RU2832793C1 - Wind turbine blade - Google Patents
Wind turbine blade Download PDFInfo
- Publication number
- RU2832793C1 RU2832793C1 RU2023135998A RU2023135998A RU2832793C1 RU 2832793 C1 RU2832793 C1 RU 2832793C1 RU 2023135998 A RU2023135998 A RU 2023135998A RU 2023135998 A RU2023135998 A RU 2023135998A RU 2832793 C1 RU2832793 C1 RU 2832793C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blade
- air duct
- air
- leading edge
- external
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к средствам предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ветроэлектрических установок (ВЭУ) с формированием воздушного слоя вокруг внешней поверхности лопасти и распределенного ударно-волнового воздействия, направленного на внешнюю поверхность лопасти.The invention relates to means for preventing and combating icing of wind turbine blades (WTU) by forming an air layer around the outer surface of the blade and a distributed shock wave effect directed at the outer surface of the blade.
Изобретение заключается в том, что лопасть ВЭУ содержит вдоль передней кромки (носка) воздуховод, в который осуществляется импульсная подача воздушного потока, направленного от основания лопасти до ее вершины. Причем корпус упомянутого воздуховода является передней кромкой лопасти и как минимум в местах наиболее вероятного обледенения лопасти ВЭУ выполнен с перфорациями на передней кромке лопасти, а также на указанной передней кромке лопасти закреплен продуваемый эластичный супергидрофобный материал, испытывающий ударно-волновое воздействие от импульсов подачи воздуха.The invention consists in that the wind turbine blade contains an air duct along the leading edge (nose), into which a pulsed air flow is supplied, directed from the base of the blade to its top. Moreover, the body of the said air duct is the leading edge of the blade and at least in the places of the most probable icing of the wind turbine blade is made with perforations on the leading edge of the blade, and also on the said leading edge of the blade a blown elastic superhydrophobic material is fixed, experiencing a shock-wave effect from the air supply pulses.
Предшествующий уровень техникиPrior art
Обледенение лопастей ВЭУ существенно влияет на эффективность, надежность и безопасность их работы. Обледенение изменяет профиль лопасти, что снижает её аэродинамические характеристики. Это приводит к уменьшению эффективности ВЭУ, так как установка не может эффективно преобразовывать энергию ветра в электроэнергию.Icing of wind turbine blades significantly affects the efficiency, reliability and safety of their operation. Icing changes the blade profile, which reduces its aerodynamic characteristics. This leads to a decrease in the efficiency of the wind turbine, since the installation cannot effectively convert wind energy into electricity.
Обледенение также может привести к неравномерному распределению льда по поверхности лопасти, создавая дополнительные несимметричные нагрузки и вибрации. Это может повлиять на надежность работы оборудования и увеличить износ механизмов.Icing can also cause uneven distribution of ice on the blade surface, creating additional asymmetric loads and vibrations. This can affect the reliability of the equipment and increase wear of the mechanisms.
Помимо критического влияния обледенения на КПД и надежность работы отрыв кусков льда с кромок лопастей, нагруженных ВЭУ во время работы, может привести к повреждению как самой установки, поскольку отрыв льда может создавать дополнительные нагрузки и динамические силы, а также может представлять опасность для людей и окружающей среды.In addition to the critical impact of icing on the efficiency and reliability of operation, the breakaway of ice pieces from the edges of blades loaded by the wind turbine during operation can lead to damage to the installation itself, since the breakaway of ice can create additional loads and dynamic forces, and can also pose a danger to people and the environment.
В целом предотвращение и управление обледенением лопастей ВЭУ являются важными аспектами для обеспечения стабильной и безопасной работы этих устройств в условиях холодного климата.In general, the prevention and control of icing of wind turbine blades are important aspects to ensure stable and safe operation of these devices in cold climate conditions.
Для предотвращения обледенения лопастей ВЭУ используют различные технологии, такие как обогрев лопастей, применение гидрофобных покрытий, аэродинамические элементы и другие методы.To prevent icing of wind turbine blades, various technologies are used, such as blade heating, the use of hydrophobic coatings, aerodynamic elements and other methods.
Основными способами в области борьбы с обледенением лопастей ВЭУ на сегодняшний день являются:The main methods in the field of combating icing of wind turbine blades today are:
• оптимизация режимов работы и формы поверхности для снижения налипания льда за счет использования в том числе интеллектуальных алгоритмов работы ветроэнергетических установок (ВЭУ);• optimization of operating modes and surface shape to reduce ice adhesion through the use of intelligent algorithms for wind power plants (WPPs);
• разработка тепловых методов защиты от обледенения, например, используя циркуляцию нагретого воздуха в корпусе лопасти для передачи тепловой энергии на внешнюю поверхность лопасти, подверженной обледенению, благодаря внутренней теплопроводности;• development of thermal methods of protection against icing, for example, using the circulation of heated air in the blade body to transfer thermal energy to the outer surface of the blade subject to icing, due to internal thermal conductivity;
• локальный нагрев поверхностей лопасти, подверженных обледенению, например, исследования ультразвуковых и вибрационных методов защиты от наледи и микроволнового излучения (например, СВЧ);• local heating of blade surfaces subject to icing, for example, studies of ultrasonic and vibration methods of protection against ice and microwave radiation (for example, microwave);
• предотвращение обледенения использованием гидрофобных покрытий.• preventing icing by using hydrophobic coatings.
Из уровня техники известны решения для предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ВЭУ. Например, Способ и устройство для предотвращения обледенения лопастей ветряного генератора, раскрытое в описании публикации международной заявки на изобретение WO/2016/037476, от 18.03.2015. The prior art provides solutions for preventing and combating icing of wind turbine blades. For example, the Method and Device for Preventing Icing of Wind Generator Blades, disclosed in the description of the publication of international application for invention WO/2016/037476, dated 18.03.2015.
Известный способ заключается в том, что обеспечивают круговую циркуляцию горячего воздуха внутри лопасти от основания лопасти к ее вершине и обратно к основанию, предотвращая обледенение кромок и поверхности лопасти, путем установки в основание лопасти системы нагревания, внутри лопасти размещают воздуховод, на конце которого устанавливают дефлектор, разделяющий переднюю кромку лопасти на две части, обеспечивают движение горячего воздуха по направлению к вершине лопасти, а затем вдоль задней кромки лопасти обратно к ее основанию.The known method consists of providing a circular circulation of hot air inside the blade from the base of the blade to its top and back to the base, preventing icing of the edges and surface of the blade, by installing a heating system in the base of the blade, an air duct is placed inside the blade, at the end of which a deflector is installed, dividing the leading edge of the blade into two parts, ensuring the movement of hot air in the direction of the top of the blade, and then along the trailing edge of the blade back to its base.
Недостатком известного способа является то, что в целях борьбы с обледенением необходимо подавать большое количество тепловой энергии в воздух, циркулирующий внутри лопасти, чтобы эффективно нагревать весь корпус лопасти, а в целях предотвращения обледенения, необходимо нагреть всю массу лопасти, и это ведет к тому, что потребляется большое количество энергии. The disadvantage of the known method is that in order to combat icing, it is necessary to supply a large amount of thermal energy to the air circulating inside the blade in order to effectively heat the entire blade body, and in order to prevent icing, it is necessary to heat the entire mass of the blade, and this leads to the fact that a large amount of energy is consumed.
Также известна противообледенительная система для ветряной установки, техническое решение, взятое в качестве ближайшего аналога (прототипа), раскрыто в описании публикации международной заявки на изобретение WO/2004/036038, от 16.10.2003 г. Известное устройство содержит помимо всего прочего: Also known is an anti-icing system for a wind turbine, the technical solution taken as the closest analogue (prototype) is disclosed in the description of the publication of the international application for invention WO/2004/036038, dated 16.10.2003. The known device contains, among other things:
средства для направления потока текучей среды (воздуха) внутрь объемов, ограниченных внутри лопастей ротора (ВЭУ). При этом лопасти ротора содержат по меньшей мере на части внешней поверхности окна (или отверстия), которые сообщаются с внутренним объемом лопастей и предназначены для выброса по меньшей мере части текучей среды наружу из лопастей для термодинамического взаимодействия текучей среды с ветром, сталкивающимся с частью поверхности, относящейся к окнам, и/или с водой и льдом, возможно находящимися на внешней поверхности лопасти.means for directing a flow of fluid (air) into volumes limited inside the rotor blades (wind turbine). In this case, the rotor blades contain, at least on a part of the outer surface, windows (or openings) that communicate with the inner volume of the blades and are intended to eject at least a part of the fluid outward from the blades for thermodynamic interaction of the fluid with the wind colliding with a part of the surface related to the windows, and/or with water and ice, possibly located on the outer surface of the blade.
Воздушный поток, выходящий из окон, расположенных на внешней поверхности лопасти, взаимодействует с ветром, сталкивающимся с лопастями, и создает воздушный слой или пленку на указанной внешней поверхности лопасти, снабженной указанными окнами, а именно после них по ходу потока. Такая воздушная пленка, вследствие известных тепловых и динамических эффектов, отклоняет поток текучей среды ветра от прямого столкновения с внешней поверхностью лопасти, таким образом нагревая поток и предотвращая конденсацию частиц, вызванную влажностью ветра, и образование льда.The air flow coming out of the windows located on the outer surface of the blade interacts with the wind colliding with the blades and creates an air layer or film on the said outer surface of the blade equipped with the said windows, namely after them along the flow. Such an air film, due to known thermal and dynamic effects, deflects the flow of the wind fluid from direct collision with the outer surface of the blade, thus heating the flow and preventing condensation of particles caused by wind humidity and the formation of ice.
В известном техническом решении предусмотрены различные формы указанных окон на внешней поверхности лопасти, предназначенных для сообщения внутреннего объема лопасти с внешней средой ортогонально набегающему потоку на лопасть, обеспечивающие замедление скорости исходящего потока, а также усиливать поток, сталкивающийся с лопастью. Такой процесс усиления потока может улучшить общие аэродинамические характеристики лопасти и, таким образом, увеличить общую производительность ветрогенератора. The known technical solution provides for various forms of the said windows on the outer surface of the blade, intended to communicate the internal volume of the blade with the external environment orthogonally to the incoming flow onto the blade, ensuring a slowdown in the speed of the outgoing flow, as well as enhancing the flow colliding with the blade. Such a process of flow enhancement can improve the overall aerodynamic characteristics of the blade and, thus, increase the overall performance of the wind generator.
В данном техническом решении предусмотрено, что из отверстий на внешней поверхности лопасти выходит воздушный поток с более высокой температурой и большим давлением по сравнению с потоком ветра, сталкивающегося с поверхностью лопасти, и со значительно более низкой степенью влажности, формируя воздушный слой или пленку вокруг лопасти ветрогенератора.This technical solution provides that an air flow with a higher temperature and higher pressure compared to the wind flow colliding with the surface of the blade, and with a significantly lower degree of humidity, emerges from the holes on the outer surface of the blade, forming an air layer or film around the blade of the wind generator.
Аэродинамический эффект состоит в отклонении указанной воздушной пленкой капель воды, снега иди льда и сталкивающихся с ней частиц различного характера (например, насекомых, песка). Этот эффект максимален при определенной скорости и величине частиц.The aerodynamic effect consists of the deflection of water droplets, snow or ice and colliding particles of various nature (e.g. insects, sand) by the air film. This effect is maximal at a certain speed and particle size.
Другой вариант известного технического решения, предусматривает расположение устройства для подачи сжатого воздуха в том числе импульсной подаче. Располагая сопла такого устройства во внутреннем объеме лопасти, по направлению к отверстиям на внешней поверхности лопасти, частично или полностью закрытыми льдом, можно подавать к ним импульсы сжатого воздуха. Another variant of the known technical solution provides for the arrangement of a device for supplying compressed air, including pulse supply. By arranging the nozzles of such a device in the internal volume of the blade, towards the openings on the external surface of the blade, partially or completely covered with ice, it is possible to supply pulses of compressed air to them.
Такое действие приводит к разрушению ледяных масс.This action leads to the destruction of ice masses.
Общими признаками известного технического решения и заявленного изобретения являются: импульсная подача сжатого воздуха из-под поверхности лопасти и формирование воздушного слоя вокруг лопасти ВЭУ.The common features of the known technical solution and the claimed invention are: pulsed supply of compressed air from under the surface of the blade and the formation of an air layer around the wind turbine blade.
Недостатком известного технического решения является неравномерность распределения воздушного слоя вокруг лопасти ветрогенератора, вследствие чего лопасть подвержена обледенению в областях неустойчивости воздушного слоя, а также в случае обледенения отверстий на внешней поверхности лопасти заявленный аэродинамический эффект перестаёт работать.The disadvantage of the known technical solution is the uneven distribution of the air layer around the wind turbine blade, as a result of which the blade is subject to icing in areas of instability of the air layer, and in the case of icing of the holes on the outer surface of the blade, the declared aerodynamic effect ceases to work.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Задачей заявляемого изобретения является предотвращение и борьба с обледенением лопастей ВЭУ, что обеспечивается применением поверхностей, выполненных из продуваемых эластичных супергидрофобных материалов и импульсной подачей воздуха.The objective of the claimed invention is to prevent and combat icing of wind turbine blades, which is achieved by using surfaces made of blown elastic superhydrophobic materials and pulsed air supply.
Экспериментально показано, что применение супергидрофобных покрытий эффективно при борьбе с обледенением. Супергидрофобная поверхность эффективно отталкивает капли от поверхности и препятствует образованию больших агломератов наледи, уменьшает суммарную область, где лед крепится к поверхности, что существенно облегчает борьбу с ним.It has been experimentally shown that the use of superhydrophobic coatings is effective in combating icing. The superhydrophobic surface effectively repels drops from the surface and prevents the formation of large agglomerates of ice, reduces the total area where ice is attached to the surface, which significantly facilitates the fight against it.
Показано, что бороться с наледью тем легче, чем меньше наледи образовалось на лопасти.It has been shown that the less ice that has formed on the blade, the easier it is to combat ice.
В связи с чем целесообразно использовать комплекс антиобледенительных воздействий, который позволяет не только бороться с образованием наледи, но и препятствовать процессу её образования. In this regard, it is advisable to use a set of anti-icing measures that not only combat the formation of ice, but also prevent the process of its formation.
Техническое решение, предлагаемое в настоящем изобретении, состоит в том, что:The technical solution proposed in the present invention consists in the fact that:
продуваемый эластичный супергидрофобный материал, нанесенный на внешнюю поверхность лопасти ВЭУ, препятствует закреплению атмосферной влаги и ее намерзанию на указанной внешней поверхности, а также за счет испытываемого распределенного ударно-волнового воздействия, вследствие импульсной подачи воздушного потока в воздуховод, расположенный вдоль передней кромки лопасти, способствует сбрасыванию атмосферной влаги, а также разрушению образовавшейся наледи на внешней поверхности лопасти.The blown elastic superhydrophobic material applied to the outer surface of the wind turbine blade prevents atmospheric moisture from being fixed and freezing on the said outer surface, and also, due to the tested distributed shock wave effect, as a result of the pulsed supply of air flow into the air duct located along the leading edge of the blade, promotes the discharge of atmospheric moisture, as well as the destruction of the ice formed on the outer surface of the blade.
Вследствие импульсной подачи воздуха, в воздуховоде, расположенном вдоль передней кромки лопасти образуется избыточное давление, вследствие чего воздух, посредством реактивного движения, через перфорированный корпус поступает на внешнюю поверхность лопасти, образуя воздушный слой вокруг лопасти ВЭУ, препятствующий контакту указанной внешней поверхности лопасти с атмосферной влагой. Due to the pulsed air supply, excess pressure is created in the air duct located along the leading edge of the blade, as a result of which the air, by means of a jet movement, enters the outer surface of the blade through the perforated housing, forming an air layer around the wind turbine blade, preventing contact of the said outer surface of the blade with atmospheric moisture.
А эластичный продуваемый супергидрофобный материал, оказывает ударно-волновое воздействие, полученное от импульсов подачи воздуха в воздуховод, на образовавшуюся наледь на внешней поверхности лопасти.And the elastic blown superhydrophobic material has a shock wave effect, obtained from the air supply pulses into the air duct, on the ice formed on the outer surface of the blade.
Также продуваемый эластичный супергидрофобный материал обеспечивает равномерное распределение воздушного слоя вокруг лопасти ВЭУ и его устойчивость. А в случае образования наледи на внешней поверхности лопасти ВЭУ, формирует воздушный карман между эластичным продуваемым супергидрофобным материалом и наледью, который совместно с распределенным ударно-волновым воздействием на эластичную поверхность способствует разрушению образовавшейся наледи.Also, the blown elastic superhydrophobic material ensures uniform distribution of the air layer around the wind turbine blade and its stability. And in case of ice formation on the outer surface of the wind turbine blade, it forms an air pocket between the elastic blown superhydrophobic material and the ice, which, together with the distributed shock wave effect on the elastic surface, helps to destroy the formed ice.
Образование воздушного слоя вокруг внешней поверхности лопасти, способствует улучшению ее аэродинамических характеристик, что в свою очередь увеличивает КПД ветроэлектрической установки.The formation of an air layer around the outer surface of the blade helps improve its aerodynamic characteristics, which in turn increases the efficiency of the wind turbine.
Краткое описание прилагаемых чертежейBrief description of the attached drawings
Предлагаемое устройство предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ВЭУ поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на Фиг. 1 и Фиг. 2 представлен условный пример функциональной схемы устройства части лопасти ВЭУ, реализующий заявленное изобретение. На Фиг. 3 представлен вариант осуществления заявленного изобретения, а на Фиг. 4 представлена раскадровка видео эксперимента реализации изобретения.The proposed device for preventing and combating icing of wind turbine blades is explained by the following description and drawings, where Fig. 1 and Fig. 2 show a conventional example of a functional diagram of a part of a wind turbine blade device implementing the claimed invention. Fig. 3 shows an embodiment of the claimed invention, and Fig. 4 shows a storyboard of a video of an experiment implementing the invention.
Указанное устройство для предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ВЭУ, согласно схеме, представленной на Фиг. 1, содержит, например:The said device for preventing and combating icing of wind turbine blades, according to the diagram shown in Fig. 1, contains, for example:
100 - лопасть ветроэлектрической установки (ВЭУ), содержащая: 20 - переднюю кромку (носок) лопасти (100), 21 - воздуховод, с внутренним объёмом - V21, 27 - перфорированный корпус воздуховода, 29 - внешнюю поверхность передней кромки лопасти (100), 30 - слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала, например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), 51 - внешний компрессор, 53 - внешний электромагнитный клапан, 61 - внешний модуль управления, 70 - заднюю кромку лопасти (100).100 - a wind turbine blade (WTU), comprising: 20 - a leading edge (nose) of the blade (100), 21 - an air duct with an internal volume of - V 21 , 27 - a perforated air duct body, 29 - an outer surface of the leading edge of the blade (100), 30 - a layer of blown elastic superhydrophobic material, for example, a fluoroplastic non-woven material (fluoropolymer), 51 - an external compressor, 53 - an external electromagnetic valve, 61 - an external control module, 70 - a trailing edge of the blade (100).
На Фиг. 1 также обозначены: А - внешний поток, перпендикулярный лопасти (100) ВЭУ, P - импульсный воздушный поток, направленный во внутренний объём (V21) воздуховода (21).Fig. 1 also shows: A - external flow, perpendicular to the blade (100) of the wind turbine, P - pulsed air flow directed into the internal volume (V 21 ) of the air duct (21).
На Фиг. 2 представлена иллюстрация схематического изображения передней кромки (носка) (20) лопасти (100) ВЭУ в разрезе, содержащая, например:Fig. 2 shows an illustration of a schematic representation of the leading edge (nose) (20) of a wind turbine blade (100) in section, containing, for example:
20 - передняя кромка (носок) лопасти (100), 21 - воздуховод, с внутренним объёмом - V21, 27 - перфорированный корпус воздуховода, 29 - внешняя поверхность передней кромки лопасти (100), 30 - слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала, например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), 20 - leading edge (nose) of the blade (100), 21 - air duct, with an internal volume of V 21 , 27 - perforated body of the air duct, 29 - outer surface of the leading edge of the blade (100), 30 - a layer of blown elastic superhydrophobic material, for example, fluoroplastic non-woven material (fluoropolymer),
На Фиг. 2 также обозначены: А - внешний поток перпендикулярный лопасти (100) ВЭУ, S - воздушный слой вокруг внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100), L - воздушный поток через перфорированный корпус (27) воздуховода (21) и слой фторопластового нетканого материала (30) на внешнюю поверхность (29).Fig. 2 also shows: A - external flow perpendicular to the blade (100) of the wind turbine, S - air layer around the external surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), L - air flow through the perforated body (27) of the air duct (21) and a layer of fluoroplastic nonwoven material (30) on the external surface (29).
На Фиг. 3 представлена примерная схема осуществления изобретения, в котором лопасть (100) ВЭУ дополнительно содержит во внутреннем объёме (V100) компрессор (351) и электромагнитный клапан (353).Fig. 3 shows an exemplary diagram of the embodiment of the invention, in which the blade (100) of the wind turbine additionally contains in the internal volume (V 100 ) a compressor (351) and an electromagnetic valve (353).
Детальное описание чертежейDetailed description of the drawings
Далее будут рассмотрены особенности реализации заявленного устройства, иллюстрируемые приложенными чертежами.Below we will consider the features of the implementation of the claimed device, illustrated by the attached drawings.
Если в нижеследующем описании, а также формуле изобретения, говорится что элемент «соединен» или «сопряжен» с другим элементом, то элемент может быть «непосредственно соединен» с другим элементом или иметь с ним электрическую, оптическую и прочую связь, непосредственно напрямую или через третий элемент.If the following description and claims state that an element is “connected” or “coupled” with another element, the element may be “directly connected” to the other element or have an electrical, optical or other connection with it, directly or through a third element.
Кроме того, если иное не оговорено особо, термин «содержит» и его производные («содержащий», «содержащийся», «включающий в себя» и иные аналогичные термины) понимается как включение указанных элементов, но не как исключение любых других элементов.In addition, unless otherwise specifically stated, the term “contains” and its derivatives (“containing”, “contained”, “including” and other similar terms) are understood as including the specified elements, but not as excluding any other elements.
Для достижения указанного технического результата, предложенное устройство включает в себя следующие элементы и их связи на Фиг. 1:To achieve the specified technical result, the proposed device includes the following elements and their connections in Fig. 1:
Воздуховод (21), расположенный вдоль передней кромки (носка) (20) лопасти (100) от основания к вершине упомянутой лопасти (100), соединен с внешними компрессором (51) и электромагнитным клапаном (53), а также через перфорированный корпус (27) с внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100). При этом внешняя часть корпуса (27) воздуховода (21) является внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100).The air duct (21), located along the leading edge (nose) (20) of the blade (100) from the base to the top of the said blade (100), is connected to the external compressor (51) and the electromagnetic valve (53), as well as through the perforated housing (27) to the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100). In this case, the outer part of the housing (27) of the air duct (21) is the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
На внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100) закреплен слой фторопластового нетканого материала (30).A layer of fluoroplastic nonwoven material (30) is fixed to the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
Указанные внешние компрессор (51) и электромагнитный клапан (53) соединены с внешним модулем управления (61) регулирующим частоту подачи импульсов воздушного потока (P) во внутренний объём (V21) воздуховода (21).The said external compressor (51) and electromagnetic valve (53) are connected to an external control module (61) that regulates the frequency of supplying air flow pulses (P) into the internal volume (V 21 ) of the air duct (21).
На Фиг. 2 изображены следующие элементы заявленного устройства и их связи, например:Fig. 2 shows the following elements of the claimed device and their connections, for example:
Воздуховод (21), корпус (27) которого является внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100).Air duct (21), the body (27) of which is the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
Внешний поток (A), перпендикулярный лопасти (100), сталкиваясь с реактивным воздушным потоком (L), направленным сквозь перфорированный корпус (27) воздуховода (21) и слой фторопластового нетканого материала (30), на внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100), формирует воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100).The outer flow (A), perpendicular to the blade (100), colliding with the jet air flow (L), directed through the perforated body (27) of the air duct (21) and the layer of fluoroplastic non-woven material (30), on the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), forms an air layer (S) around the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
На Фиг. 3 изображены следующие элементы заявленного устройства и их связи, например:Fig. 3 shows the following elements of the claimed device and their connections, for example:
Воздуховод (21), расположенный вдоль передней кромки (носка) (20) лопасти (100) от основания к вершине упомянутой лопасти (100), соединен с расположенными во внутреннем объёме (V100) лопасти (100) компрессором (351) и электромагнитным клапаном (353), а также через перфорированный корпус (27) с внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100). При этом внешняя часть корпуса (27) воздуховода (21) является внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100).The air duct (21), located along the leading edge (nose) (20) of the blade (100) from the base to the top of the said blade (100), is connected to the compressor (351) and the electromagnetic valve (353) located in the internal volume (V 100 ) of the blade (100), and also through the perforated housing (27) to the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100). In this case, the outer part of the housing (27) of the air duct (21) is the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
На внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100) закреплен слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала (30), например, фторопластовый нетканый материал.On the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100) a layer of blown elastic superhydrophobic material (30), for example, fluoroplastic non-woven material, is fixed.
Указанные компрессор (351) и электромагнитный клапан (353) соединены с внешним модулем управления (61) регулирующим частоту подачи импульсов воздушного потока (P) во внутренний объём (V21) воздуховода (21).The specified compressor (351) and electromagnetic valve (353) are connected to an external control module (61) regulating the frequency of supply of air flow pulses (P) into the internal volume (V 21 ) of the air duct (21).
Подробное описание осуществления изобретенияDetailed description of the implementation of the invention
Далее будут детально рассмотрены особенности реализации заявляемого изобретения, иллюстрируемые приложенными чертежами.The features of the implementation of the claimed invention, illustrated by the attached drawings, will be discussed in detail below.
Для того чтобы достичь вышеуказанного технического результата, предложенное устройство лопасти (100) ветроэлектрической установки (ВЭУ) включает в себя (см. Фиг. 1 и Фиг. 2, которые иллюстрируют примерный вариант осуществления заявленного изобретения) следующие элементы и их связи:In order to achieve the above-mentioned technical result, the proposed device of the blade (100) of a wind turbine (WTU) includes (see Fig. 1 and Fig. 2, which illustrate an exemplary embodiment of the claimed invention) the following elements and their connections:
Воздуховод (21), расположенный вдоль передней кромки (носка) (20) лопасти (100) от ее основания до вершины, соединенный с внешним компрессором (51) и внешним электромагнитным клапаном (53), обеспечивающими подачу импульсного воздушного потока (P) по упомянутому воздуховоду (21) в направлении от основания лопасти (100) к ее вершине.An air duct (21) located along the leading edge (nose) (20) of the blade (100) from its base to its top, connected to an external compressor (51) and an external electromagnetic valve (53), providing the supply of a pulsed air flow (P) along the said air duct (21) in the direction from the base of the blade (100) to its top.
Корпус (27) воздуховода (21), внешняя часть которого является внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100), как минимум в местах наиболее вероятного обледенения лопасти (100), выполнен с перфорациями, причем каждое отверстие обеспечивает связь внутреннего объёма (V21) воздуховода (21) с внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100).The body (27) of the air duct (21), the outer part of which is the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), at least in the places of the most probable icing of the blade (100), is made with perforations, wherein each hole ensures the connection of the internal volume (V 21 ) of the air duct (21) with the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
На внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100) закреплен продуваемый эластичный супергидрофобный материал (30), например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), закрывающий упомянутые перфорации в корпусе (27) воздуховода (21).On the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), a blown elastic superhydrophobic material (30), for example, a fluoroplastic non-woven material (fluoropolymer), is fixed, covering the mentioned perforations in the body (27) of the air duct (21).
Фторопластовый нетканый материал (30) образует продуваемое эластичное супергидрофобное покрытие на внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100), такое покрытие выполнено с возможностью его замены.The fluoroplastic non-woven material (30) forms a blown elastic superhydrophobic coating on the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), such coating is designed with the possibility of its replacement.
Внешние компрессор (51) и электромагнитный клапан (53) соединены с внешним модулем управления (61), задающим амплитуду импульсов подачи воздуха (P) в воздуховод (21). Амплитуда импульсов задаётся исходя из сложившихся метеорологических условий и угрозы обледенения лопасти (100).The external compressor (51) and electromagnetic valve (53) are connected to the external control module (61), which sets the amplitude of the air supply pulses (P) into the air duct (21). The pulse amplitude is set based on the prevailing meteorological conditions and the risk of blade icing (100).
Импульсный воздушный поток (P), направленный по воздуховоду (21) от основания лопасти (100) к её вершине, через перфорации в корпусе (27) воздуховода (21) попадает на внешнюю поверхность (29) передней кромки (20) лопасти (100), где, сталкиваясь с внешним воздушным потоком (A), перпендикулярным лопасти (100), формирует воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности (29) передней кромки (20) и далее всей упомянутой лопасти (100). Сформированный воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности (29) передней кромки (20) и далее всей лопасти (100) препятствует контакту атмосферной влаги (туман, капли дождя, снег, лед и пр.) и её намерзанию на внешней поверхности лопасти (100).The pulsed air flow (P), directed along the air duct (21) from the base of the blade (100) to its top, through the perforations in the housing (27) of the air duct (21) hits the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), where, colliding with the external air flow (A), perpendicular to the blade (100), it forms an air layer (S) around the outer surface (29) of the leading edge (20) and then the entire said blade (100). The formed air layer (S) around the outer surface (29) of the leading edge (20) and then the entire blade (100) prevents contact of atmospheric moisture (fog, raindrops, snow, ice, etc.) and its freezing on the outer surface of the blade (100).
А импульсы воздушного потока (P) оказывают ударно-волновое воздействие через слой фторопластового нетканого материала (30) на скопившуюся атмосферную влагу или образовавшуюся наледь на внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100), а, в случае закрепления слоя фторопластового нетканого материала (30) на всей внешней поверхности лопасти (100), ударно-волновое воздействие оказывается на всю внешнюю поверхность лопасти (100).And the air flow pulses (P) have a shock-wave effect through the layer of fluoroplastic non-woven material (30) on the accumulated atmospheric moisture or ice formed on the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), and, in the case of fixing the layer of fluoroplastic non-woven material (30) on the entire outer surface of the blade (100), the shock-wave effect is exerted on the entire outer surface of the blade (100).
В случае образования наледи на внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100), направленный на внешнюю поверхность (29) реактивный поток воздуха (L) формирует воздушный слой (S) между льдом и фторопластовым нетканым материалом (30), что в совокупности с ударно-волновым воздействием способствует разрушению и удалению наледи, с внешней поверхности (29) передней кромки (20) лопасти (100). In the event of ice formation on the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100), the jet air flow (L) directed at the outer surface (29) forms an air layer (S) between the ice and the fluoroplastic non-woven material (30), which, in combination with the shock wave effect, facilitates the destruction and removal of ice from the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
Причем слой фторопластового нетканого материала (30), вследствие своей супергидрофобности, обеспечивает в реактивном воздушном потоке (L), направленном на внешнюю поверхность (29), более низкий процент влажности, чем во внешнем набегающем потоке воздуха (A), что также способствует удалению влаги с внешней поверхности лопасти (100), а также упомянутый слой фторопластового нетканого материала (30) обеспечивает равномерное распределение воздушного слоя (S) вокруг лопасти (100) и его устойчивость.Moreover, the layer of fluoroplastic nonwoven material (30), due to its superhydrophobicity, ensures a lower percentage of humidity in the reactive air flow (L) directed to the outer surface (29) than in the external oncoming air flow (A), which also facilitates the removal of moisture from the outer surface of the blade (100), and the said layer of fluoroplastic nonwoven material (30) ensures uniform distribution of the air layer (S) around the blade (100) and its stability.
Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором, внешняя часть корпуса (27) воздуховода (21), как минимум наиболее подверженная обледенению, изготовлена из каркасной сетки с закрепленным на ней фторопластовым нетканым материалом (30), являющимся внешней поверхностью (29) передней кромки (20) лопасти (100).There is an embodiment of the invention described above, in which the outer part of the housing (27) of the air duct (21), at least the most susceptible to icing, is made of a frame mesh with a fluoroplastic non-woven material (30) fixed to it, which is the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100).
Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором в воздуховод (21) производится импульсная подача (P) подогретого воздуха. В данном варианте осуществляется еще и термическое антиобледенительное воздействие.There is a variant of the invention described above, in which a pulsed supply (P) of heated air is produced into the air duct (21). In this variant, a thermal anti-icing effect is also carried out.
Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором в воздуховод (21) производится импульсная подача (P) сжатого воздуха. В указанном варианте осуществления изобретения воздуховод соединен вместо внешнего компрессора (51), с емкостью для сжатого воздуха и внешним электромагнитным клапаном (53). Так же емкость может содержать специально подготовленную газовую смесь. There is a variant of the invention described above, in which a pulsed supply (P) of compressed air is produced into the air duct (21). In this variant of the invention, the air duct is connected, instead of the external compressor (51), to a compressed air tank and an external electromagnetic valve (53). The tank may also contain a specially prepared gas mixture.
Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, представлен на Фиг. 3, в котором лопасть (100) ВЭУ, содержит в своем внутреннем объёме (V100), компрессор или емкость для сжатого воздуха, (351) и электромагнитный клапан (353), соединенные с воздуховодом (21) и внешним модулем управления (61).There is an embodiment of the invention described above, shown in Fig. 3, in which the blade (100) of the wind turbine contains in its internal volume (V 100 ), a compressor or a tank for compressed air (351) and an electromagnetic valve (353), connected to the air duct (21) and an external control module (61).
Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором воздуховод (21) соединен с внешним электромагнитным клапаном (53) и трубкой Ранка вместо внешнего компрессора (51), в том числе с «горячим» концом трубки Ранка, в целях направления в воздуховод (21) воздушного потока (P) с более высокой температурой, чем во внешнем воздушном потоке (A).There is an embodiment of the invention described above, in which the air duct (21) is connected to an external electromagnetic valve (53) and a Rank tube instead of an external compressor (51), including the “hot” end of the Rank tube, in order to direct an air flow (P) with a higher temperature than in the external air flow (A) into the air duct (21).
Также существует вариант осуществления изобретения, в котором указанные внешний электромагнитный клапан (53) и трубка Ранка, находятся во внутреннем объёме лопасти (100) ВЭУ.There is also an embodiment of the invention in which the said external electromagnetic valve (53) and Rank tube are located in the internal volume of the blade (100) of the wind turbine.
Также существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором лопасть (100) содержит второй воздуховод, расположенный вдоль задней кромки (70) лопасти (100), от ее основания до вершины, соединённый с внешним компрессором (51) и внешним электромагнитным клапаном (53). Внешняя часть корпуса второго воздуховода является внешней поверхностью задней кромки (70) лопасти (100) и выполнена с перфорациями, обеспечивающими связь внутреннего объёма второго воздуховода с упомянутой внешней поверхностью задней кромки (70) лопасти (100). There is also an embodiment of the invention described above, in which the blade (100) comprises a second air duct located along the trailing edge (70) of the blade (100), from its base to the top, connected to an external compressor (51) and an external electromagnetic valve (53). The outer part of the body of the second air duct is the outer surface of the trailing edge (70) of the blade (100) and is made with perforations that provide a connection of the internal volume of the second air duct with the mentioned outer surface of the trailing edge (70) of the blade (100).
На внешней поверхности задней кромки (70) лопасти (100) закреплен продуваемый эластичный супергидрофобный материал (30), например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), закрывающий упомянутые перфорации в корпусе второго воздуховода.On the outer surface of the trailing edge (70) of the blade (100), a blown elastic superhydrophobic material (30), for example, a fluoroplastic non-woven material (fluoropolymer), is fixed, covering the mentioned perforations in the body of the second air duct.
Фторопластовый нетканый материал (30) образует продуваемое эластичное супергидрофобное покрытие на внешней поверхности задней кромки (70) лопасти (100), такое покрытие выполнено с возможностью его замены.The fluoroplastic non-woven material (30) forms a blown elastic superhydrophobic coating on the outer surface of the trailing edge (70) of the blade (100), such coating is designed with the possibility of being replaced.
В указанном варианте осуществления изобретения импульсный воздушный поток (P) формируемый внешними компрессором (51) и электромагнитным клапаном (53), направленный по первому воздуховоду (21) и второму воздуховоду от основания лопасти (100) к её вершине, через перфорации в корпусе (27) первого воздуховода (21) и в корпусе второго воздуховода, попадает соответственно на внешнюю поверхность (29) передней кромки (20) лопасти (100) и на внешнюю поверхность задней кромки (70) лопасти (100), где сталкиваясь с внешним воздушным потоком (A), перпендикулярным лопасти (100), формирует воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности лопасти (100). Сформированный воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности лопасти (100), препятствует контакту атмосферной влаги (туман, капли дождя, снег, лед и пр.) и её намерзанию на внешней поверхности лопасти (100).In the specified embodiment of the invention, the pulsed air flow (P) formed by the external compressor (51) and the electromagnetic valve (53), directed along the first air duct (21) and the second air duct from the base of the blade (100) to its top, through the perforations in the housing (27) of the first air duct (21) and in the housing of the second air duct, respectively, hits the outer surface (29) of the leading edge (20) of the blade (100) and the outer surface of the trailing edge (70) of the blade (100), where, colliding with the external air flow (A), perpendicular to the blade (100), it forms an air layer (S) around the outer surface of the blade (100). The formed air layer (S) around the outer surface of the blade (100) prevents contact with atmospheric moisture (fog, raindrops, snow, ice, etc.) and its freezing on the outer surface of the blade (100).
Экспериментальные результатыExperimental results
Проведенный эксперимент с ударно-волновым воздействием и подачей воздушного потока из-под поверхности показал, что данные методы отлично друг друга дополняют. An experiment conducted with shock wave action and air flow supply from under the surface showed that these methods complement each other perfectly.
Ударно-волновое воздействие реализовано за счет создаваемых импульсов давления внутри лопасти. Метод импульсной подачи воздуха создавался с помощью компрессора и электромагнитного клапана, который позволял создавать импульсы с заданной частотой. Период накопления воздуха и длительность подачи воздуха задавались контроллером, который в свою очередь управлялся модулем управления экспериментом.The shock wave effect is realized by creating pressure pulses inside the blade. The method of pulsed air supply was created using a compressor and an electromagnetic valve, which allowed creating pulses with a given frequency. The period of air accumulation and the duration of air supply were set by the controller, which in turn was controlled by the experiment control module.
Проведенный эксперимент с ударно-волновым воздействием и формированием воздушного слоя вокруг внешней поверхности показал, что данные методы отлично друг друга дополняют. В отдельности ударно-волновое воздействие не может справиться со всей обледененной поверхностью, так как воздействует на лед локально в месте непосредственного соприкосновения с тканью. Подача воздушного потока из-под поверхности создает воздушный карман между льдом и фторполимерным покрытием, что также недостаточно для полного разрушения льда. Комбинация данных методов позволяет полностью избавиться ото льда.The conducted experiment with shock-wave action and formation of an air layer around the outer surface showed that these methods complement each other perfectly. Shock-wave action alone cannot cope with the entire icy surface, since it affects the ice locally at the point of direct contact with the fabric. Supplying an air flow from under the surface creates an air pocket between the ice and the fluoropolymer coating, which is also insufficient for complete destruction of the ice. A combination of these methods allows you to completely get rid of the ice.
В эксперименте использовался метод импульсной подачи воздушного потока из-под поверхности лопасти, формирующий воздушный слой вокруг внешней поверхности и оказывающий ударно-волновое воздействие на обледенение.The experiment used a method of pulsed air flow from under the blade surface, forming an air layer around the outer surface and exerting a shock wave effect on icing.
Экспериментально показано, что сформированный воздушный слой препятствует каплям влаги в аэродинамическом потоке подлетать и примерзать к поверхности, вследствие чего образование льда происходит значительно медленнее, чем при отсутствии воздушного слоя, например, образование 1 мм льда при импульсной подаче воздушного потока занимает 10 минут и 1 минуту при его отсутствии, что увеличивает время образования льда на порядок.It has been shown experimentally that the formed air layer prevents moisture droplets in the aerodynamic flow from flying up and freezing to the surface, as a result of which ice formation occurs significantly more slowly than in the absence of an air layer, for example, the formation of 1 mm of ice with a pulsed supply of air flow takes 10 minutes and 1 minute in its absence, which increases the time of ice formation by an order of magnitude.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2832793C1 true RU2832793C1 (en) | 2025-01-09 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120520748A (en) * | 2025-06-24 | 2025-08-22 | 内蒙古工业大学 | A magnetorheological fluid adaptive anti-icing wind turbine blade and control method |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004036038A1 (en) * | 2002-10-17 | 2004-04-29 | Lorenzo Battisti | Anti-icing system for wind turbines |
| EP2623773A2 (en) * | 2012-01-31 | 2013-08-07 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Wind turbine blade and wind turbine generator having the same |
| CN109469580A (en) * | 2018-09-25 | 2019-03-15 | 天津瑞能电气有限公司 | A kind of super-hydrophobic hydrophilic spacer coating control ice blade and method |
| RU2756065C1 (en) * | 2020-12-18 | 2021-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for preventing the formation and removal of ice |
| WO2022053117A1 (en) * | 2020-09-09 | 2022-03-17 | Vestas Wind Systems A/S | Wind turbine blade |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004036038A1 (en) * | 2002-10-17 | 2004-04-29 | Lorenzo Battisti | Anti-icing system for wind turbines |
| EP2623773A2 (en) * | 2012-01-31 | 2013-08-07 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Wind turbine blade and wind turbine generator having the same |
| CN109469580A (en) * | 2018-09-25 | 2019-03-15 | 天津瑞能电气有限公司 | A kind of super-hydrophobic hydrophilic spacer coating control ice blade and method |
| WO2022053117A1 (en) * | 2020-09-09 | 2022-03-17 | Vestas Wind Systems A/S | Wind turbine blade |
| RU2756065C1 (en) * | 2020-12-18 | 2021-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Method for preventing the formation and removal of ice |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120520748A (en) * | 2025-06-24 | 2025-08-22 | 内蒙古工业大学 | A magnetorheological fluid adaptive anti-icing wind turbine blade and control method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5322246A (en) | Ice prevention device for airfoils | |
| CN108474356B (en) | Improved electric heating | |
| US7571735B2 (en) | Nozzle for online and offline washing of gas turbine compressors | |
| CA2591600C (en) | Offshore wind turbine with ice control appliance | |
| CN1705823A (en) | Anti-icing system for wind equipment | |
| US20100294882A1 (en) | Aircraft leading edge | |
| EP2762724B1 (en) | Ultrasonic sound emitting devices for wind turbines | |
| CN110637158B (en) | Rotor blade for a wind energy installation | |
| CN108167141A (en) | For the anti-icing and deicing system and method for wind power generating set | |
| US3894691A (en) | Nozzle for producing small droplets of controlled size | |
| CN110834734A (en) | Deicing system is prevented to wing | |
| RU2655977C2 (en) | Intake for engine of aircraft | |
| RU2832793C1 (en) | Wind turbine blade | |
| RU2825497C1 (en) | Windmill blade with anti-icing system | |
| RU2823835C1 (en) | Wind turbine blade with anti-icing system | |
| EP1935783A1 (en) | Ice protection system including a plurality of segmented sub-areas and a cyclic diverter valve | |
| RU2827527C1 (en) | Method for preventing and control of icing of wind turbine blades | |
| JP4473731B2 (en) | Anti-icing system for wind power plant | |
| JP2000352320A (en) | Gas turbine plant | |
| CN116877362A (en) | Device and method for preventing and removing ice of wind power blade through microwaves | |
| CN110374827B (en) | Anti-icing system and method for wind driven generator blade | |
| RU2511824C2 (en) | Cooling tower | |
| KR101327119B1 (en) | Cooling tower | |
| CN211033045U (en) | Deicing system is prevented to wing | |
| CN202326036U (en) | Blade deicer and wind driven generator |