Роторные системы для ветроэнергетики и транспорта Арктической зоны

Арктическая зона является зоной с повышенными ветровыми нагрузками и слабой электрификацией, что напрямую говорит об актуальности разработки современных ветроэнергетических установок. Использование динамического изменения углов атаки лопастей вертикальных роторов Дарье Н-типа приводит к более эффективному использованию энергии ветра. Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) таких роторов не уступает, а в теории может и превысить КИЭВ горизонтально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ). Кроме того, роторы с подвижными лопастями в отличие от роторов с фиксированным углом атаки лопастей по оценкам имеют значительно меньшую быстроходность и возможность самостоятельного старта на небольших скоростях ветра. В то же время, в условиях крайнего Севера вертикальные ВЭУ являются более приоритетными в силу возможности расположения генераторного оборудования на поверхности земли, а не в гондолах на башне. Циклоидальные движители являются вторым решением использования ортогональных роторов с динамическим изменением углов атаки лопастей. Исследования показали уникальные возможности подобных движителей в области маневрирования, практически мгновенного изменения силы и направления тяги – это позволяет использовать данный вид движителей для создания высокоманевренных летательных аппаратов и систем стабилизации полета аппаратов дирижабельного типа, которые в свою очередь являются приоритетным видом грузового транспорта в условиях крайнего Севера. Согласно последним тенденциям, развитие дирижаблей может привести к решению большого класса задач, в том числе в интересах развития Арктической зоны: - контейнерная транспортировка грузов, сжиженного природного газа и гелия; - транспортировка тяжелых и крупногабаритных грузов; - доставка социально значимых грузов в труднодоступные районы Сибири и Крайнего Севера; - доставка вахтовых бригад нефтяников и газовиков; - передача информационных потоков посредством стратосферных дирижаблей; Для того, чтобы дирижабли стали конкурентноспособными и заняли свою нишу, они должны измениться. Необходимо избавится от хвостового оперенья - это обеспечит дирижаблю низкое лобовое сопротивление. Вторым важным компонентом нового дирижабля должна являться шестивекторная пропульсивная силовая установка на которую возлагаются две задачи: толкать дирижабль вперед и стабилизировать его ось строго против ветра. Подобная пропульсивная установка должна включать в себя циклоидальные движители, обеспечивающие мобильность и устойчивость боковым ветровым воздействиям. Работа лопастных систем в суровых эксплуатационных условиях Арктики неотъемлемо связана с проблемами обледенения и изменением, в связи с этим, параметров эффективности роторов. Применение современных методов борьбы с обледенением , включая супергидрофобные материалы материалов, препятствующих и борющихся с обледенением лопастей, является важной задачей, требующей самого пристального внимания как со стороны разработки методов борьбы с обледенением и изготовления новых гидрофобных материалов, так и со стороны изучения влияния их на аэродинамические и энергетические характеристики ротаторных систем. Задача проекта связана с поиском оптимальных решений для борьбы с обледенением - одной из основных проблем, сдерживающих эффективное использование ветрогенераторов для автономного энергоснабжения отдаленных населённых пунктов крайнего севера. Сейчас эта тематика перспективна и очень актуальна для обеспечения динамического развития энергетики в Арктических и отдаленных регионах Сибири. Обледенением порождает ряд проблем: ухудшаются аэродинамические характеристики лопастей, снижается производительность, увеличивается вес лопастей и происходит нарушение балансировки ротора. Данный комплекс проблем приводит к тому, что ветрогенераторы часто приходится останавливать во избежание их поломки или опасности отрыва кусков льда от лопастей. предполагается определить наиболее эффективную стратегию по борьбе с обледенением лопастей ветрогенераторов в климатических условиях, характерных для арктического побережья РФ, включая изучение эффективности новой технологии для ветрогенераторов по использованию иерархических супергидрофобных (ИСГ) покрытий, приближенных по форме к двух масштабным нано структурным покрытиям природных объектов. Для успешной реализации работы планируется решение следующих задач: - Расчетно-экспериментальное исследование аэро- и гидро-динамических, а также энергетических характеристик ортогональных роторных систем с поворотными лопастями, как перспективных рабочих колёс ветроэнергетических установок и свободопоточных гидроэлектростанций. Использование расчетно-экспериментальных методов для определения параметров обтекания единичных крыловых профилей разной геометрии; при различных углах атаки; в разных режимах работы ротора. Определение оптимальной формы крыла для ротора. Исследование влияния количества лопастей и их кинематики на энергетические характеристики ротора. Трубные испытания ротора. Исследование взаимодействия групп роторов. На основе перечисленного - оптимизация циклоидального ротора и его адаптация для создания ветро- и гидро-энергетических установок. - Исследование аэродинамики циклоидального ротора в качестве движителя летательного аппарата. Изучение обтекания крылового профиля в стационарном положении и с динамически изменяющимся углом. Изучение условий формирования отрывного течения и его влияние на аэродинамическое качество крыла в составе ротора. Определение оптимальной формы лопасти ротора, количества лопастей и их кинематики на тягово-энергетические характеристики ротора. Изучение влияния набегающего потока на изменение тягово-энергетических характеристик ротора. Изучение взаимодействия потока с поверхностями (имитация причаливания, приземления, взаимодействия ротора с фюзеляжем) . На основе перечисленного - оптимизация циклоидального пропеллера (роторного движителя) и адаптация его для создания летательных аппаратов. - Борьба с обледенением. Предполагается определить наиболее эффективную стратегию по борьбе с обледенением лопастей ветрогенераторов и движителей ЛА в климатических условиях, характерных для арктического побережья РФ, включая изучение эффективности новой технологии по использованию иерархических супергидрофобных (ИСГ) покрытий, приближенной к форме нано- структурных покрытий природных объектов. - модернизация и использование экспериментальной сезонной климатической аэродинамической трубы, созданной на базе ветроэнергетического стенда с холодильной установкой для исследования процессов обледенения аэродинамических элементов ветровых турбин, климатической камеры ИТ СО РАН и климатической аэродинамической трубы на основе труб Ранка; - экспериментальные исследования образования наледи при различных климатических условиях на профилях, соответствующих оригинальным участкам лопастей описанных выше; - выбор структуры супергидрофобных покрытий, включая разные ИСГ, для климатических условий эксплуатации ветроэнергетических установок в Арктике; - проведение экспериментальных исследований по влиянию супергидрофобных покрытий на образование наледи; - разработка рекомендаций и определение оптимальной стратегии борьбы с обледенением ветрогенераторов с помощью исследованных методов защиты или их комбинирования. - Исследование таяния льда при воздействии солнечного облучения и конвективной теплоотдачи на поверхности металлических подложек разной толщины.