Unikatna domača rešitev za planiški vetrovnik

Izdelati vetrovnik, v katerem bi lahko sočasno trenirali skakalci in padalci, se je pred dobrim letom zdel nemogoč izziv za slovensko znanost in industrijo. Takšnega vetrovnika namreč ni razvil še nihče na svetu. Izziv sta uspešno rešila ljubljanska strojna fakulteta, ki ji je na modelu uspelo doseči optimalne zračne tokove, rešitve pa je uporabilo podjetje Kolektor Koling pri gradnji vetrovnika v Planici.

Kako se je Fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani lotila projekta vetrovnika, ki je del Nordijskega centra v Planici, je za Znanost pojasnil dekan fakultete prof. dr. Brane Širok. K projektu vetrovnika jih je februarja lani povabilo podjetje Kolektor Koling, ki je kot izvajalec projekta moralo na ključ pripraviti tudi projektno dokumentacijo in zgraditi vetrovnik.

Kolektor Koling in laboratorij za vodne in turbinske stroje na fakulteti sta skupaj pripravila dokumentacijo in razvila tehnične rešitve. Določila sta obliko pretočnega trakta vetrovnika in vgrajene pogonske ventilatorje. Dekan dr. Širok, ki je tudi vodja omenjenega laboratorija, je sestavil skupino raziskovalcev za razvoj modela vetrovnika, pri izvedbi pa so sodelovali še študentje. Model vetrovnika so predstavili na nedavnem sejmu izobraževanja in poklicev Informativa v Ljubljani.

Matematični izračuni in fizični model so postali osnova za gradnjo planiškega vetrovnika. Ta je že zgrajen, a padalci in skakalci v njem še ne trenirajo, ker potekajo preizkusne študije tokovnih razmer v vetrovniku in s tem povezane modifikacije pretočnega trakta. So ga pa že preizkusili prvi padalci in skakalci, ki so preverili lebdenje v vetrovniku.

Dr. Širok, od kod ideja o vetrovniku za skakalce in padalce v eni stavbi, glede na to, da takšnega vetrovnika ni zgradil še nihče?

Vetrovnik za sočasni trening skakalcev in padalcev si je zamislil direktor Nordijskega centra Planica Jelko Gros. Če pogledamo vetrovnike po svetu, je bila njegova ideja vizionarska. V nobenem namreč ni mogoč trening padalcev in skakalcev hkrati. Zdaj so po svetu posebni vetrovniki samo za padalce in ločeni samo za skakalce.

Zakaj pa so vas povabili k sodelovanju tako pozno, ko so gradbena dela že potekala?

Izvajalec inženirskih in gradbenih del Kolektor Koling nas je povabil k sodelovanju na začetku preteklega leta. Treba je bilo optimirati pretočne razmere, ki so praviloma odvisne od aerodinamskih karakteristik kanalov vetrovnika. Prav tako je bilo treba določiti ventilatorje z minimalno potrebno električno močjo za doseganje funkcionalnih pogojev vetrovnika. Razvoj se je začel na izhodiščni obliki kanalov, ki jih je določil naročnik Kolektor Koling s potrebno električno močjo ventilatorjev 4 megavatov. V okviru naše študije pa se je razvoj končal z aerodinamsko optimirano obliko pretočnih kanalov z doseženo potrebno močjo ventilatorjev 2 MW. Ob tem so se ohranile vse gradbene karakteristike objekta, ki so jih določili arhitekti.

Kako ste se lotili naloge?

Iskali smo optimalne rešitve v okviru zasnovane geometrije vetrovnika in zračnih kanalov znotraj zgradbe. Z numeričnimi izračuni smo ugotavljali »šibke« točke vetrovnika in jih potem popravljali, dokler nismo dosegli projektnih ciljev. Da bi bili pri modeliranju učinkovitejši, smo izdelali vodni model vetrovnika, na katerem smo lahko izvajali simulacije različnih tokovnih pojavov v njem. Tak pristop nam je omogočal, da smo vzpostavili podobno dinamiko toka na vodnem modelu, ki je značilno manjši od izvedbe vetrovnika v Planici.

Kakšne rešitve ste predlagali?

Oblike kanalov vetrovnika so bile pogojene z rešitvami zgradbe v Planici. Prav tako je bila zahteva po izvedbi zaprtega vetrovnika z vgrajeno horizontalno in vertikalno sekcijo. Obe dejstvi sta značilno vplivali na oblikovanje kanalov in določitev pogonskih ventilatorjev.

V vetrovniku sta namreč dva ventilatorja, ki vzpostavljata zračni tok in omogočata doseganje zahtevanih hitrostnih razmer v obeh skakalnih sekcijah.

Tehnična rešitev vetrovnika je prav zaradi možnosti sočasnega skakanja v obeh sekcijah unikaten primer. Velja poudariti, da je z možnostjo uvajanja novih funkcionalnih značilnosti odprta možnost nadgradnje različnih študij, namenjenih skakalcem in padalcem.

Kako usmerjate zračni tok in kje so morebitne pasti?

Ventilator poganja zračni tok po cevovodnem sistemu iz enega dela vetrovnika v drugega, iz horizontalnega v vertikalni del. Če so zračni kanali slabo oblikovani, je zračni tok turbulenten. To pomeni, da so v njem oscilacije hitrostnega polja, zato nas premetava, podobno kot pri poletu z letalom v turbulentnem ozračju. Vemo, da je polet miren, kadar letimo v homogenem zračnem polju. Enako je pri vetrovniku, kjer lahko padalec ali skakalec lepo lebdita, če je zračno polje homogeno.

Kako pa deluje vaš vodni model?

Model vetrovnika je izdelan v merilu 1 : 36, kot medij pa je namesto zraka uporabljena voda, in sicer zato, da bi izpolnili pogoje geometrijske, kinematične in dinamične podobnosti. Tok vode v modelu ženeta dva ladijska vijaka, ki simulirata ventilatorje v realnem vetrovniku. Na izvedbi vetrovnika pa ventilatorje poganjata elektromotorja nazivne moči 2 MW.

Tok vode zapušča črpalki in vstopa v dva kanala, ki se postopoma združita v kanal eliptičnega preseka. Ta se nadaljuje v 90-stopinjsko koleno in se konča na vstopu v vertikalnem delu vetrovnika, namenjenem padalcem. Na izstopu iz vertikalnega kanala se začne 180-stopinjsko, za njim pa še 90-stopinjsko koleno, ki se konča v horizontalni skakalni sekciji. Nazadnje se ta tok konča v povratnem kanalu vetrovnika.

In v čem je prednost simulacij na vodnem modelu vetrovnika?

Modelne raziskave zapletenih aerohidrodinamskih pojavov imajo še vedno značilno prednost pred numeričnim modeliranjem, če gledamo predvsem računske čase in določanje ustreznih robnih in začetnih pogojev. Prav to nas je vodilo k modelni študiji na realnem fizičnem modelu ob upoštevanju aerohidrodinamske podobnosti med modelom in izvedbo vetrovnika.

Pri tem želim poudariti, da je študija interakcije med gibajočimi se telesi in tokom fluida v primeru modelne študije enostavna in hitra. Daje mnogotere odgovore, povezane tako s samim vetrovnikom kot s skakalci in padalci. Prav to je ključno za razvoj metod spremljanja gibanja skakalcev, njihovega treniranja in razvoja opreme.

Ustvarjanje pogojev za trening pomeni, da mora zračni tok v vetrovniku doseči primerno hitrost. Kakšno?

V vertikalnem delu je hitrost zračnega toka od 180 do 230 kilometrov na uro, hitrost v horizontalnem delu pa od 110 do 130 km/h. Te hitrosti so podobne hitrostim v realnosti. Ko smučarski skakalec odskoči, je njegova hitrost pri odskoku približno 120 km/h, hitrost padalca pa približno 200 kilometrov na uro.

Omenili ste, da v vetrovniku potekajo še manjše korekcije. Kaj boste dodali?

Prihodnji mesec bomo izvedli še nekaj korekcij, ki bodo vodile h končni funkcionalnosti vetrovnika. Z izboljšavami bi radi dosegli takšno kakovost, da bo planiški vetrovnik najboljši v Evropi.