Лопасть турбины: Применение и виды турбинных лопаток

Исследование лопастей ветряной турбины с помощью функционала модуля Композитные материалы

В романе Мигеля де Сервантеса «Дон Кихот», написанном в 1615 году, заглавный герой, представлявший себя средневековым рыцарем, принимает ветряные мельницы за великанов и нападает на них, в результате чего его копье застревает в одном из парусов. Для современных лопастей ветряных энергетических установок конечно нет задачи выдерживать такое точечное воздействие, однако при их проектировании важно проводить анализ на прочность и расчет собственных частот лопастей для учета различных (более реалистичных) нагрузок на конструктивные элементы.

Причины использования композитных материалов в элементах ветряных турбин

Когда ветер вращает пропеллерные лопасти ветряной установки вокруг ротора (который соединен с основным валом), ротор, в свою очередь, вращает генератор для выработки электричества. Чтобы помочь преобразовать кинетическую энергию ветра в электрическую энергию, лопасти ветряных турбин должны выдерживать ветровые, гравитационные и центробежные нагрузки. Количество лопастей может варьироваться (хотя обычно используют три лопасти) в зависимости от того, является ли ветровая установка более традиционной турбиной с горизонтальной осью или турбиной с вертикальной осью.

Для высокой эффективности лопасти турбин должны быть большими. Большой размер означает, что инженеры обязаны внимательно относиться к выбору материалов, которые должны быть легкими и прочными. Указанные особенности критически важны для того, чтобы лопасти оставались в рабочем состоянии при разных механических нагрузках и в самых суровых погодных условиях, включая сильный ветер, эрозию из-за крупных частиц пыли в воздухе и обледенение.

Проектировать лопасти, которые выдержат атаку Дон Кихота (иллюстрация слева) достаточно увлекательно и весело, но реальный практический интерес представляет проектирование лопастей, которые выдержат штормовые нагрузки (справа). Слева: иллюстрация к роману «Дон Кихот», выполненная Гюставом Доре, в общественном достоянии в США, доступно на Wikimedia Commons. Справа: лопасти турбины, поврежденные во время шторма. Автор Джефф Миллер и Western Area Power — собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 2.0 на Flickr Creative Commons.

Поиски подходящих материалов для создания лопастей велись на протяжении многих лет, и это было совсем непростым исследованием. В 1940-х годах инженер Палмер Косслетт Патнем (Palmer Cosslett Putnam) работал в компании S. Morgan Smith над созданием ветряной турбины с использованием стальных лопастей. Однако из-за выбора металлического материала турбина не смогла работать долго, и одна из лопастей сломалась уже через несколько сотен часов. В 1950-х годах появились ветряные турбины в Гедсере (Дания) с улучшенной конструкцией лопастей, которые были созданы Йоханнесом Юулем (Johannes Juul). Эта турбина проработала в течение 11 лет без технического обслуживания, поскольку она имела три композитных лопасти, состоящих из дерева, стали и алюминия. Начиная с 1970-х годов ветряные турбины с композитными лопастями стали стандартным решением. Кроме того, инженеры обнаружили, что, поскольку отдельные части лопасти в рабочем цикле нагружены по-разному, можно использовать различные композитные материалы для разных частей лопасти, чтобы повысить эффективность ее конструкции.

В этом примере композитная лопасть моделируется с использованием «сендвича» из углерод-эпоксидного ламината, стекло-винилэфирного ламината и вспененного поливинилхлорида (ПВХ) в центре. Начиная с версии 5.4 модуль Композитные материалы дополняет функционал модуля Механика конструкций и базовой платформы обеспечения COMSOL Multiphysics®, позволяя создавать модели таких сендвич-структур из многослойных материалов.

Моделирование композитной лопасти ветряной турбины с помощью пакета COMSOL®

В этой модели композитная лопасть имеет длину 61,5 м, а геометрия содержит 19 различных секций, каждаи из которых имеет свою форму аэродинамического профиля. Как показано ниже, всего используется 6 различных типов аэродинамических профилей. Размещение аэродинамических профилей основано на их форме: профиля NACA 64-618 имеет лучшие аэродинамические свойства, поэтому он помещается на кончик лопасти, в то время как профиль DU 99-W-405 хорошо подходит для основания ввиду своих хороших характеристик по прочности. Между ними расположены аэродинамические профили DU, которые сглаживают переход между наконечником и основанием.

Геометрия лопасти ветряной турбины с обозначением использованных различных аэродинамических профилей.

При настройке нагрузок и других граничных условий важно учитывать две составных части лопасти: обшивку и лонжероны. Обшивку представляют внешние изогнутые поверхности, к которым и приложены все нагрузки, в то время как лонжероны представляют собой внутренние вертикальные элементы, которые усиливают лопасть и увеличивают изгибную и крутильную жесткость.

Нагрузки, действующие на конструкцию, включают собственный вес лопасти и центробежную силу. В этом примере не рассматриваются и не учитываются аэродинамические эффекты и ветровые нагрузки; вместо этого основное внимание уделяется анализу гравитационных и центробежных нагрузок. С этой целью выполнены два типа анализа:

• Стационарный, который включает в себя следующие варианты нагружения: гравитационная нагрузка, центробежная нагрузка и их комбинация для единственного значения срокости вращения лопасти (15 об. /мин.)
• Расчет на собственные частоты в случае предварительного напряжения за счет центробежной нагрузки для определенного диапазона скорости вращения лопастей (0—30 об./мин.)

Геометрия модели, граничные условия и нагрузки, действующие на конструкцию лопасти с неподвижным левым концом, соединенным со втулкой ротора.

Упомянутая ранее сэндвич-структура состоит из следующих слоев и компонентов:

• Углеродно-эпоксидный ламинат: внешняя часть структуры, которая имеет 10 слоев, каждый толщиной 0,28 мм и плотностью 1560 кг/м³
• Стекло-винилэфирный ламинат: промежуточный компонент структуры, который состоит из 40 слоев, каждый толщиной 0,28 мм и плотностью 1890 кг/м³ (см. последовательность слоев на правом изображении ниже)
• Вспененный ПВХ: материал сердцевины сэндвича имеет толщину 15 см и плотность 200 кг/м³

(Подробнее о свойствах ортотропных материалов и о том, как их задать, см. пошаговую инструкцию к описываемой модели здесь. )

Слева: cхема расположения трех материалов, используемых как в обшивке, так и в лонжероне лопасти. Справа: взаимная ориентация слоев винилэфирного ламината, показывающая ориентацию волокна в каждом слое снизу вверх.

Анализ результатов расчета

Анализ на прочность

Воздействуя на лопасть разными нагрузками (гравитационными, центробежными или комбинированными), можно изучить распределение напряжения по Мизесу в обшивке и лонжеронах. Анализ показывает, что возникают большие напряжения вблизи основания лопасти, а также на стыке между круговыми и аэродинамическими поперечными сечениями.

Распределение напряжений по Мизесу в модели лопасти ветряной турбины.

Изучив распределение напряжений в углеродо-эпоксидном слое, можно исследовать поперечную зависимость напряжения для трех вариантов нагружения в конкретной точке лопасти. Так, уровни напряжений между ламинатами и между слоями внутри разных ламинатов меняются, и самый высокий уровень напряжения возникает во внешнем углеродо-эпоксидном слое.

Зависимость напряжения по Мизесу в поперечном направлении (по глубине) для разных вариантов нагружения.

Расчет на собственные частоты

Переходя к анализу расчетов на собственные частоты в случае предварительного напряжения, можно получить представление о том, как центробежные силы влияют на различные собственные моды при разных скоростях. Хотя здесь не показано, но можно рассмотреть форму каждой собственной моды лопасти для разных скоростей и заметить, как более высокие скорости влияют на концентрацию напряжения. Также можно сравнить эти моды со случаем, когда лопасть не вращается, что показано на изображении ниже.

Третья собственная мода лопасти.

Наконец, диаграмма Кэмпбелла показывает, как вращение лопасти связано с изменением собственных частот. В этом случае эффект увеличения жесткости под действием центробежных сил приводит к увеличению значения собственной частоты с ростом скорости вращения лопасти.

Диаграмма Кэмпбелла показывает изменение собственных частот в зависимости от скорости вращения лопасти.

Как показано в этом примере, с помощью анализа механических напряжений и расчета на собственные частоты инженеры смогут лучше учитывать различные типы нагрузок при оптимизации конструкции лопастей ветряных турбин. Кроме того, с помощью модуля Композитные материалы они смогут легко моделировать слои разной толщины, с разными свойствами материала и ориентацией волокон, а также анализировать эти структуры и менять типы материалов.

Дальнейшие шаги

Попробуйте сами: Загрузите учебную модель «Композитная лопасть ветряной турбины», нажав кнопку ниже. Вы окажетесь в Галерее моделей и приложений, где можно найти документацию и MPH-файл для этой модели.

Скачайте рассмотренную учебную модель

Утилизация лопастей турбин: ахиллесова пята ветроэнергетики

Одни называют ветряные турбины потрясающим элементом экологически чистых технологий. Другие же считают их слишком шумными, чересчур громоздкими или опасными для биоразнообразия. Но одно можно сказать наверняка. Ветроэнергетика сталкивается с трудностями в Европе. Одна из насущных проблем – проблема с лопастями турбин, их трудно утилизировать.

Борьба с ветряными мельницами

Жители города Лунас на юге Франции требуют демонтировать 7 турбин ветряной электростанции Бернаг. Они годами борются за это, судебное разбирательство все еще продолжается.

Мы не против ветряной энергетики. Мы против установки турбин в местах с богатым биоразнобразием. В регионе Окситания это 70% территории

Марион Вале

представитель «Коллектива 34-12»

Марион — представитель «Коллектива 34-12». В начале июня она призвала жителей митинговать у входа на ветряную электростанцию «Бернаг» после того, как застройщик выиграл апелляцию в суде против демонтажа спорных ветряных турбин.

В ближайшее время в Европе будет демонтировано огромное количество ветряных турбин, но жалобы местного населения тут не при чем.

Ветряные турбины первого поколения устаревают, и их необходимо заменить более современными и эффективными. Этот процесс, называемый обновлением мощности, начался разными темпами по всей Европе. То, что мы увидели на одном из производственных объектов в Генте.

Их мощность будет увеличена вдвое — с 2 мегаватт до 4,2 мегаватт на ветряную турбину. Мы утроим производимую электроэнергию – это больше 9 000 киловатт-часов, что обеспечит снабжение почти 5 800 семей

Элизабет Каленза

менеджер по проекту возобновляемых источников энергии, Engie Belgium

В связи с обновлением мощности к 2030 году в Европе, возможно, придется вывести из эксплуатации до 5700 ветряных турбин. Сегодня утилизировать можно почти все, что есть в ветрогенераторе, до 90%. Проблема в лопастях. Они сделаны из композитных материалов, предназначенных для длительного использования, а не для вторичной переработки.

Длина одной ветряной лопасти составляет около 40 метров, она весит семь тонн и составляет те 10% ветряной турбины, которые трудно утилизировать. Эти 10% вызвали споры во всем мире относительно устойчивости этой возобновляемой энергии.

Так что же происходит с лопастями сегодня? Большинство из них используются повторно. Например, эта отправится на Украину. Но количество выведенных из эксплуатации лопастей через пять-десять лет будет настолько большим, что придется менять всю систему.

В настоящее время около 80% всех демонтируемых ветряных турбин используются заново где-то еще. В основном, в Европе: Италии, Великобритании, Швеции, Дании. Но остальные 20% перерабатываются. Так как использовать их снова с экономической точки зрения нецелесообразно. Но в самом ближайшем будущем, я думаю, через два года около 80% придется утилизировать, потому что для бывших в употреблении турбин остается меньше места, а новые турбины большего размера гораздо более конкурентоспособны

Вим Роббертесен

управляющий директор, Business in wind

Сегодня те лопасти, которые не используются повторно или не сжигаются, в идеале для регенерации энергии, оказываются на свалке. Этот снимок был сделан в США и стал символом одной из темных сторон возобновляемых источников энергии во всем мире.

Свалка ветряных лопастей в штате Вайоминг, СШАскриншот euronews

Только четыре страны Европы запретили подобные «кладбища турбин»: Германия, Австрия, Нидерланды и Финляндия. Голос европейской ветроэнергетики призвал к 2025 году ввести общеевропейский запрет на такие свалки.

Мы не хотим, чтобы эти лопасти оказались на свалке. Лопасти по общему признанию нетоксичны и технически безопасны для захоронения. Но хранить их на свалке — пустая трата ценных ресурсов, и это несовместимо со стремлением ветроиндустрии к полной циркулярности

Джилс Диксон

гендиректор WindEurope

Сделать ветряные лопасти 100% перерабатываемыми

Сегодня вы можете по пальцам одной руки пересчитать количество предприятий, способных утилизировать ветряные лопасти в Европе. Технологии еще не достаточно развиты и недоступны в промышленных масштабах. Испанский стартап получает лопасти из Франции, Португалии и Северной Африки. Они уверяют, что в скором времени смогут перерабатывать 1500 лопастей ежегодно.

Мы можем удалить все органические материалы, входящие в состав этих композитов, чтобы получить чистое стекловолокно и, что более важно, углеродное волокно, чтобы использовать их снова. Где? Мы работаем с новаторскими компаниями в самых разных секторах, таких как керамика, строительство, транспорт, включая автомобили и аэронавтику

Давид Ромеро

исполнительный директор Reciclalia

Отрасль ветроэнергетики считает, что призыв к запрету свалок во всем Евросоюзе ускорит расширение масштабов технологий рециркуляции, но также ускорит рост спроса на переработанные материалы.

Усилия направлены на повышение устойчивости по всей цепочке создания стоимости от проектирования до производства. Как это делает датский ветроэнергетический гигант Vestas. Конечная цель — сделать лопасть на 100% пригодной для вторичной переработки.

Сегодня наши лопасти подлежат вторичной переработке на 42-43%. Нам есть, к чему стремится. Но если вы спрашиваете, когда мы достигнем этих 100%, я думаю, что это займет некоторое время

Лиза Экстранд

глава отдела по устойчивому развитию Vestas

Помогут рыбки

Отрасль движется к увеличению производства, эффективности и циркуляции. Что, если мы сделаем шаг назад и спросим себя, сколько энергии нам действительно нужно будет производить в ближайшем будущем и как? Как раз этим вопросом задается Парижская лаборатория энергий завтрашнего дня. И ответы стали поступать от этих рыбок.

Мы всегда представляем себе, что энергия должна всегда производиться с наилучшим КПД, максимальной эффективностью или максимально возможной мощностью. Но в природе такого нет. Природа, например, когда мы перемещаемся, старается свести к минимуму образование отходов. Это означает, что когда животное двигается, оно хочет как можно меньше уставать. Следовательно, ключевыми моментами для системы производства энергии будут попытки снизить ее потребление, а значит управлять этим потреблением ирли нашей деятельностью как общества нужно по-другому

Эрик Эрбер

Парижская лаборатория энергий завтрашнего дня

В таком случае сокращение количества отходов могло бы стать главным индикатором для нахождения лучшего баланса между окружающей средой, потребностями людей, технологиями и экономикой.

Также по теме

«Ощущение безысходности»: почему украинские беженцы возвращаются домой

Услышать голоса пострадавших от терактов 13 ноября 2015 г.

Споры о ветряной энергетике в Германии

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ
ВЕТРЯНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Конструкция и технология лопастей ветряных турбин

Мы знаем лопасти ветряных турбин.

Лучшая конструкция лопастей ветряных турбин

 

Улавливание ветра — на суше или на море, на любой скорости, по всему миру — требует надежности лопастей ветряных турбин. А надежность приходит с опытом.

Технология LM Wind Power играет центральную роль в создании каждого типа лопастей ветряных турбин. Такие факторы, как материал лопасти ветряной турбины, аэродинамика, профиль и структура лопасти, определяют производительность и надежность лопасти LM Wind Power, и все эти факторы конструкции лопасти турбины требуют чрезвычайно высокой степени точности. Как специалисты по лопастям ветряных электростанций, мы знаем, что нужно для создания качественных лопастей ветряных турбин, которые повышают производительность при минимальных нагрузках на турбину.

Проверенные конструкции лопастей ветряных турбин, эффективная энергия ветра

 

Компания LM Wind Power начала производить лопасти для ветряных турбин в 1978 году, и хотя основная конструкция лопастей не изменилась, мы продолжаем работать над созданием самых длинных ветряных лопастей в мире. Поиск идеального баланса между конструкцией лопасти ветряной турбины и аэродинамикой представляет собой сложнейшую задачу проектирования для каждой длины лопасти ветряной турбины.

Аэродинамические свойства имеют решающее значение для определения того, насколько хорошо лопасть ветряной турбины может извлекать энергию из ветра и эффективно производить энергию ветра. Проверенные строительные блоки являются основой для всех наших проектов по разработке блейд-серверов. Мы создаем новые, надежные конструкции лопастей ветряных турбин, разрабатывая и тестируя лучшие материалы для лопастей ветряных турбин. Затем мы объединяем их с помощью наших передовых инструментов проектирования.

Имея подтвержденный опыт установки более 228 000 лопастей с 1978 года, мы знаем, что лопасти наших ветряных турбин будут работать при различных условиях ветра, температуры и влажности. В процессе производства лопастей ветряных турбин мы намеренно тестируем лопасти на пределе их возможностей и постоянно совершенствуем нашу продукцию, используя новейшие инновационные материалы для лопастей ветряных турбин.

Эффективное производство лопастей ветряных турбин

 

Наши 13 предприятий по проектированию и производству лопастей ветряных турбин работают на устоявшихся и развивающихся рынках ветроэнергетики по всему миру. Мы знаем, что нужно для разработки и производства самых передовых, надежных и высококачественных лопастей ветряных турбин в отрасли, и мы разрабатываем наши лопасти ветряных турбин так, чтобы они выдерживали силы природы более 25 лет.

Являясь одним из самых известных в мире производителей и поставщиков лопастей для ветряных турбин, мы знаем, как снизить стоимость энергии, сделав ветроэнергетику правильным выбором.

Посетите веб-сайт LM Wind Power

Самая длинная в мире лопасть ветряной турбины увидела свет!

 

Время шоу! Первая 107-метровая лопасть LM Wind Power для ветряной турбины GE Haliade-X мощностью 12 МВт впервые вышла за пределы завода в Шербуре, Франция, в июне 2019 года.

Ветряные турбины

Аэрокосмическая промышленность — Лопатка турбины — Tungaloy America, Inc.

Лопатка турбины реактивного двигателя — это отдельный компонент, из которого состоит турбинная секция авиационного двигателя. Лопасти турбины подвергаются воздействию самых суровых условий с точки зрения давления и температуры, вращаясь с чрезвычайно высокой скоростью. Поэтому материалы турбинных лопаток представляют собой труднообрабатываемые жаропрочные суперсплавы (HRSA) с высоким сопротивлением ползучести, усталостной прочностью при высоких температурах и коррозионной стойкостью при высоких температурах. Жаропрочные сплавы на основе никеля, такие как Inconel и Waspaloy, обладают высокими термическими свойствами, но, в свою очередь, существенно увеличивают нагрузку на кромки режущего инструмента во время обработки.

Передовые линейки режущих инструментов Tungaloy предлагают уникальные решения для обработки, которые эффективны не только для жаропрочных сплавов, но и для уникальных алюминиево-литиевых сплавов и интерметаллических соединений, таких как алюминид титана (TiAl).

• Ключевые моменты
• Решения для обработки

Общие проблемы

• Для повышения эффективности обработки и уменьшения вибрации тонкостенных профилей
• Для снижения сил резания при фрезеровании поверхности лезвия с большой подачей в осевом направлении для повышения эффективности обработки
• Высокопроизводительные режущие инструменты, позволяющие максимально эффективно использовать 5-осевые станки
• Для обеспечения высокой точности деталей

Ключевые моменты

1. Головка TungMeister-Barrel обеспечивает более длительный срок службы инструмента, более короткое время цикла и более гладкие поверхности по сравнению с традиционными сферическими фрезами. Периферийные режущие кромки фрезы имеют большой радиус кривизны, что обеспечивает гораздо большую площадь контакта между фрезой и заготовкой, чем у обычных сферических аналогов. Большая площадь контакта, в свою очередь, обеспечивает больший шаг, что улучшает скорость съема металла и качество поверхности при меньшем износе инструмента. 9Фрезерные головки 0080 доступны в трех профилях: VBO-короткая для получистовой обработки общих деталей, VBO-длинная для предварительной чистовой и чистовой обработки деталей пресс-форм и VBN для предварительной и чистовой обработки турбины. поверхности и основания лопастей, рабочие колеса, блиски, другие детали аэрокосмической отрасли

подробнее

Решения для обработки

Фрезерование

DoTwist-Ball

• Чрезвычайно производительная профильная фреза со сменными пластинами и спирально закрученными пластинами для высокой стабильности инструмента
• Экономичная пластина с четырьмя режущими кромками
• Предлагаем два типа взаимозаменяемых пластин: круглые пластины или пластины с высокой подачей
• Обеспечивает превосходный контроль над стружкодроблением и экономичность
• Доступны пластины различных марок для широкого охвата материалов

подробнее

DoFeed

• Сменная фреза с высокой подачей и выравниванием пластины с малым шагом позволяет эффективно удалять большой припуск
• Сокращение времени цикла для черновой операции
• Двухсторонняя геометрия пластин обеспечивает экономию инструмента и производительность
• Пластины с отрицательным углом обеспечивают низкую силу резания, что устраняет вибрацию
• Широкий ассортимент инструментов для расширения области применения

подробнее

SolidMeister-VariableMeister

• Высокопроизводительная цельнотвердосплавная концевая фреза со сложной конструкцией спирали с переменным шагом для защиты от вибрации
• Предназначен для съема большого припуска, обеспечивает превосходное качество поверхности и сокращает время обработки

подробнее

TungForceFeed

• Фреза малого диаметра с высокой подачей, пластинами высокой плотности и превосходным удалением стружки
• Оптимизированная геометрия пластины для более высокой скорости подачи и большей глубины резания.