Ротор Дарье

Ветрогенератор с ротором Дарье

Ротор Дарье, турбина Дарье (англ. Darrieus rotor) — тип турбины низкого давления, ось вращения которой перпендикулярна потоку жидкой или газовой среды. Предложена в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье (George Darrieus)[1]. Ротор Дарье нашёл широкое применение в ветроэнергетике[2].

Устройство и принцип действия

H-ротор Дарье — дальнейшее Н-образное развитие ротора Дарье

Ротор Дарье представляет собой конструкцию, состоящую из одного, двух и более аэродинамических крыльев, закреплённых на радиальных балках. Хотя общий принцип работы ротора Дарье в целом известен, но полного описания физических процессов и адекватной математической модели до сих пор нет. Это обусловлено сложным, сильно нестационарным характером обтекания лопастей (число Струхаля) и большим числом Рейнольдса. Главным отличием ротора Дарье от ротора Савониуса является его быстроходность. Так, если скорость лопастей ротора Савониуса близка к скорости набегающего потока, то у ротора Дарье она в 3-4 раза выше. В работе [3] показано, что характеристика ветрогенератора Дарье не является автомодельной по критерию Рейнольдса, а также существует режим начальной авторотации, в которой ротор Дарье работает в режиме ротора Савониуса.

На практике для ротора Дарье используют три лопасти, так как при их меньшем количестве нет самозапуска и возникают проблемы балансировки. При увеличении числа лопастей быстроходность ротора Дарье падает, как и в случае горизонтально-осевых ветрогенераторов.

Ротор представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках. На каждое из крыльев, движущихся по отношению к потоку, действует подъемная сила , величина которой зависит от угла между вектором скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимальное значение подъемная сила достигает при ортогональности данных векторов.

Учитывая, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент силы , создаваемый ротором, также переменен. Поскольку для возникновения подъемной силы нужно движение крыльев, ротор характеризуется нехорошим самозапуском. Самозапуск улучшается при применении трех и более лопастей.

Недостатком конструкции высокие динамические нагрузки и заметный шум.

Есть модификации с управляемым углом атаки лопастей турбины.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Работа ротора Дарье, как и прочих роторов, не зависит от направления потока, следовательно турбина на его основе не требует устройства ориентации;
• Ротор Дарье характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях потока, поскольку не требует ориентации на ветер;
• Высокий коэффициент использования энергии ветра. Роторы Дарье не уступают, и в отдельных случаях даже превосходят горизонтально-осевые конструкции ветрогенераторов [4];
• Пониженный шум, создаваемый при работе, в отличие от горизонтально-осевых ветрогенераторов. Это связано с практически равномерным, в силу быстроходности ротора Дарье, обтеканием лопастей;
• Относительная простота изготовления (пропеллерный профиль по длине постоянно меняется) — для профилей крыльев с прямой кромкой;
• Ось вращения ветрогенератора совпадает с осью опорной мачты.

Недостатки

• Значительные нагрузки на мачту, связанные с эффектом Магнуса;
• Большая часть массы вращающегося механизма на периферии в отличие от горизонтально-осевых ветрогенераторов.
• Отсутствие адекватной математической модели, что затрудняет конструирование ротора Дарье;
• Большой срок окупаемости ветрогенераторов, что не позволяет производителям перейти на использование ротора Дарье с горизонтально-осевых ветрогенераторов.

Примечания

1. Turbine having its rotating shaft transverse to the flow of the current (англ.). freepatentsonline.com. — Патент Дарье от 1931 года. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 29 мая 2013 года.
2. Твайделл Дж., Уэйр А. Ветроэнергетика // Возобновляемые источники энергии. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 393 с. — ISBN 5-283-02469-5.
3. А.С.Неграш. Исследование и разработка метода расчета аэродинамических характеристик ветряных двигателей с вертикальной осью вращения (диссертация)  (неопр.) C. 246. М. (1987). Дата обращения: 2 июля 2016. Архивировано 19 августа 2016 года.
4. Д.Н.Горелов. Энергетические характеристики ротора Дарье (обзор) (рус.) // Теплофизика и аэромеханика. — Издательство Сибирского отделения РАН, 2010. — Т. 3. — С. 325-333. Архивировано 21 ноября 2015 года.

Литература

• Твайделл Дж., Уэйр А. Ветроэнергетика // Возобновляемые источники энергии = Renewable energy resources. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 393 с. — ISBN 5-283-02469-5.