камерой (50) и испытуемым экспериментальным объектом (51), поддерживая заданные параметры температуры рабочей камеры (50) и испытуемого экспериментального объекта (51) во время проведения эксперимента.

Параметры температуры задаются управляющим модулем (70) соединенным с холодильной установкой (40) по общей шине (79).

После достижения заданных экспериментом параметров температуры, с помощью оптического измерительного комплекса, (60) измеряется методом фазовой триангуляции профиль экспериментального объекта (51) до обледенения.

После чего производится обледенение до необходимой толщины наледи в необходимом режиме (наледь, иней изморозь). Включают генератор мелкодисперсного аэрозоля (30), предназначенный для формирования капельной влаги в воздушном потоке, который содержит систему подачи воды (37), от которой по первому трубопроводу (35) на форсунку распылительную (39), расположенную в ядре воздушного потока после хонейкомба (20), подается вода. Температура и давление подаваемого потока воды на форсунку распылительную (39) задается управляющим модулем (70), соединенным с системой подачи воды (37) по общей шине (79), а также дополнительно регулирующим вентилем (31), причем размер капель определяется использованием различных типов распылительных форсунок (39).

Во время проведения испытаний в рабочей камере (50) контролируется температура набегающего потока, температура исследуемого образца и температура внутри рабочей камеры (50), а также контролируется перепад давления в экспериментальном образце, набегающем потоке и давление в потоке с помощью датчика дифференциального давления, термоэлектрических преобразователей и манометра, содержащихся в модуле диагностики (59), который в свою очередь передает полученные сигналы на управляющий модуль (70) по общей шине (79).

В результате перечисленных операций, образовавшийся водно-воздушный аэрозоль, в виде кристаллов снега и льда, поступает на испытуемый экспериментальный объект (51), расположенный в рабочей камере (50). С этого момента следует начинать отсчет продолжительности испытания с фиксацией снего- и льдо-аккумуляции на поверхности испытуемого экспериментального объекта (51).

После образования на испытуемом экспериментальном объекте (51) наледи с заданными параметрами (в форме прозрачной наледи, в форме инея или форме изморози) на форсунку распылительную (39) прекращается подача воды.

После достижения заданных экспериментом параметров обледенения (в форме прозрачной наледи, в форме инея или форме изморози), с помощью оптического измерительного комплекса (60) измеряется методом фазовой триангуляции профиль образовавшейся наледи на поверхности экспериментального объекта (51).

Далее, средствами подключенного к экспериментальному объекту (51) внешнего оборудования, применяется необходимое антиоблединительное воздействие: нагрев, вибрация, ультразвуковое воздействие или их комбинация.

После проведения антиобледенительного воздействия, с помощью оптического измерительного комплекса (60), производятся измерения поверхности толщин остаточной наледи, по которой оценивается эффективность каждого антиобледенительного воздействия.

Экспериментальные результаты

Исследовались объекты элементов лопастей ветрогенераторов, которые были созданы с помощью 3D-принтера. Для тестируемых объектов были разработаны и апробированы методики проведения исследований обледенения, которые включают в себя несколько видов тестирования: фото- и видео фиксация процессов обледенения на поверхности экспериментального объекта; сравнительные эксперименты по сопоставлению информации, полученной методом фазовой триангуляции: срезов плоскостью 3D-поверхностей, определение поля толщины образовавшейся наледи, элементы лопастей напечатаны на 3D-принтере. Лопатка помещалась в рабочую камеру (50), с возможностью установки различного угла атаки.

Вибрационный метод, реализованный с помощью электромагнита, установленного внутрь цилиндра. Также вибрационный метод реализован за счет возможности создавать импульсы давления внутри лопатки.

Метод импульсной подачи воздуха создавался с помощью компрессора и электромагнитного клапана, который позволял создавать импульсы с заданной частотой. Период накопления воздуха и длительность «вдува» контролировалась контроллером, который, в свою очередь, управлялся модулем управления экспериментом.

Нагрев образца производился с помощью нагревательных проводов, натянутых и установленных на тестовую площадку, и плотно приклеивались к исследуемого образцу с тыльной стороны.

В качестве покрытий использованы поверхности, нанесенные литографическим способом в виде наноструктур на пластиковых поверхностях. Такие поверхности приобретают свойства супергидрофобности, обладают малыми коэффициентами теплопроводности и трения, а также хорошей проводимостью и малой силой адгезии к образующемуся льду.

Реализовывались три типа образования льда на тестируемой поверхности - наледь, иней и изморозь. В качестве поверхности для тестирования методов борьбы с обледенением выбрана поверхность размерами 30×70 мм, которая наносилась на экспериментальный участок лопасти ветрогенератора.

Эффективность борьбы с обледенением оценивалась по приложенным энергозатратам и по остаточному обледенению на тестируемой площадке после воздействия тестовым антиобледенительным воздействием.

Тестовое антиоблединительное воздействие подбиралось экспериментальным путем, чтобы можно было сравнить на всех типах противообледенительных поверхностей по борьбе с обледенением по одному воздействию. Например, фиксировалась толщина льда намороженного на тестируемой поверхности. При заданной толщине определялось время нагрева, амплитуда вибрации и мощность ультразвукового воздействия, чтобы воздействие ощущалось для каждого типа поверхности.

Проведено тестирование и адаптация ультразвукового и вибрационного методов для механического разрушения ледового налета. Вибрации от электромагнита, дополненные вибрациями «вдува» воздуха из-под тестируемой поверхности. Проведенный эксперимент с вибрацией и «вдувом» воздуха показал, что данные методы отлично друг друга дополняют. В отдельности электромагнит не может справится со всей обледененной поверхностью, так как воздействует на лед локально в месте непосредственного соприкосновения с тканью. «Вдув» воздуха создает воздушный карман между льдом и фторполимерным покрытием, что также препятствует полному разрушению льда. Комбинация данных методов позволяет эффективнее избавиться ото льда.

Проведены исследования работы комбинированной противообледенительной системы на базе супергидрофобных покрытий и теплового, ультразвукового или вибрационного методов защиты. По результатам эксперимента с вибрацией и нагревом получен положительный эффект в борьбе с обледенением. Лед на исследуемом покрытии оттаивает за счет нагревателя, в то время как жидкие капли сбрасываются вибрацией. Данный комбинированный метод в сравнении с другими имеет более низкое энергопотребление.

По результатам второго эксперимента с вибрацией и нагревом получен положительный эффект в борьбе с обледенением. Лед на гидрофобном покрытии оттаивает за счет нагревателя, в то время как жидкие капли сбрасываются вибрацией. Данный комбинированный метод в сравнении с другими имеет медленный эффект, что негативно сказывается на энергопотреблении.

Третий эксперимент со «вдувом» воздуха и нагревом сопровождался рядом проблем. Как и в первом эксперименте со «вдувом» воздуха образовался воздушный карман, который в отсутствии вибрации с трудом разрушается. Для увеличения эффективности метода необходимо увеличивать подаваемый воздух с компрессора, что также увеличивает энергопотребление.

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к климатическим аэродинамическим трубам, и может быть использовано для исследования эффективности противообледенительных систем. Устройство проверки эффективности противообледенительных методов (100) содержит устройство формирования потока холодного воздуха (10), систему подачи воды (37), форсунку распылительную (39), холодильную установку (40), оптически прозрачную рабочую камеру (50) с устройством изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта (51), оптический измерительный комплекс (60) и управляющий модуль (70). Система подачи воды (37) соединена первым трубопроводом (35) с форсункой распылительной (39). Оптический измерительный комплекс (60) оптически сопряжен с рабочей камерой (50). Управляющий модуль (70) соединен общей шиной (79) с устройством формирования потока холодного воздуха (10), системой подачи воды (37), холодильной установкой (40) и оптическим измерительным комплексом (60). Устройство формирования потока холодного воздуха (10) содержит параллельно соединенные по меньшей мере первую (11), вторую (12), третью (13) и четвертую (14) трубки Ранка-Хилша, холодный выход которых соединен с горизонтально расположенным вентиляционным каналом (99) квадратного поперечного сечения, в котором выполнен хонейкомб (20), предназначенный для выравнивания поля течения воздушного потока и снижения уровня турбулентности в рабочей камере (50). Холодильная установка (40) соединена второй системой трубопроводов (41) с испытуемым экспериментальным объектом (51). Рабочая камера (50) содержит модуль диагностики (59), соединенный с упомянутым управляющим модулем (70). Рабочая камера (50) снабжена техническими разъемами для подключения внешнего дополнительного оборудования. Измерения образовавшейся наледи на испытуемом экспериментальном объекте (51) производятся оптическим измерительным комплексом (60) методом фазовой триангуляции. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности измерения оптическими методами эффективности антиобледенительных воздействий. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство проверки эффективности противообледенительных методов (100), содержащее: устройство формирования потока холодного воздуха (10), систему подачи воды (37), форсунку распылительную (39), холодильную установку (40), оптически прозрачную рабочую камеру (50) с устройством изменения углового положения испытуемого экспериментального объекта (51), оптический измерительный комплекс (60) и управляющий модуль (70), причем система подачи воды (37) соединена первым трубопроводом (35) с форсункой распылительной (39), оптический измерительный комплекс (60) оптически сопряжен с рабочей камерой (50), управляющий модуль (70), реализованный, например, на персональном компьютере, соединен общей шиной (79) с устройством формирования потока холодного воздуха (10), системой подачи воды (37), холодильной установкой (40) и оптическим измерительным комплексом (60), отличающееся тем, что устройство формирования потока холодного воздуха (10) содержит параллельно соединенные по меньшей мере первую (11), вторую (12), третью (13) и четвертую (14) трубки Ранка-Хилша, холодный выход которых соединен с горизонтально расположенным вентиляционным каналом (99) квадратного поперечного сечения, в котором выполнен хонейкомб (20), предназначенный для выравнивания поля течения воздушного потока и снижения уровня турбулентности в рабочей камере (50), холодильная установка (40) соединена второй системой трубопроводов (41) с испытуемым экспериментальным объектом (51), рабочая камера (50) содержит модуль диагностики (59) соединенным с упомянутым управляющим модулем (70), а рабочая камера (50) снабжена техническими разъемами для подключения внешнего дополнительного оборудования, причем измерения образовавшейся наледи на испытуемом экспериментальном объекте (51) производятся оптическим измерительным комплексом (60) методом фазовой триангуляции.

2. Устройство по п. 1, в котором хонейкомб (20) соединен с вентиляционным каналом (99) при помощи линейного диффузора и профильного конфузора.

3. Устройство по п. 1, в котором хонейкомб (20) содержит вертикальные и горизонтальные пластины, установленные внутри вентиляционного канала квадратного сечения, формирующие в потоке сотовые структуры размером 3×3 мм квадратного сечения.