Łopaty turbin wiatrowych o zmiennej geometrii krawędzi spływu

Łopaty turbin wiatrowych o zmiennej geometrii krawędzi spływu

Od kilku lat Wydział Energii Wiatrowej Duńskiego Uniwersytetu Technicznego (DTU) opracowywał metodę kontroli obciążeń łopat turbin wiatrowych za pomocą giętkich krawędzi spływu zbudowanych z elastycznego materiału, którego kształt mógłby być zmieniany za pomocą hydrauliki lub pneumatyki. Teraz gotowe urządzenie nazwane CRTEF (Controllable Rubber Trailing Egde Flap) przeszło serię testów w tunelu aerodynamicznym. Wyniki są obiecujące.

Łopaty dzisiejszych turbin wiatrowych, osiągające nawet ponad 60m długości, poddawane są ogromnym obciążeniom, wywołującym ich ugięcia o 4-6m przy silnych podmuchach wiatru. Ze względu na znaczną długość łopat, obciążenia mogą się na nich rozkładać nierównomiernie. Dodatkowym czynnikiem wywołującym obciążenia w zakresie lokalnym są turbulencje pochodzące od sąsiednich turbin pracujących na tej samej farmie wiatrowej.

„Właśnie te lokalne wpływy mamy zamiar wyeliminować. Jednak do tego potrzebne są nie tylko opracowane przez nas elastyczne krawędzie spływu, ale także systemy sensoryki i sterowania, które mogłyby regulować klapy łopat w zależności od warunków pracy turbiny. Aktualnie skupiamy się na poszukiwaniu różnego rodzaju czujników a także nad opracowaniem elastycznych krawędzi wykonanych z plastiku zamiast gumy.” wyjaśnia Helge Aagaard Madsen, jeden z badaczy.

W grudniu 2009 gumowa krawędź spływu była testowana w tunelu aerodynamicznym duńskiej firmy Velux. Rozpoczęcie testów było zamknięciem etapu projektowania, który zaczął się w roku 2006.

Badania prowadzono na sekcjach łopat o długości 2m, szerokości 1m wyposażonymi w rozciągające się na całej długości 15-centymetrowe elastyczne klapy. Wewnątrz profilu łopaty umieszczony był układ pneumatyczny umożliwiający zmiany kształtu krawędzi spływu. Na krawędzi natarcia sekcji umieszczone były sensory mierzące prędkość i kierunek wiatru.

Siły, na których działanie wystawiona jest łopata określane są na podstawie rozkładu ciśnień na jej długości. Różnice w wartościach sił dla różnych punktów kompensowane są przez zmiany kształtu odpowiednich sekcji krawędzi spływu, co zmniejsza naprężenia występujące w łopacie podczas podmuchów wiatru.

Poza zabezpieczeniem turbin przed uszkodzeniem, elastyczne klapy mogłyby posłużyć do szybkiej zmiany kąta natarcia łopat. W rozwiązaniach konwencjonalnych zmiany takie są realizowane przez obrót całego elementu w mocowaniu, ale ze względu na masę pojedynczej łopaty sięgającą nieraz kilku ton, nie mogą to być korekty szybkie. Nowe rozwiązanie umożliwiłoby poprawki kąta natarcia z częstotliwością nawet powyżej 2Hz.

Teraz, gdy podstawowe badania zostały zakończone, naukowcy skupią się na przygotowaniu technologii do testów w pełnowymiarowych prototypach, a także na niezawodnością systemu kontroli kształtu klap.

(bj)