ההשפעה של טקסט Surface על המעלית ודרדרדר ברוח Turbine Blades

טורבינות הרוח הפכו להיות עמוד ראשי של ייצור אנרגיה מתחדשת, אך היעילות הכוללת שלהם נותרה אזור מרכזי לשיפור.בעוד שצורה להב וזווית הם נחקרים נרחב, ההשפעה של מרקם פני השטח על ביצועי אווירודינמיקה לעתים קרובות מזלזלת. מאמר זה מתרחב על איך מרקם פני השטח משפיע ישירות על המעלית וגרור - שני הכוחות השולטים הקובעים כיצד ביעילות להבים להמיר רוח לתוך אנרגיה.

מימון אווירידינמית: מעלית ודרדרדר

המעלית היא הכוח האירודינמי המוצב לכיוון הרוח הנכנס, שנוצר על ידי הבדל הלחץ בין משטחים העליון והנמוך יותר.גרור פעולה במקביל לזרימה, התנגדות לתנועות הלהב.בלהבים של רוחות, להרים רוטט רוטט, בעוד שגורר אנרגיה ומפחית את הפלט.יחס המעלית-ל-דזה (L/D) הוא אפוא מדד קריטי: ביצועים גבוהים יותר / D.

תסמונת Blade aeroדינמיתs רגישים מאוד להתנהגות שכבת הגבולות - האזור הדק של האוויר הסמוך אל פני השטח. שכבת גבול חלקה, laminar מפחיתה חיכוך העור אבל נוטה להיפרד ליד קצה השביל, המוביל לירידה פתאומית במעלית. שכבת גבול סוערת, אם כי גבוה יותר בחיכוך, יכול להישאר מחובר יותר, עיכוב דוכנים ושמירה על מעל זוויות גבוהות יותר של התקפה זה.

כיצד טקסט משטח משפיע על שכבת Boundary

מרקם משטח משנה את התפתחות שכבת הגבול. Riblets, dimples, grooves, ומיקרו-טקסטורים אחרים יכולים לזרז את הזרם מ laminar כדי להתנגש במיקום מבוקר.על ידי כך, הם יכולים למנוע הפרדה מוקדמת ולהגביר, במיוחד בתנאי רוח משתנים.

Laminar vs. Turbulent Flow Management

בתנאים אידיאליים, להב חלק מושלם ימזער את גרר.עם זאת, ניתוח בעולם האמיתי כולל אבק, גשם, והצטברות חרקים שמשבשת חלקות. מרקמים משטחיים לא ממונעים ניתן להנדס כדי ליצור תנוחה טובה ללא חיכוך מופרז.לדוגמה, צבירת כרישים בהשראת כריש (מעורב עם הזרם) להפחית את העור הסוער על ידי חיכוך מצטמצם עד 10% מנפח של התנגשויות כדוריות, ובכך לכדי עיגול גבוה יותר על פני השטח.

טכנולוגיית Riblet Technology

ר'טס הם grooves ארוך טווח, לעתים קרובות בצורת V או קנה מידה, לרוץ לאורך טווח הלהבים.הם נחקרו נרחב עבור תעופה ויישומים ימיים.עבור טורבינות רוח, סרטים ריאליים ניתן ליישם רטרואקטיבית כדי לשנות להבים קיימים.

Dimples

תבניות דינוריות יוצרות משטח המשפיע על מעבר שכבת הגבול.הדיכאון יוצרות מערבות קטנות הממריץ את שכבת הגבול, שמירה על זה מחובר יותר.העיכובים האלה ומשפרות את ה-Comefficients המקסימלי. Experiments על חלקי להב עם דיפרנים מעגליים ( 0.5% עומק של כורדי) הראו עלייה של עד 8% והפחתה של כ-12% בזווית מתונה של התקפה, כפי שדווח ב- 0Wind: 1D.

השפעה על המעלית וגרף ביצועים

ההשפעה נטו של מרקם פני השטח תלויה בנקודה התפעולית.בזווית נמוכה של התקפה (החלון ישירות מול הלהב), משטח חלק עשוי להניב את ה- L / D הטוב ביותר, כי החיכוך שולט.כפי שעולה, משטח מרקם המחזק זרימה המצורפת יכול להרחיק רחוק חלק אחד נפרד.עבור טורבינות משתנה מודרני, זה אומר כי פני השטח ניתן לייעל את המהירויות הנפוצות ביותר, פשוט לא פסגות.

שינויים משמעותיים במעלית ובדרדרדר

מדידות ספירת רוח ודינמיקה נוזלית חישובית (CFD) סיפקו נתונים מפורטים.לדוגמה, מחקר 2019 על DU 96-W-180 Airfoil (שימוש נפוץ בטורבינה גדולה) בהשוואה לחלק, מוצף, ו dimpleed משטחים.משטח dimpled גדל את ה- TOPT המהיר מ-1.45 ל-1.62 וגם מרחיב את הזווית על ידי שינוי 0.00%, אשר מופחת על ידי טמפרטורות נמוכות יותר.

המונחים: Blade Manufacturing

שילוב מרקם פני השטח לתוך עיצוב להב כולל מספר רב של עצירות.

אפשרויות וקידוד

משטחים טקסטירים ניתן להשיג באמצעות: (a) מרקם מעוצב במהלך השכבות המורכבות, (ב) יישום של סרטים דבקים או קלטות, (c) מודפס או ריסס ציפויים, או (ד) לייזר-הההההההההההההההההההההההההההההההההההההההת של לייזר לאחר הייצור.

השפעה של Edge Erosion

עם הזמן, גשם, ברד, וחול מהדהדים את הקצה המוביל, לעתים קרובות מזיק מרקמים מוחליים בכוונה.זה משבש ביצועים אווירודינמיקה - המחאות מצביעות על כך שהלהבים המוורודים יכולים לאבד 20% מתפוקה האנרגיה השנתית. לכן, מרקם פני השטח חייב להיות מוזג עם הגנה חזקה, כגון ציפויים פוליאורתנים או שכבות הקרביות.

חידוש רעש

מרקם פני השטח משפיע גם על רעש אווירודינמי. Riblets ו-serrated Trailing הקצוות להפחית רעש מכוונן-מעור, שהוא קריטי עבור טורבינות החוף ליד אזורים מאוכלסים. A מחקר שנערך על ידי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) מצא כי מרקמים משטח אופטימיזציה יכולים להוריד רמות רעש על ידי 2-4 dBA ללא ביצוע הקרבה.

מחקרים ונתוני שדה

כמה מתקנים בעולם האמיתי אישרו את היתרונות של להבים מרקמים.

דוגמה: LM Wind Power ו-Riblet Films

בשותפות עם 3M, LM Wind Power החל סרט גילוח על להבים של טורבינות 2MW בדנמרק. מעל 12 חודשים, טורבינות הראה עלייה של 4.7% בייצור אנרגיה שנתי בהשוואה לטורבינות בסיס עם להבים חלקה סטנדרטי.הסרט היה מיושם על 60% החיצוני של אורך הלהב, שבו מהירויות פני השטח גבוהות ביותר.

דוגמה 2: אוניברסיטת מנצ'סטר דימפל מחקר

החוקרים השתמשו בדפוסי דילול ללהב ברוח קטנה של 500 W ובדקו אותו במנהרת רוח מבוקרת. בשעה 10 מ'/s מהירות רוח, הלהב המפוחד הפיק 12% יותר כוח מאשר הגרסה החלקה.עם זאת, היתרון ירד במהירויות רוח נמוכות מאוד, מה שמרמז כי מרקם פני השטח חייב להיות מותאם לרוח האתר עלה.

גישה משלימה לאופטימיזציה של Surface Texture

עיצוב טורבינות מודרני משתמש ב-CDCD בשילוב עם אלגוריתמים אופטימיזציה כדי למצוא פרמטרים מרקמים אידיאליים - עומק, רוחב, ספאק, סידור. עבור riblets, גובה גילוח וספאם הם בדרך כלל בטווח של 20-200 מיקרומטר, בהתאם למספר ריינולדס. דיפלקס ועומק הם בדרך כלל על סדר של 1–5% של אופטימיזציה רב-אובייקטיביים יכול להרים, רעש, רעש, רעש, ייצור.

מחקר שנערך בשנת 2022 ב-FLT:0. [חדש] אנרגיה מתחדשת של אלגוריתמים גנטיים שהשתמשו בתבנית מיקרו-ריב עבור טורבינת הפניה 5MW.המרקם המשופרת L/D על ידי 2.3% במהירות הרוח הדרגת ורגישות מופחתת למגבלה על פני השטח.כלים חישוביים כאלה הופכים סטנדרטיים במחזורי עיצוב להב.

כיוונים עתידיים ומחקר מתמשך

מרקם משטח הוא תחום פעיל של מחקר.מגמות מתפתחות כוללות:

המונחים: bio-inspired Textures

מעבר לכרישיםקין, החוקרים חוקרים את פני השטח של עלות לוטוס (להפחתה עצמית וגרור) ודפוסי בקנה מידה פרפר (עבור בקרת הפרדה זרימה). מרקמים אלה ניתן לשכפל באמצעות ציפויים ביו-מימטיים.

Active Surface Textures

סגסוגת בצורת-זיכרון או משככי עיניים יכול לאפשר להבים לשנות את מרקם פני השטח בתגובה לתנאי הרוח - smooth עבור רוח נמוכה, מלוטש עבור רוח גבוהה.למרות שכעת ניסיוני, מוקדם אבטיפוס להראות פוטנציאל.

אינטגרציה למידת מכונות

בינה מלאכותית יכולה לנתח terabytes של נתונים תפעוליים כדי להמליץ על התאמות בזמן אמת לפרמטרים משטח (באמצעות מעשים מוטבעים) או כדי לייעל את תבניות הלהב הדור הבא.

מסקנה

מרקם פני השטח של להבים טורבינות רוח הוא לא פרט קטן אבל מנוף חזק לשיפור יעילות אווירודינמית. על ידי בחירה בקפידה מרקמים הנדסיים כגון riblets או dimples, מעצבים יכולים להגדיל, להפחית את גרר, להגביר את האנרגיה ללכוד על ידי כמה נקודות - רווח לא טריוויאלי כאשר בקנה מידה על פני חווה רוח.

לקריאה נוספת, ראה את הציפוי התעשייתי של NREL:0 (עמודי מחקר) של אנרגיית רוח NREL (REL) 1:1, ⁇ FLT:23M) עבור ציפויים תעשייתיים עבור רוח LT 3, ואת כתב העת לאנרגיה מתחדשת (FLT:5 for peer-reviewed Studies on ve aerodynamics).