Что такое ротор Дарье и как сделать его своими руками

Дата публикации: 27 июня 2019

Ротор (или турбина) Дарье — это устройство, широко применяющееся в ветроэнергетике. Разработка принадлежит авиаконструктору Жоржу Дарье. Главное преимущество — способность работать при любых направлениях воздушного потока и при неблагоприятных погодных условиях.

Принцип работы

Ветровая турбина Дарье работает по тому же принципу, что и любое другое устройство этого типа. Работа основана на принципе вращения лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Поскольку турбина приспособлена для использования альтернативных источников энергии, в роли рабочего тела выступает ветер.

Принцип работы конструкции ротора Дарье основан на разности аэродинамических показаний. Благодаря этому обеспечивается вращение лопастей механизма. После того как образовалась циркуляция потоков воздуха, устройство начинает вращаться бесперебойно.

На каждое крыло по отдельности воздействует сила подъема относительно воздушного потока. Показатели этой силы зависят от угла, который образовывается между лопастью и величиной скорости потока ветра. Момент силы, который образуется в момент запуска, носит переменный характер, а не постоянный. Вихреобразование ротора Дарье имеет определенную цикличность, которая связана с движением лопастей. Для создания подъемной силы, которая обеспечивает работу механизма, нужно обеспечить бесперебойное и непрерывное движение крыльев.

Устройство конструкции

Конструкция ротора проста. Трое аэродинамических крыльев закреплены на радиальных балках. Существуют три типа турбины Дарье:

• Классический. Лопасти имеют форму полумесяца. Их размер достаточно большой — почти сравним с длиной основной оси. Основание имеет прочный устойчивый полукруглый фундамент.
• Тип Н. Три крыла, имеющие прямую форму и расположенные относительно горизонтальных опор под прямым углом, находятся на верхнем отсеке конструкции. Опоры крепятся к несущей оси. Достоинства этой конструкции — быстроходность, высокая эффективность, полное отсутствие инфразвука. Ротор Н-образного типа прост в сборке и ремонте, надежней классической ветровой турбины Дарье, дешевле — и поэтому распространен в применении.
• Винтообразный тип. Лопасти изготовлены в виде изогнутых спиралей. Они также расположены на верхнем отсеке несущей оси вращения. Благодаря закрученной форме крыльев, вращение ротора происходит равномернее. Благодаря этому нагрузка на несущие узлы снижается, а срок службы механизма увеличивается.

Для обеспечения работы бытовых электростанций чаще всего используется ротор Савониуса Дарье. Такое название носит ветровая турбина, совмещенная с ротором Савониуса, который выступает в роли стартёра (устройства запуска). Комбинированная конструкция отличается большей мощностью и производительностью по сравнению с «чистыми» типами. Область применения механизма не ограничивается только электростанциями — он может быть совмещен с теплогенератором и быть использован в системе теплоснабжения. А еще такой гибрид соединяют с насосами и применяют для закачки и откачки воды.

Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы. Самостоятельно она запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю.

Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна, поэтому он стоит дорого.

Неоспоримое достоинство ротора всех видов — отсутствие зависимости от силы и направления ветрового потока. Допустимо расположение на прилегающей территории иных сооружений, что облегчает проведение ремонтных работ.

Ротор Дарье своими руками

Для работы понадобятся:

• генератор;
• лопасти;
• болты для крепления;
• шкурка для обработки;
• металлические опоры;
• мачта или иная деталь, подходящая на роль оси вращения;
• инструменты (сверло, молоток и т.п.).

Лопасти можно приобрести в магазине или сделать из подручных материалов. Например, подойдут обрезки труб из поливинилхлорида.

Сначала выполняется чертеж. Затем подготавливается каждая деталь — лопасти нужно ошкурить, в опорах просверлить отверстия для крепежа. Проводится соединение опор с аэродинамическими крыльями.

На заранее приготовленное основание устанавливается ось. Основанием может служить бетонная заливка, металлическая конструкция. К оси крепятся лопасти.

Для подключения генератора необходимо владеть базовыми познаниями в электротехнике. В противном случае лучше доверить это дело профессионалу. После подключения генератора проводятся предварительные испытания. Устраняются неполадки и недостатки (если они обнаружены). Самодельный ротор будет служить дополнительным источником энергии.

• Искусственное торнадо вращает ветрогенератор
• По технологии автомата Калашникова
• Новости ветроэнергетики от 16.04.2016
• Как сделать вертикальный ветрогенератор своими руками

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник

Вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье

Ветрогенераторы на базе горизонтально-осевых турбин — не единственное возможное решение для качественного преобразования энергии ветра в электричество. Есть и другие конструкции, иногда показывающие большую эффективность чем осевые турбины. Пример такой альтернативной конструкции — ветрогенератор с вертикальным ротором Дарье.

Это необычное решение было предложено еще в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье, который поставил перед собой задачу создать такой ветрогенератор, который бы работал при любом направлении ветра, при том не требуя строгой ориентации.

Ротор генератора вместе с узкими лопастями было предложено расположить вертикально, чтобы как при слабом, так и при сильном ветре — значительная часть воздушного потока не встречала существенного аэродинамического сопротивления, а непосредственно давила бы на рабочие поверхности лопастей, приводя к их вращению.

С этой точки зрения даже ротор Савониуса, предложенный в 1922 году финским инженером Сигурдом Савониусом, уступает, так как имеет ограничение эффективности при большой скорости ветра. Ротор Дарье, в свою очередь, лишен этих недостатков, хотя и не имеет столь детального математического описания своей работы как его предшественник.

Примечательно, что ротор Дарье в лучшем его исполнении имеет три аэродинамических крыла, которые закреплены на радиально расположенных горизонтальных балках на некотором расстоянии от центральной оси ротора.

По этой причине характер обтекания крыльев ротора Дарье воздухом сложен, но быстроходность генератора полностью нивелирует этот кажущийся недостаток. Тогда как, например, горизонтально-осевые турбины, да и тот же ротор Савониуса, теряют эффективность при сильном ветре, ротор Дарье в аналогичных условиях вращается примерно в 3,5 раза быстрее и не вызывает проблем балансировки.

Вертикально расположенный вращающийся вал практически не влияет отрицательно на работу ветрогенератора с ротором Дарье, а наоборот способствует эффективности, поскольку является довольно тонким. В таких условиях производимый устройством шум гораздо ниже чем у горизонтально-осевых ветрогенераторов, больше напоминающих большие вентиляторы с пропеллерами.

Здесь же поток воздуха обтекает лопасти и весь генератор в любом направлении равномерно, что, кстати, и обеспечивает колоссальную быстроходность столь уникального ротора. При этом ветрогенераторы с ротором Дарье просты в изготовлении, здесь даже нет необходимости в пропеллерном профиле.

Однако, справедливости ради стоит отметить и некоторые недостатки таких конструкций. Из-за эффекта Магнуса мачта генератора с ротором Дарье испытывает значительные нагрузки, поэтому конструирование необходимо проводить очень точно, а адекватной математической модели по сей день не существует. Да и окупаемость любых ветрогенераторов по времени продолжительна. По этой причине производители горизонтально-осевых ветрогенераторов не спешат отбрасывать работающую годами технологию.

Источник

Ротор Дарье – один из наиболее популярных типов вертикально-осевых ветроустановок

Принцип работы:

В нем вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль.

Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье раскручиваться самостоятельно не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя, или стартер, носящий название ротора Савониуса. Это колесо также приводится в движение силой сопротивления.

Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создастся благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.

3.1.2. Ротор H-типа

Патент Дарье от 1927 года охватывал практически любые возможные схемы с использованием вертикальных профилей. Один из наиболее распространенных типов также часто встречающихся схем на основе Дарье – это Giromill и ветряк H-типа, в котором длинные лезвия, изогнутые в форме яйца лопасти ветряка Дарье, заменены прямыми вертикальными секциями лезвий, прикреплеными к центральной башне при помощи горизонтальных опор.

3.1.3. Ротор Масгроува

Ожидаемые резонансы ВЭУ в диапазоне частот вращения 0–180 об/мин

Основными методами ограничения максимальной частоты вращения вертикально-осевого ротора являются

Существуют различные подходы к снижению частоты вращения ротора — поворот и/или наклон лопастей ротор Масгроува

Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.

3.1.4. Ротор «Жиромилл»

Another variation of the Giromill is the Cycloturbine, in which each blade is mounted so that it can rotate around its own vertical axis. This allows the blades to be «pitched» so that they always have some angle of attack relative to the wind. The main advantage to this design is that the torque generated remains almost constant over a fairly wide angle, so a Cycloturbine with three or four blades has a fairly constant torque. Over this range of angles, the torque itself is near the maximum possible, meaning that the system also generates more power. The Cycloturbine also has the advantage of being able to self start, by pitching the «downwind moving» blade flat to the wind to generate drag and start the turbine spinning at a low speed. On the downside, the blade pitching mechanism is complex and generally heavy, and some sort of wind-direction sensor needs to be added in order to pitch the blades properly.

Другой вариант Giromill является Cycloturbine, в котором каждой лопасти установлены таким образом, что она может вращаться вокруг своей вертикальной оси. Это позволяет лезвия, чтобы быть «скатной», так что они всегда имеют некоторый угол атаки по отношению к ветру. Основным преимуществом такой конструкции является то, что крутящий момент остается почти постоянной в течение достаточно широкий угол, так Cycloturbine с тремя или четырьмя лопастями имеет достаточно постоянный крутящий момент. За этот диапазон углов, крутящий момент самой рядом с максимально возможным, что означает, что система генерирует больше энергии.Cycloturbine также имеет преимущество в возможности самостоятельного начала, от качки «по ветру движущейся» Лезвие плоское на ветер генерировать перетащить и запустить турбину вращаться на низкой скорости. С другой стороны, механизм поворотом лопастей является сложной и в целом тяжело, и какие-то направления ветра Датчик должен быть добавлен для того, чтобы шаг лопастей должным образом.

5. A schematic of a self-acting pitch control system that does not require a wind-direction system is shown in Figure 4

3.2. Использующие силу аэродинамического сопротивления

3.2.1. Ротор Савониуса

The Savonius wind turbine was invented by the Finnish engineer Sigurd Johannes Savonius in 1922. However, Europeans had been experimenting with curved blades on vertical wind turbines for many decades before this. The earliest mention is by the Italian Bishop of Czanad, who was also an engineer. He wrote in his 1616 book Machinae novae about several vertical axis wind turbines with curved or V-shaped blades. None of his or any other earlier examples reached the state of development made by Savonius. In his Finnish biography there is mention of his intention to develop a turbine-type similar to the Flettner-type, but autorotationary. He experimented with his rotor on small rowing vessels on lakes in his country. There are no results of his particular investigation known, but Magnus-Effect is confirmed by König.[1]

Schematic drawing of a two-scoop Savonius turbine

The Savonius turbine is one of the simplest turbines. Aerodynamically, it is a drag-type device, consisting of two or three scoops. Looking down on the rotor from above, a two-scoop machine would look like an «S» shape in cross section. Because of the curvature, the scoops experience less drag when moving against the wind than when moving with the wind. The differential drag causes the Savonius turbine to spin. Because they are drag-type devices, Savonius turbines extract much less of the wind’s power than other similarly-sized lift-type turbines. Much of the swept area of a Savonius rotor may be near the ground, if it has a small mount without an extended post, making the overall energy extraction less effective due to the lower wind speeds found at lower heights.

В Savonius турбины-один из самых простых турбин. Аэродинамический, это перетащите-тип устройства, состоящие из двух или трех ложек. Глядя на ротор сверху, два ковша машина будет выглядеть как «S» — формы в поперечном сечении. Из-за кривизны, мерные опыта меньше перетащите при движении против ветра, чем при движении по ветру. Дифференциальное перетащите вызывает Savonius турбинного вращения. Потому что они drag-тип устройства, Savonius турбин извлекать намного меньше ветер питание чем с другими такого же размера Лифт-типа турбин. Много ометаемой площади савониуса, может быть, рядом с землей, если она имеет небольшой горе без длительного поста, в результате чего общая добычи энергии менее эффективными из-за более низкой скорости ветра нашел на более низких высотах.

Savonius turbines are used whenever cost or reliability is much more important than efficiency.

Most anemometers are Savonius turbines for this reason, as efficiency is irrelevant to the application of measuring wind speed. Much larger Savonius turbines have been used to generate electric power on deep-water buoys, which need small amounts of power and get very little maintenance. Design is simplified because, unlike with horizontal axis wind turbines (HAWTs), no pointing mechanism is required to allow for shifting wind direction and the turbine is self-starting. Savonius and other vertical-axis machines are good at pumping water and other high torque, low rpm applications and are not usually connected to electric power grids. They can sometimes have long helical scoops, to give smooth torque.

The most ubiquitous application of the Savonius wind turbine is the Flettner Ventilator, which is commonly seen on the roofs of vans and buses and is used as a cooling device. The ventilator was developed by the German aircraft engineer Anton Flettner in the 1920s. It uses the Savonius wind turbine to drive an extractor fan. The vents are still manufactured in the UK by Flettner Ventilator Limited.

Small Savonius wind turbines are sometimes seen used as advertising signs where the rotation helps to draw attention to the item advertised. They sometimes feature a simple two-frame animation.

Savonius турбины используются всегда, когда стоимость или надежность гораздо более важно, чем эффективность.

Большинство анемометры — Savonius турбин по этой причине, а эффективность не имеет отношения к применению измерения скорости ветра. Гораздо больше, Savonius турбины были использованы для получения Электрический мощности по глубокой воды буи, которые нужны небольшие количества энергии и получают очень мало обслуживание. Дизайн упрощается, потому что, в отличие от горизонтальной оси ветровых турбин (HAWTs), не указывая механизма требуется для разрешения на перемещение и направление ветра турбина самозапуска. Savonius и других вертикальной оси машины хороши для перекачивания воды и других высоким крутящим моментом, низких оборотах приложений и являются, как правило, не подключены к электросетям. Иногда они могут долго винтовой ковши, чтобы дать гладкой момент.

Наиболее распространенные применения Savonius ветровых турбин является Flettner Вентилятор, которые обычно видели на крышах фургонов и автобусов, и используется в качестве охлаждающего устройства. Вентилятор был разработан немецкий авиационный инженер Антон Flettner в 1920-х годах. Он использует Savonius ветровой турбины для привода вытяжка. Вентиляционные отверстия по-прежнему производятся в Великобритании-на Flettner Вентилятор Ограничен.

Небольшие Savonius ветровых турбин иногда видел использоваться в качестве рекламы, где вращения помогает обратить внимание на пункт рекламируется. Иногда они отличаются простым два кадра анимация.

3.2.2. Ротор шнековый

Отдельный док файл

3.2.3. Ротор чашечный

Ветроколесо этого типа враща­ется силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечи­вает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра, поэтому чашечные роторы получили распро­странение в метеорологии для измерения скорости ветра (анемо­метрии).

Анемо́метр (от др.-греч. ἄνεμος — ветер и μετρέω — измеряю) — метеорологическийприбор для измерения скорости ветра. Состоит из чашечной (или лопастной) вертушки, укреплённой на оси, которая соединена с измерительным механизмом. При возникновении воздушного потока, ветер толкает чашечки, которые начинают крутиться вокруг оси.

В зависимости от конструкции анемометра, он либо замеряет число оборотов чашечек вокруг оси за заданное время, что равно определённому расстоянию, после чего рассчитывается средняя скорость ветра, расстояние делится на время (анемометр ручной). Либо чашечки соединены с электрическим индукционным тахометром, что позволяет прибору сразу показывать скорость ветра на данный момент, без дополнительных вычислений, и следить за изменениями в скорости ветра в режиме реального времени (анемометр индукционный).

3.2.4. Ротор пластинчатый с экраном

4.

6. Кроме крыльчатых ветроустановок известны конструкции роторных, барабанных и карусельных ветрогенераторов. Карусельные и роторные ветрогенераторы имеют вертикальную ось вращения, а барабанные – горизонтальную. В противовес крыльчатым ветрогенераторам, у которых происходит одновременная работа всех лопастей по созданию вращающего момента, у карусельных и барабанных ветроустановок работают только те лопасти, которые движутся по одному направлению с ветром. Для уменьшения сопротивления движению тех лопастей, которые идут против ветра, их прикрывают экраном либо изгибают.

8. Вращающий момент на этих ветроустановках возникает по причине разности давлений на противоположных лопастях. Малая эффективность (использование потока энергии ветра у этих ветрогенераторов не превышает 0,18), громоздкость и тихоходность повлияли на то, что роторные, карусельные и барабанные ветрогенераторы практически не применяются.

10. В основном недостатки барабанных и карусельных ветроустановок проявляются из-за того, что в них работают только часть лопастей. Остальные лопасти не только не создают вращающий момент, но иногда и подтормаживают вращение лопастей или ротора.

12. Поскольку принцип работы барабанных и карусельных ветрогенераторов основан на возникновении сил давления ветра на поверхность лопастей, которые двигаются по направлению ветрового потока, то максимальный коэффициент использования ветровой энергии для этих двигателей не может превышать 0.192. Это значение в три раза ниже максимального коэффициента использования ветровой энергии идеальным крыльчатым ветродвигателем.

14. Выходит, что идеальный барабанный или карусельный ветрогенератор использует всего 20% полезной энергии набегающего ветрового потока, в то же время лучшая крыльчатая ветроустановка использует все 60%. Но это в идеале. В реальных условиях из-за потерь мы получаем значения 15% и 45-48% соответственно. Из приведенных цифр становится понятно, что создание и использование карусельных и барабанных ветроустановок неэффективно.

Такие устройства имеют некоторые преимущества перед ветрогенераторными устройствами с горизонтальным расположением оси. У них отсутствуют узлы для ориентации на ветер, что упрощает конструкцию и снижает гироскопические нагрузки. Разработано большое количество разнообразных ветрогенераторов с вертикальной осью вращения (рис. 6.1), в которых
для создания вращающего момента используются силы сопротивления и подъемная сила рабочих лопастей.
Это устройства с пластинчатыми, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы. Ветрогенераторы такого типа имеют большой начальный момент, но меньшую быстроходность и мощность по сравнению с ротором француза Дарье, который в 1920 году предложил эту конструкции». Этот ротор интенсивно разрабатывают, начиная с1970 года, специалисты во многих странах. В настоящее время ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основною конкурента ветрогенераторов кольчатого типа.
Ротор Дарье относится к Ветрогенератору с вертикальной осью вращения, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Его недостаток — малый начальный момент, преимущество большая быстроходность и в силу этого — относительно большая удельная мощность, отнесенная к его массе. Для устранения главного недостатка и с целью увеличения начального момента ротор Дарье комбинируют с различными типами стартеров, например с ротором Савониуса.

Рис. 6.1. ветрогенератор с вертикальной осью вращения:

1- ротор Савониуса; 2 — ротор Савониуса многолопастный; 3 — ротор пластинчатый; 4 — ротор чашечный: 5 — ротор Дарье Ø-образный;6 — ротор Дарье Δ-образный; 7 — ротор с прямыми крыловидными лопастями (Giromill) 8 -ветрогенератор с криволинейными пластинчатыми лопастями; 9 — роторы Дарье Ø-образный и Савониуса; 10 — ротор Савониуса щелевой; 11- ротор с использованием эффекта Магнуса; 12 -ротор с несущими парусными плоскостями; 13 — ветроколесо с рефлекторным устройством; 15 — ветроколесо с трубой Вентури; 16 — ветроколесо с
вихревым устройством.
В роторе другого типа с вертикальной осью вращения используется эффект Магнуса; к таким роторам с вращающимися цилиндрами можно отнести конструкции Мадараса и Флетшера. При набегании ветрового потока па вращающийся цилиндр в соответствии с эффектом Магнуса действует сила, перпендикулярная направлению потока.Эти устройства способны приводить в движение суда или сухопутные транспорте средства. Распределение силы показано на рис. 6.2 и 6.3.

В ряде случаев ветрогенератор улучшает отдачу мощности при наличии направляющего дефлектора (см. рис. 6.1) и эжектора в виде трубы Вентури (см. рис. 6.1: 15).
Известна также ветрогенераторы с ротором вертикально-осевого вращения, располагаемая на трубе (или башне), внутри которой генерируются восходящие вихри (см. рис. 6.1: 14). Одновременно в такой башне предусматривается нагрев воздуха путем непосредственного использования солнечного излучения или сжигания топлива с последующим расширением воздуха, вследствие чего создается эффект газовой турбины, которая вместе с ветрогенератором устанавливается на выходе башни. Для повышения экономичности ВЭУ с такими башнями и ветродвигателями, работающими с использованием подъемной силы в ветровом потоке, последние должны быть по возможности большой мощности: от 1000 до 20000 кВт.
При этом размеры ветрогенераторов ограничиваются напряжениями, возникающими в конструкции опор, лопастей и других нагруженных элементов.
Поэтому ветрогенераторы должны иметь возможно меньшую массу, а в качестве движущей силы — подъемную силу, чтобы иметь большую быстроходность при больших значениях коэффициента использования энергии ветра.

Преимущества ветрогенераторов с вертикальной осью вращения ,

которые дают более сильные и более устойчивые ветры, могут быть реализованы при размещении ветрогенераторов на береговой территории водоемов или в прибрежных водах. Ветроустановки башенного типа, предназначенные для образования и использования вихрей в целях увеличения скорости потока и градиента давления в зоне ветрогенераторного устройства могут использоваться после изучения законов скоростей при вихре образовании.

Источник