Глоток свежего воздуха – турбина ДВС
Почти на каждом дизельном двигателе, в том числе и с установленной системой bosch имеется турбонагнетатель.
В теории турбина, это воздушный насос, закачивающий больше воздуха в дизельный двигатель. Большое количество воздуха позволяет дизельному двигателю, развивать большую мощность и при этом уменьшая расход топлива.
Основные характеристики, принцип работы и устройство
Турбина устанавливается между воздушным трубопроводом и трубой выхлопа. Как только выхлопные газы покидают двигатель, попадая в турбину они начинают ее раскручивать и вращают компрессор, который нагнетает воздух в двигатель. Масло, подаваемое на турбину, производит смазку турбины.
На практике, турбина очень эффективный агрегат, собранный инженерами с точностью до сотых доли миллиметра.
Турбина и компрессор смонтированы в едином кожухе, с поддерживаемой системой подшипников. Сама турбина работает за счет давления отработанных газов двигателя.
Отработанные газы входят в отсек турбины, раскручивают ее и покидают через выходной трубопровод.
Температура выхлопных газов может достигать 950 °C, что означает использование в производстве турбины высокотемпературных сплавов.
Скорость и нагрузка на дизельный двигатель определяет, с какой скоростью будет вращаться турбина. При работе двигателя на холостом ходу, турбина работает на самых минимальных оборотах. Чем большее количество выхлопных газов проходит через турбину, тем быстрее скорость ее вращения. На максимальных оборотах, ее скорость может достигать 240 тыс. об /мин.
- Компрессорное колесо с лопатками соединено с турбиной единым закаленным стальным валом и вращается за счет вращения турбины.
- Воздух засасывается за счет вращения компрессионного колеса и при этом сжимается от очень высокой скорости вращения.
- Турбокомпрессор преобразует высокоскоростной воздушный поток с низким давлением в высокоскоростной поток с высоким давлением.
- Поступающий в турбину воздух, проходя через нее, нагревается до 200 °C.
Увеличение температуры увеличивает плотность, что в свою очередь уменьшает мощность двигателя. Поэтому воздух, перед тем как попасть в двигатель из турбокомпрессора, охлаждается в специальном радиаторе — интеркулере.
Соединяющий турбину и компрессор вал, работает в системе опорных подшипников и смазывается маслом из системы смазки двигателя. Масло играет одновременно роль охладителя турбины, забирая тепло от подшипников.
С двух сторон кожуха установлены уникальные масляные сальники, разработанные специально для высоких температур. Сальники предотвращают попаданию масла в компрессор и турбину.
Турбина с электронной начинкой
При больших оборотах турбины, может произойти перегазовка двигателя. Поэтому сейчас изготавливают управляемые турбины с подключением в одну электронную систему управления работы двигателя.
Турбина современного грузового автомобиля очень сложный агрегат, включенный в одну систему с ТНВД.
Для улучшения работы дизельного двигателя производители устанавливают так называемые варьированные турбины.
В зависимости от завода — изготовителя турбины, в них используются подвижные створки или подвижные сопла, давая турбине подстраиваться под работу двигателя. Это позволяет намного более эффективно использовать выхлопные газы и изменять воздушный поток, чтобы получить желаемую скорость в диапазоне работы двигателя.
Данная технология позволяет двигателю эффективно работать при различных режимах. Увеличивая экономию топлива и улучшая характеристики торможения двигателем.
Ранее выпускавшиеся варьированные турбины использовали вакуум для изменения положения сопел или заслонок. Большинство современных моделей использует электронное оборудование и имеет собственный процессор.
Знания и точность – ремонт турбин
В любом случае работа таких турбин осуществляется в согласованной связке с ТНВД. Сложность варьированных турбин не позволяет производить их ремонт в неспециализированных мастерских с отсутствием специального оборудования и мастеров должной квалификации.
Это закономерно относиться и к ремонту тнвд bosch дизельных двигателей грузовиков. Только опытные специалисты смогут произвести ремонт и настройку сложной системы ТНВД и турбины.
Не рискуйте своим автомобилем, отдавая его в руки ненадежных механиков с малопригодным оборудованием.
Если у вас возникла необходимость в ремонте турбины или ремонте тнвд бош, обращайтесь только к настоящим профессионалам.
Ремонт тнвд бош, двигателей, турбин – мы №1 по праву.
Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха
12.07.2017 #Турбокомпрессор
Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздухаДля повышения мощности двигателей внутреннего сгорания широкое применение находят специальные агрегаты — турбокомпрессоры. О том, что такое турбокомпрессор, каких типов бывают эти агрегаты, как они устроены и на каких принципах основана их работа, а также об их обслуживании и ремонте читайте в статье.
Что такое турбокомпрессор?
Турбокомпрессор — основной компонент системы агрегатного наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат для повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.
Турбокомпрессор применяется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без коренного вмешательства в его конструкцию. Данный агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания увеличенного количества топливно-воздушной смеси. В этом случае сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к повышению давления на поршень и, как следствие, к росту крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.
Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более значительных доработках рост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров находят самое широкое применение на всех типах транспортных средств с ДВС.
Типы и характеристики турбокомпрессоров
Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.
По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:
- Для одноступенчатых систем наддува — один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегатов, работающих на несколько цилиндров;
- Для последовательных и последовательно-параллельных систем надува (различные варианты Twin Turbo) — два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на общую группу цилиндров;
- Для двухступенчатых систем наддува — два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые работают в паре (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.
Наиболее широкое применение находят одноступенчатые системы наддува, построенные на основе одного турбокомпрессора. Однако такой системе может присутствовать два или четыре одинаковых агрегата — например, в V-образных двигателях используются отдельные турбокомпрессоры на каждый ряд цилиндров, в многоцилиндровых моторах (более 8) могут применяться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров.
По применимости турбокомпрессоры можно условно разделить на несколько групп:
- По типу двигателя — для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
- По объему и мощности двигателя — для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности; для высокооборотистых двигателей, и т.д.
Турбокомпрессоры могут оснащаться турбиной одного из двух типов:
- Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) — поток отработавших газов подается на периферию крыльчатки турбины, движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
- Осевой — поток отработавших газов подается вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.
Сегодня применяются обе схемы, но на двигателях небольшого объема чаще можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это и не является правилом).
Независимо от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащаются центробежным компрессором — в нем воздух подается к центру крыльчатки и отводится от ее периферии.
Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:
- Двойной вход — турбина имеет два входа, на каждый из них поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
- Изменяемая геометрия — турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, посредством которых можно изменять поток отработавших газов на рабочее колесо, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.
Наконец, турбокомпрессоры отличаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями. Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:
- Степень повышения давления — отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, лежит в пределах 1,5-3;
- Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) — масса воздуха, проходящая через компрессор за единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
- Рабочий диапазон оборотов — лежит в пределах от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду.
- Рабочая/максимальная температура отработавших газов на входе в турбину — лежит в пределах 650-700°С, в отдельных случаях достигает 1000°С;
- КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.
Также агрегаты отличаются размерами, типом монтажа, необходимостью применять вспомогательные компоненты и т.д.
Конструкция турбокомпрессора
В общем случае турбокомпрессор состоит из трех основных узлов:
- Турбина;
- Компрессор;
- Корпус подшипников (центральный корпус).
Турбина — агрегат, преобразующий кинетическую энергию отработавших газов в механическую энергию (в крутящий момент колеса), которая обеспечивает работу компрессора. Компрессор — агрегат для нагнетания воздуха. Корпус подшипников связывает оба агрегата в единую конструкцию, а расположенный в нем вал ротора обеспечивает передачу крутящего момента от колеса турбины на колесо компрессора.
Разрез турбокомпрессора
Турбина и компрессор имеют схожую конструкцию. Основой каждого из этих агрегатов выступает корпус-улитка, в периферийной и центральной части которого расположены патрубки для соединения с системой наддува. У компрессора впускной патрубок всегда находится в центре, выпускной (нагнетательный) — на периферии. Такое же расположение патрубков у осевых турбин, у радиально-осевых турбин расположение патрубков обратное (на периферии — впускной, в центре — выпускной).
Внутри корпуса располагается колесо с лопатками специальной формы.
Оба колеса — турбинное и компрессорное — удерживаются общим валом, который проходит через корпус подшипников. Колеса — цельнолитые или составные, форма лопаток турбинного колеса обеспечивает максимально эффективное использование энергии отработавших газов, форма лопаток компрессорного колеса обеспечивает максимальный центробежный эффект. В современных турбинах высокого класса могут использоваться составные колеса с керамическими лопатками, которые имеют низкую массу и обладают лучшими характеристиками. Размер колес турбокомпрессоров автомобильных двигателей — 50-180 мм, мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей — 220-500 и более мм.
Оба корпуса монтируются на корпус подшипников с помощью болтов через уплотнения. Здесь располагаются подшипники скольжения (реже — подшипники качения специальной конструкции) и уплотнительные кольца. Также в центральном корпусе выполняются масляные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах и полости водяной рубашки охлаждения.
При монтаже агрегат соединяется с системами смазки и охлаждения двигателя.
В конструкции турбокомпрессора могут быть предусмотрены и различные вспомогательные компоненты, в том числе детали системы рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы для улучшения смазки деталей и их охлаждения, регулировочные клапаны и т.д.
Детали турбокомпрессора изготавливаются из специальных марок стали, для колеса турбины применяются жаропрочные стали. Материалы тщательно подбираются по коэффициенту температурного расширения, что обеспечивает надежность конструкции на различных режимах работы.
Турбокомпрессор включается в систему наддува воздуха, в которую также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах — интеркулер (радиатор охлаждения наддувного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.
Принцип работы турбокомпрессора
Принцип работы турбокомпрессора
Функционирование турбокомпрессора сводится к простым принципам.
Турбина агрегата внедряется в выпускную систему двигателя, компрессор — во впускной тракт. Во время работы мотора выхлопные газы поступают в турбину, ударяются о лопатки колеса, отдавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя ее вращаться. Крутящий момент от турбины посредством вала напрямую передается на колеса компрессора. При вращении колесо компрессора отбрасывает воздух на периферию, повышая его давление — этот воздух подается во впускной коллектор.
Одиночный турбокомпрессор имеет ряд недостатков, основной из которых — турбозадержка или турбояма. Колеса агрегата имеют массу и некоторую инерцию, поэтому не могут мгновенно раскручиваться при повышении оборотов силового агрегата. Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель разгоняется не сразу — возникает короткая пауза, провал мощности. Решением этой проблемы служат специальные системы управления турбиной, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, последовательно-параллельные и двухступенчатые системы наддува, и другие.
Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров
Турбокомпрессор нуждается в минимальном техническом обслуживании. Главное — вовремя производить замену масла и масляного фильтра двигателя. Если мотор еще может какое-то время работать на старом масле, то для турбокомпрессора оно может стать смертельно опасным — даже незначительное ухудшение качества смазочного материала на высоких нагрузках может привести к заклиниванию и разрушению агрегата. Также рекомендуется периодически очищать детали турбины от нагара, что требует ее разбора, однако эту работу следует выполнять только с применением специального инструмента и оборудования.
Неисправный турбокомпрессор в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Для замены необходимо использовать агрегат того же типа и модели, что был установлен на двигателе ранее. Монтаж турбокомпрессора с иными характеристиками может нарушить работу силового агрегата. Подбор, монтаж и настройку агрегата лучше доверять специалистам — это гарантирует правильное выполнение работ и нормальную работу двигателя.
При правильной замене турбокомпрессора двигатель снова обретет высокую мощность и сможет решать самые сложные задачи.
Другие статьи
#Планка генератора
Планка генератора: фиксация и регулировка генератора автомобиля
14.09.2022 | Статьи о запасных частях
В автомобилях, тракторах, автобусах и иной технике электрические генераторы монтируются к двигателю посредством кронштейна и натяжной планки, обеспечивающей регулировку натяжения ремня. О планках генератора, их существующих типах и конструкции, а также выборе и замене этих деталей — читайте в статье.
#Переходник для компрессора
Переходник для компрессора: надежные соединения пневмосистем
31.08.2022 | Статьи о запасных частях
Даже простая пневматическая система содержит несколько соединительных деталей — фитингов, или переходников для компрессора. О том, что такое переходник для компрессора, каких типов он бывает, зачем необходим и как устроен, а также о верном подборе фитингов для той или иной системы — читайте в статье.
#Стойка стабилизатора Nissan
Стойка стабилизатора Nissan: основа поперечной устойчивости «японцев»
22.06.2022 | Статьи о запасных частях
Ходовая часть многих японских автомобилей Nissan оснащается стабилизатором поперечной устойчивости раздельного типа, соединенным с деталями подвески двумя отдельными стойками (тягами). Все о стойках стабилизатора Nissan, их типах и конструкции, а также о подборе и ремонте — читайте в данной статье.
#Ремень приводной клиновой
Ремень приводной клиновой: надежный привод агрегатов и оборудования
15.06.2022 | Статьи о запасных частях
Для привода агрегатов двигателя и в трансмиссиях различного оборудования широко применяются передачи на основе резиновых клиновых ремней. Все о приводных клиновых ремнях, их существующих типах, особенностях конструкции и характеристиках, а также о правильном выборе и замене ремней — читайте в статье.
Вернуться к списку статей
Полевое исследование показывает, что обледенение может стоить ветряным турбинам до 80% производства электроэнергии • Служба новостей • Университет штата Айова
На этой фотографии с беспилотника, полученной в результате полевого исследования обледенения ветряных турбин, показано, как лед скапливался на кончике лопасти турбины во время зимнего шторма.
Исследование показало, что скопление льда на кончиках лопастей может достигать толщины почти в фут. Увеличенное фото. Фото предоставлено Хуэй Ху.
Эймс, Айова. Лопасти ветряных турбин, вращающиеся в холодных и влажных условиях, могут собирать лед толщиной почти в фут на концах своих лопастей.
Это нарушает аэродинамику лопасти. Это нарушает баланс всей турбины. И это может нарушить выработку энергии на 80 процентов, согласно недавно опубликованному полевому исследованию, проведенному Хуэй Ху, профессором аэрокосмической техники Мартина Джишке Университета штата Айова и директором университетского факультета физики обледенения самолетов и противообледенительной обработки. Технологическая лаборатория.
Ху занимается лабораторными исследованиями обледенения турбинных лопаток около 10 лет, в том числе проводит эксперименты в уникальном исследовательском туннеле ИСУ. Большая часть этой работы была поддержана грантами от Энергетического центра Айовы и Национального научного фонда.
«Но у нас всегда есть вопросы о том, соответствует ли то, что мы делаем в лаборатории, тому, что происходит в полевых условиях», — сказал Ху. «Что происходит с поверхностью лопастей больших ветряных турбин промышленного масштаба?»
Все мы знаем об одном событии, которое недавно произошло в поле. Энергия ветра и другие источники энергии замерзли и вышли из строя во время зимнего шторма в прошлом месяце в Техасе.
Поиск полевой площадки
Исследователи изучили эту ветряную электростанцию на вершине хребта.
Ху хотел количественно оценить, что происходит на ветряных электростанциях в зимнюю погоду, и поэтому несколько лет назад начал организовывать полевое исследование. Но это оказалось сложнее, чем он ожидал. Даже в Айове, где около 5100 ветряных турбин производят более 40% электроэнергии штата (по данным Ассоциации энергетической информации США), ему не дали доступа к турбинам. Энергетические компании обычно не хотят, чтобы данные о производительности их турбин публиковались.
Со Ху, который установил связи с исследователями из Школы возобновляемых источников энергии Северо-китайского электроэнергетического университета в Пекине в рамках программы «Международный исследовательский опыт для студентов», финансируемой Национальным научным фондом, спросил, будут ли китайские ветряные электростанции сотрудничать.
Операторы ветряной электростанции мощностью 50 мегаватт с 34 турбинами на вершине горного хребта в восточном Китае согласились провести полевое исследование в январе 2019 года. Ху сказал, что большинство турбин вырабатывают 1,5 мегаватт электроэнергии и очень похожи на турбины коммунального масштаба, которые действуют в США.
Поскольку ветряная электростанция, которую исследовали исследователи, находится недалеко от Восточно-Китайского моря, Ху сказал, что ветряные турбины там сталкиваются с условиями обледенения, более похожими на те, что в Техасе, чем в Айове. Ветряные электростанции Айовы подвергаются более холодным и сухим зимним условиям; когда зимние холода опускаются в Техас, ветряные электростанции подвергаются большему воздействию влаги из-за близлежащего Мексиканского залива.
Измерение льда
В рамках своей полевой работы исследователи использовали дроны, чтобы сфотографировать 50-метровые лопасти турбины после 30-часового пребывания в условиях ледяной зимы, включая ледяной дождь, моросящий дождь, мокрый снег и ледяной туман.
Фотографии позволили провести подробные измерения и анализ того, как и где лед скапливается на лопастях турбины. Ху сказал, что фотографии также позволили исследователям сравнить естественное обледенение с лабораторным и в значительной степени подтвердили их экспериментальные выводы, теории и прогнозы.
Фотографии показали: «В то время как лед нарастал по всему пролету лопастей, было обнаружено, что больше льда скапливалось на внешних лопастях, при этом толщина льда достигала до 0,3 метра (почти 1 фут) вблизи кончиков лопастей», — написали исследователи в недавно опубликованной статье. онлайн в журнале Renewable Energy. (Полный состав исследовательской группы см. на врезке.)
Исследователи использовали встроенные в турбины системы управления и сбора данных, чтобы сравнить рабочее состояние и выработку электроэнергии при наличии льда на лопастях с более типичными условиями безо льда.
«Это говорит нам о том, что важно, как это влияет на выработку электроэнергии», — сказал Ху.
Исследователи обнаружили, что обледенение оказало большое влияние:
«Несмотря на сильный ветер, обледеневшие ветряные турбины вращались намного медленнее и даже часто отключались во время обледенения, при этом потери мощности, вызванные обледенением, составляли до 80%», — пишут исследователи.
Это означает, что Ху продолжит работу над другой областью исследований ветряных турбин — поиском эффективных способов удаления льда с лопастей, чтобы они продолжали вращаться, а электричество продолжало поступать всю зиму.
Наука о замерзших ветряных турбинах – и как заставить их вращаться зимой
Зима считается лучшим сезоном для ветроэнергетики – ветер сильнее, а поскольку плотность воздуха увеличивается с понижением температуры, увеличивается мощность. нажимая на лопатки. Но зима также приходит с проблемой: морозная погода.
Даже легкое обледенение может вызвать достаточную шероховатость поверхности лопастей ветряных турбин, чтобы снизить их аэродинамическую эффективность, что снижает количество энергии, которую они могут производить, как это произошло в Техасе в феврале.
Частые сильные обледенения могут сократить годовое производство энергии ветровой электростанции более чем на 20%, что обойдется отрасли в сотни миллионов долларов. Потеря мощности — не единственная проблема, связанная с обледенением. Неравномерное образование льда на лопастях может привести к дисбалансу, что приведет к более быстрому износу деталей турбины. Это также может вызвать вибрации, которые заставят турбины отключаться. В случае сильного обледенения повторный запуск турбин может быть невозможен в течение нескольких часов, а возможно и дней.
Решение очевидно: удалить лед с лезвий или найти способ предотвратить образование льда. Однако до сих пор большинство стратегий предотвращения обледенения лопастей ветряных турбин исходили из авиации. Крылья самолетов и ветряные турбины устроены по-разному и работают в очень разных условиях.
Я аэрокосмический инженер и инженер-механик, и мои коллеги и я изучали физику обледенения ветряных турбин в течение последних 10 лет и искали лучшие решения для защиты турбин от обледенения.
Лед не везде одинаков
Лед везде разный. Это может произойти из-за осадков, облаков или мороза. Он также по-разному замерзает в разных климатических условиях.
Например, изморозь, образующаяся при попадании на поверхность крошечных капель переохлажденной воды, обычно возникает в регионах с относительно сухим воздухом и более низкими температурами, ниже 20 F. Это то, что мы обычно наблюдаем зимой в Айове и других штатах Среднего Запада.
Сравнение изморози и гололедицы показывает, как каждый из них изменяет текстуру лезвия. Гао, Лю и Ху, 2021 г., CC BY-ND Обледенение связано с гораздо более влажным воздухом и более высокими температурами и обычно наблюдается на северо-восточном побережье. Это худший тип льда для лопастей ветряных турбин. Он образует сложные формы льда из-за своей влажной природы, что приводит к большей потере мощности. Также вероятно, что образовалось в Техасе в феврале 2021 года, когда холодный воздух с севера столкнулся с влажным воздухом с побережья Мексиканского залива.
В то время как большая часть электроэнергии, отключенной ураганом, была получена от природного газа, угля или атомной энергии, ветряные турбины также испытывали трудности.
Бури в аэродинамической трубе
Создание ветроэнергетической установки, способной работать в условиях гололеда, требует глубокого понимания лежащих в ее основе физических явлений, как образования льда, так и снижения производительности в результате образования льда на лопастях турбины.
Чтобы исследовать эти силы, мы используем специальную аэродинамическую трубу, которая может продемонстрировать, как образуется лед на образцах лопаток турбины, и запускаем дроны с камерами.
Используя туннель для исследования обледенения в Университете штата Айова, моя команда воспроизвела сложные трехмерные формы льда, образующиеся на моделях лопастей турбины в различных условиях, чтобы изучить, как они влияют на ветер и лопасти. Лед может создать сильное разделение воздушного потока. В самолетах это опасная ситуация, которая может привести к их сваливанию.
В ветряных турбинах это снижает скорость их вращения и количество энергии, которую они могут производить.
Мы также изучаем работу ветряных турбин по всей стране, так как они находятся в самых тяжелых условиях.
С помощью дронов, оснащенных цифровыми камерами высокого разрешения, мы можем парить перед ветряными турбинами высотой 80 метров и фотографировать лед сразу после того, как он образуется на лопастях. Сопоставление этого с данными о производительности турбины показывает нам, как лед влияет на выработку электроэнергии.
Хотя лед может образовываться по всей длине лезвия, гораздо больше льда находится у его кончиков.
После одного 30-часового обледенения мы обнаружили лед толщиной в фут. Несмотря на сильный ветер, тяжелые турбины, покрытые льдом, вращались гораздо медленнее и даже отключались. В этот период турбины производили только 20% своей нормальной мощности.
Предотвращение попадания льда на лезвия
Есть несколько причин, по которым стратегии, эффективно защищающие крылья самолетов от обледенения, не так эффективны для лопастей ветряных турбин.
Во-первых, материалы, из которых они сделаны. В то время как крылья самолетов обычно изготавливаются из металлов, таких как алюминиевый сплав, ветряные турбины коммунального масштаба изготавливаются из композитов на основе полимеров. Металл более эффективно проводит тепло, поэтому тепловые системы, которые циркулируют тепло, более эффективны в крыльях самолетов. Лопасти турбины на полимерной основе также с большей вероятностью покроются пылью и столкновением насекомых, что может изменить гладкость поверхности лопасти и замедлить стекание воды с лопасти, способствуя образованию льда.
Ветряные турбины также более подвержены попаданию в ледяной дождь и в другие низковысотные среды с высоким содержанием воды, например морские брызги для морских ветряных турбин.
Большинство современных методов защиты от обледенения и защиты от обледенения ветряных турбин удаляют скопление льда с помощью электрического нагрева или подачи внутрь горячего воздуха. Нагрев этих массивных площадей, которые во много раз больше, чем крылья самолета, увеличивает стоимость турбины и является неэффективным и энергозатратным. Композитные лопатки турбин также могут быть легко повреждены в результате перегрева. И есть еще одна проблема: вода от тающего льда может просто стекать обратно и снова замерзать в другом месте.
Другая стратегия в регионах с холодным климатом заключается в использовании поверхностных покрытий, которые отталкивают воду или предотвращают прилипание льда. Однако ни одно из покрытий не смогло полностью устранить лед, особенно в критических зонах вблизи передних кромок лопастей.
Лучшее решение
Моя группа разрабатывает новый метод, использующий элементы обеих технологий. Нагревая только критические области, особенно передние кромки лопастей, и используя водо- и ледоотталкивающие покрытия, мы смогли уменьшить количество необходимого тепла и риск повторного замерзания стекающей воды по поверхности лопастей. В результате эффективно предотвращается образование льда на всех поверхностях лопаток турбины.
По сравнению с обычными методами поверхностного нагрева грубой силы, наша гибридная стратегия также потребляла гораздо меньше энергии, что приводило к экономии энергии до 80%. Без льда, замедляющего его, турбины могут производить больше энергии зимой.
На сегодняшний день во всем мире установлено около 800 гигаватт ветряных электростанций, в том числе более 110 гигаватт только в США. Поскольку рынок быстро растет и энергия ветра вытесняет более загрязняющие источники энергии, стратегии защиты от обледенения и защиты от льда становятся все более важными.