В Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН в рамках национального проекта «Наука и университеты» создана молодёжная лаборатория роторных систем для ветроэнергетики и транспорта арктической зоны. Учёные взялись за разработку циклоидального ротора — специального пропеллера, который в перспективе может применяться как для создания тяги летательных аппаратов, так и на ветро- и гидроэнергетических установках для преобразования энергии ветра или водного потока в электроэнергию. Лаборатория стала частью красноярского филиала института.

Роторами называют вращающиеся части различных механизмов. Мы всюду можем увидеть их в действии: это и винт вертолёта, и пропеллеры квадрокоптера или самолета, рабочее колесо гидроагрегата или винт ветротурбины. Они могут выглядеть по-разному в зависимости от устройства, в котором используются, но принцип их действия одинаков. 

Роторные системы ветроагрегатов обеспечивают удаленные поселения электрической энергией. Это особенно актуально для арктической зоны, в которой требуется локальная электрификация вахтовых поселков, транспортная доступность которых весьма ограничена. Новые роторные системы, как движители транспортных систем, дают ряд преимуществ, например низкий уровень шума у беспилотного аппарата, лучшую управляемость у аэростатов и дирижаблей. 

Молодёжная лаборатория ИТ СО РАН, которая будет заниматься разработкой роторных систем для ветроэнергетики и транспорта арктической зоны, начала работу несколько месяцев назад.

«Основанием послужил наш опыт работы в проекте “Циклон” с Фондом перспективных исследований по созданию летательного аппарата с новым типом движителей. Были получены данные и сделаны наработки, которые показали, что подобные роторные системы можно использовать не только для разрабатываемого циклолета, но и при создании ветроэнергетического оборудования. Также подобные типы роторов предлагается применять как дополнительные или даже основные движители различных летательных аппаратов», — рассказывает руководитель молодёжной лаборатории ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Александрович Дектерев.

Особенность роторов нового типа в том, что угол атаки лопастей у них постоянно меняется: при прохождении по кругу лопасть качается от отрицательного угла атаки к положительному и обратно. При этом создается тяга, направлением которой можно управлять, что повышает эффективность ротора и способствует улучшению маневренности транспорта. Например, дирижабли, на которых будет установлен такой движитель, смогут подниматься и опускаться вертикально, парировать боковые порывы ветра и вращаться вокруг своей оси. Кроме того, новая система позволит им приземляться самостоятельно, без швартовки на мачту (причальная мачта — неподвижный столб, к которому крепится дирижабль). В арктической зоне есть множество месторождений, куда трудно добраться без летательных аппаратов, поэтому актуально создание дирижаблей, с помощью которых можно будет транспортировать уголь или нефть в сложных условиях.

Циклический ротор можно использовать и в ветроэнергетических установках. Это повысит уровень автономности работы турбин — они смогут самостоятельно стартовать даже при небольшом ветре.

И в летательных аппаратах, и в ветроэнергетике используется один и тот же механизм, однако способы применения разные. «В одном случае мы крутим ротор и создаём подъёмную силу и возможность управления аппаратом, в другом он раскручивается самостоятельно под действием ветровой нагрузки либо течения реки», — объясняет Дмитрий Дектерев.

Существует два типа ветроэнергетических установок: вертикально-осевые, к ним и планируется применить циклоидальный ротор, и горизонтально-осевые. Их основное отличие в том, как расположены пропеллеры относительно земли. В горизонтально-осевых турбинах они параллельны земле, в вертикально-осевых — перпендикулярны. Кроме того, в ветроэнергетических установках с вертикальной осью генераторное оборудование находится на земле, поэтому они удобнее в эксплуатации. 

Основная проблема роторов, которые используются сейчас, — низкая эффективность. «Если говорить про ветроэнергетику, уровень максимально достижимого КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) — 59,3 %, то есть 59 % энергии ветра, попадающего на ротор, теоретически можно преобразовать в электрическую. Большинство действующих ветроэнергетических установок работают в пределах 20—40 %», — рассказывает Дмитрий Дектерев.

Другая проблема, которая снижает основные характеристики оборудования, — обледенение лопастей. Над ней также работают в ИТ СО РАН: при помощи климатических камер учёные исследуют процесс обледенения и составы, которые помогут его уменьшить. «Сейчас в нашей лаборатории собираются аэродинамические стенды и разрабатывается схема для реализации циклоидального механизма качания лопастей. Сначала будут получены характеристики ветроэнергетической установки в ее классическом исполнении, потом она будет модернизирована в циклоидальный ротор. После мы посмотрим, насколько возрастёт эффективность использования этой системы», — рассказал Дмитрий Дектерев.

Текст: Арина Бокова.
Источник: «Наука в Сибири».