Оптимизация форм геометрии раструба ветроэнергетической установки типа "ротор в раструбе"

Автор: Костюков Владимир Александрович, Медведев Михаил Юрьевич, Маевский Андрей Николаевич, Полуянович Николай Константинович, Савченко Василий Владимирович

Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu

Рубрика: Машиностроение и машиноведение

Статья в выпуске: 4 (91) т.17, 2017 года.

Бесплатный доступ

Введение. В статье рассматриваются метод и результаты аэродинамического исследования вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ) с осесимметричным статором. Цель работы - демонстрация перспективности использования вертикально-осевых ветроэнергетических установок указанного типа в народном хозяйстве. Материалы и методы. Для выполнения поставленных задач использовался метод виртуальной аэродинамической обдувки и соответствующей оптимизации конструкции по заданному критерию. В рамках указанного метода выполнены численные аэродинамические исследования одиночного ротора заданного типа, а также рассматриваемой системы «ротор + раструб» до и после оптимизации при заданных параметрах невозмущенного потока и вращения ротора. При сопоставлении мощности полученной оптимизированной конструкции ВЭУ с аналогами при прочих равных условиях использован метод аэродинамического подобия. Результаты исследования. Получены характерные картины аэродинамического обтекания исследованного типа ВЭУ до и после оптимизации. Рассмотрены характерные распределения скалярных и векторных полей при заданных параметрах невозмущенного потока и вращения ротора. Построены графики зависимостей от линейной скорости набегающего потока для проекций момента на валу ротора (при стандартной и оптимизированной формах ВЭУ), а также для соответствующих полезной и побочной мощностей. Проведено сравнение по мощности рассматриваемой оптимизированной ВЭУ с аналогами при прочих равных условиях. Обсуждение и заключения. Показана перспективность использования вертикально-осевых ВЭУ с осесимметричным статором, предназначенным для создания полезной интерференции с ротором с целью увеличения полезной мощности на валу. Такие ветроэнергетические установки не только не уступают, но и могут превосходить, по крайней мере в среднем, соответствующие классические вертикально-осевые конструкции.

Еще

Ветроэнергетическая установка с осесимметричным статором, полезная аэродинамическая мощность, оптимизированная конструкция, распределения аэродинамических полей, сравнение по мощности с аналогом

Короткий адрес: https://sciup.org/142211895

IDR: 142211895   |   DOI: 10.23947/1992-5980-2017-17-4-61-68

Текст научной статьи Оптимизация форм геометрии раструба ветроэнергетической установки типа "ротор в раструбе"

Введение. Проблема повышения эффективности существующих ветроэнергетических установок (ВУ), состоит в том, что имеющееся на сегодняшний день оборудование ограниченно использует энергию ветра. Проблема не может быть решена без аэродинамических исследований, направленных на определение оптимальных по эффективности геометрических форм роторов и статоров ВУ, а в перспективе — их комплексов. При этом, безусловно, должны учитываться заданные природные, технологические ограничения и лимит себестоимости.

В последнее время распространяется использование ВУ, имеющих ротор не репеллерного (горизонтального), а вертикального типа. При этом диаметр ВУ может быть увеличен (без пропорционального роста себестоимости) до значительно больших размеров, чем допускает конструкция с горизонтальной осью вращения.

Известны усовершенствованные конструкции ВУ с ротором Дарье, не уступающие ВУ с горизонтальноосевыми роторами [1, 2]. Изначальная форма этого ротора представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках. На каждое из крыльев, движущихся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между векторами скоростей потока вращающегося крыла.

В [3] предложена установка планетарного типа, работающая на основе эффекта Магнуса [4] следующим образом: дополнительную подъемную силу создают вращающиеся вокруг своей оси цилиндрические элементы ротора — сателлиты. Они расположены центрально симметрично, равномерно по периметру ротора и приводятся во вращение дополнительными электродвигателями. Суммарная подъемная сила всех сателлитов порождает соответствующий осевой момент вращения ротора.

За счет использования специальных направляющих элементов конструкции статора (лопаточного направляющего аппарата и двухзаходной улитки) удается добиться направленности потока в окрестности ротора практически перпендикулярно его оси по радиусу вращения. При этом, как замечает автор [4], удается достичь полезной мощности, в два-три раза превышающей соответствующую мощность классических ВУ при прочих равных условиях.

В работе рассматривается перспективный вариант повышения эффективности использования энергии ветра — компоновка ВУ вместе со специальным обтекателем. Простейшей такой компоновкой, давно и широко используемой в воздухоплавании, авиации и мореходном деле, является ротор в кольце. При этом значительно уменьшаются потери, вызванные отрывом потока на концах лопастей [5]. Кроме того, использование вместе с кольцом еще и выходного устройства (раструба) приводит к значительному уменьшению минимальной скорости запуска ротора (до 45% от скорости ветра).

Анализ ветровых роторов с направлением набегающего потока параллельно оси вращения показал, что использование определенных форм раструбов приводит к значительному повышению (до 40% по сравнению со случаем одиночного ротора) максимального значения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ), хотя соответствующий удельный коэффициент, полученный нормировкой на площадь Миделева сечения потока, меньше, чем для случая отдельного ротора.

При этом случай ортогональной ориентации обдувающего потока по отношению к оси ротора в кольце до сих пор в должной мере не рассматривался. Тем более не были рассмотрены случаи компоновки с выходными обтекателями различных типов.

В связи с этим представляется актуальным решение задачи о влиянии формы и размеров раструба на роторы ветроколес с вертикальной осью вращения, когда набегающий ветровой поток примерно ортогонален этой оси.

Идея использования раструба заключается в возникновении вертикальной силы тяги за счет перепада давления между верхней и нижней частями раструба в силу закона Бернулли. Данный перепад может быть использован при проектировании такой формы ротора, которая более эффективно использовала бы вертикальный поток.

С другой стороны, над одиночным ротором возникает вихревая структура, которая сносится по набегающему потоку ветра. В результате большая часть энергии этой структуры просто рассеивается. Наличие же раструба, осесимметричного ротору, может способствовать локализации энергии этого вихря внутри раструба над ротором и уменьшению скорости его рассеивания. Благодаря этому появляется возможность более эффективно использовать эту энергию ротором при решении задачи оптимизации форм ротора [6], раструба и их ориентации.

Основная часть. Базовое множество форм раструба насчитывало 5 различных геометрий раструба и компоновок его с ротором. В результате исследования, проведенного по алгоритму [7], была получена геометрия раструба, оптимальная с точки зрения заданного критерия и заданной совокупности базовых форм. Ниже рассматриваются некоторые характерные распределения аэродинамических величин для трех случаев: ротора без раструба, роторов с раструбами первоначальной и оптимизированной форм. Для этих случаев были использованы следующие условия: скорость потока V = 28 м/c, угловая скорость вращения ротора f = 6,28 рад/с, гравитация учитывалась .

Моделирование аэродинамики ВУ проводилось методом скользящих сеток. Число ячеек комплексной сетки, состоящей из подвижной и вращающейся частей, насчитывало порядка 1,2 млн элементов. В качестве модели турбулентности была выбрана модель Спаларта — Алмараса. Эта модель дает хорошие результаты для пограничных слоев, характеризующихся положительными градиентами давлений.

Обдувка без раструба. Рассмотрим результаты для обдувки одиночного ротора заданной формы. В результате расчета воздействующий на ротор момент оказался равным: M ( Mx , My , Mz ) = (–4,65; 3,83; 5,83), Н·м.

На рис. 1 представлены характерные распределения статического избыточного давления ( а ) и модуля вектора скорости ( b ).

а )

b )

Рис. 1. Характерные распределения для случая одиночного ротора: распределение статического избыточного давления в плоскости OXY (направление набегающего потока на рисунке — справа налево) ( а ); скоростное распределение в плоскости OXY ( b )

Fig. 1. Representative distributions for single rotor case: static pressurization distribution in OXY plane (wind-stream direction in the figure is from right to left) (a); high-speed distribution in OXY plane (b)

Обдувка ротора с раструбом исходной формы. Результаты исследования аэродинамической нагрузки для исходной формы раструба представлены на рис. 2.

а )

b )

Рис. 2. Характерные распределения для случая системы «ротор + раструб» исходной формы: распределение модуля скорости в плоскости, параллельной OXZ и смещенной на 0,2 м в отрицательном направлении оси OY ( а ); распределение модуля скорости в плоскости OXY , в которой лежит вектор скорости невозмущенного потока ветра ( V wx = 3 м / с , Vwy = Vwz = 0 ) ( b )

Fig. 2. Representative distributions for “rotor + socket” system of natural form: velocity modulus distribution in plane parallel to OXZ and displaced by 0.2 m in negative OY -axis direction (a); velocity modulus distribution in OXY plane in which the velocity freestream vector lies ( V wx = 3 м / с , V wy = V wz = 0 ) (b)

Воздействующий на ротор момент оказался равным:

M ( Mx , My , Mz ) = (– 0,74; 2,01; 0,833), Н·м.

Значения этих проекций приведены в базовой системе координат на рис. 2.

На рис. 3 показано распределение избыточного статического давления в плоскости OXY .

Машиностроение и машиноведение

Рис. 3. Распределение избыточного статического давления в плоскости OXY

Fig. 3. Static pressurization distribution in OXY plane

Учитывая изложенное, можно сделать следующий вывод. Распределения модуля скоростей в плоскости OXZ во внешней части раструба качественно соответствуют обтеканию цилиндра (рис. 2, а ), а во внутренней области соответствуют картине обтекания вращающихся многолопастных структур. Кроме того, из рис. 2 следует, что изменение модуля скорости вдоль оси OY во внутренней области раструба и его внешней окрестности значительно и требует дополнительного изучения с целью обеспечения большего разрешения потоковых и вихревых структур.

Очевидно, что вихревая структура над ротором в значительной степени сносится по направлению набегающего потока (рис. 2, б ).

Эффект Бернулли вызывает дополнительную вертикальную тягу вверх, что способно значительно усилить вращательное воздействие на лопасти крыльчатки ротора заданной формы. Однако из распределения статического давления (рис. 3) следует, что при данных исходных форме и размерах раструба перепад давлений между верхней и нижней частями раструба недостаточен для его продуктивного использования.

Результаты оптимизации формы раструба. По разработанному алгоритму была проведена оптимизация исходной формы раструба, которая позволила увеличить на 25 % вращающий аэродинамический момент, а, следовательно, и полезную мощность, возникающие на роторе при одних и тех же условиях ( Vw1 = 10 м / с , ю = 6,28 рад / с ) по сравнению со случаем без раструба. Эти ключевые результаты сведены в таблице 1.

Таблица 1

Table 1 Сравнительные результаты для трех характерных случаев ВУ

Comparative results for three typical cases of WPP

Расчетная величина Момент силы (Н·м) при различных конструкциях раструба Без раструба С первоначальным раструбом С оптимизированным раструбом Mx 4,65 0,74 4,10 Mz 5,83 0,833 2,84 My 3,83 2,01 4,65

Первоначальная форма раструба обеспечивает вращающий момент, примерно в два раза меньший, чем в случае без раструба. Это говорит о степени влияния формы раструба на вращающий осевой момент ротора: при модификации этот момент увеличивается на 125 % по сравнению с исходными формой и компоновкой раструба.

На рис. 4 приведены характерные распределения для случая системы «ротор + раструб» оптимизированной формы.

а )                                                                              b )

Рис. 4. Характерные распределения для случая системы «ротор + раструб» оптимизированной формы: распределение избыточного статического давления в плоскости OXY ( а ); распределение модуля скорости в плоскости OXY ( b )

Fig. 4. Representative distributions for “rotor + socket” system of optimized form: static pressurization distribution in OXY plane (a); velocity modulus distribution in OXY plane (b)

Как видно из рис. 4, а , распределение статического избыточного давления по вертикали внутри раструба становится более неравномерным, что усиливает вертикальную тягу и повышает эффективность использования данной формы ротора. Наличие раструба также приводит к значительному увеличению доли составляющей момента My (табл.1) по отношению к Mx и Mz , т. е. по сравнению со случаем без раструба (для обеих рассмотренных его форм) отмечается уменьшение по модулю отношений Mx / My , MzIMy . Это способствует снижению паразитного воздействия на ось ротора и росту устойчивости всей конструкции ВУ.

Полученные результаты показывают, что наличие раструба определенной формы позволяет увеличить значение аэродинамической мощности одиночного ротора минимум на 25 %.

Расчет аэродинамической мощности оптимизированной ВУ. Выполним расчет мощностей полученной оптимальной формы ВУ с имеющимся аналогом ВУ классического типа. Для этого сопоставим вычисленное значение момента My для полученной оптимальной формы установки с параметрами описанной в [3] ВЭУ-500 Днепропетровского КБ «Южное»:

— мощность — 500 кВт;

— расчетная скорость ветра — 12,9 м/с;

— диаметр винта D 2 = 38,3 м;

  • —    расстояние от основания до оси ветроколеса — 35 м;

  • —    масса ветроагрегата — 48 т.

Полезная мощность оптимизированной ВУ, рассмотренной выше, может быть рассчитана по формуле

P = M y ( VW , Ю) - Ю red У gen) ,                                               (1)

где (n red ), (n gen ) — средние величины КПД редуктора и генератора, значения которых принадлежат, как правило, следующим диапазонам: n red = 0,9 ^ 0,95, n gen = 0,7 ^ 0,9 [8-10].

Если бы установка имела диаметр D 2 , то вращающий момент, порождаемый ею при скорости V w 2 = 12,9 м / с и угловой скорости вращения ротора ю = 6,28 рад / с , был бы равен [10]:

P 2 = / ( D 2I D , ) 3 ( Vw 2 / VW1 ) 2 = 1034 кВт .                                          (2)

Здесь с достаточной для практики точностью предположено, что безразмерный коэффициент момента вращения при таком масштабировании не изменяется.

Таким образом, если бы ротор полученной нами оптимальной формы ВУ имел диаметр D 2 и весьма небольшую угловую скорость вращения ю = 6,28 рад / с , то эта установка имела бы выходную мощность, более чем в два раза превышающую соответствующую мощность описанной в [3] ВУ классического типа при стандартных условиях ее функционирования.

Из рис. 5 видно, что значение момента M y существенно увеличивается при переходе порога скорости в 20 м/с за счет изначально разработанной конструкции раструба.

Машиностроение и машиноведение

M , N * m

V, m/s

а )

b )

c )

Рис. 5. График зависимостей: моментов ( M x , M y , M y ) стандартной формы ВУ от линейной скорости V набегающего потока ( а );

моментов ( M x , M y , M z ) оптимизированной формы ВУ от линейной скорости V набегающего потока ( b ); аэродинамических мощностей P стандартной и оптимизированной формы от скорости V набегающего потока ( c )

Fig. 5. Dependency graph: moments ( Mx , My , My ) of WPP standard form on linear velocity V of free-stream flow (a); moments ( Mx , My , Mz ) of WPP optimized form on linear velocity V of free-stream flow (b); aerodynamic capacities P of WPP standard and optimized forms on free-stream flow velocity V (c)

Из графиков также видно, что несущественным образом изменяются моменты M x и M z . Это показывает, что большая часть силы ветра, воздействующей на ВУ по осям OX и OZ, используется в результате вращения ВУ.

Рассмотрим результаты моделирования ВУ с оптимизированной геометрией (рис. 5, б). Оптимизация геометрии позволила увеличить аэродинамический момент на роторе ВУ более чем в 2 раза. Также из графика видно, что в данном случае увеличиваются моменты Mx Mz. Это значит, что часть энергии, получаемая от силы ветра, рассеива- ется и не используется ВУ. Таким образом, ожидаемым результатом дальнейшей оптимизации формы является существенное уменьшение разброса энергии ветра и его концентрация на вращательном моменте My . На рис. 5, в представлен график зависимости рассчитанной аэродинамической мощности стандартной и оптимизированной ВУ.

Итак, разработанная оптимизированная ВУ демонстрирует существенное (более чем в 2,5 раза) увеличение вырабатываемой мощности (рис. 5). При средней скорости 8–10 м/с разработанная ВУ будет вырабатывать от 900 Вт/ч до 1,5 кВт/ч.

Выводы. Полученные результаты показывают, что использование оптимизированных форм раструбов ВУ является перспективным и не уступает в эффективности формам, рассмотренным в [1–4]. При этом значительно уменьшаются потери, вызванные отрывом потока на концах лопастей [5]. Кроме того, использование вместе с кольцом еще и выходного устройства (раструба) приводит к значительному уменьшению минимальной скорости запуска ротора (до 45 % от скорости ветра). Использование определенных форм раструбов позволяет существенно (до 40% по сравнению со случаем одиночного ротора) повысить значение коэффициента использования энергии ветра.

Использование раструба позволяет создать вертикальную силу тяги за счет перепада давлений между верхней и нижней частями раструба по закону Бернулли. Данный перепад может быть использован при проектировании такой формы ротора, при которой вертикальный поток используется более эффективно. Получены оптимальные формы раструба при заданном роторе и соответствующая компоновка усовершенствованного раструба с ротором. Их применение обеспечивает максимальное среднее значение полезной аэродинамической мощности ветрового потока ротора на заданном диапазоне ветровых нагрузок. Распределение статического избыточного давления по вертикали внутри раструба становится менее равномерным, что усиливает вертикальную тягу и повышает эффективность использования данной формы ротора (рис. 4). Раструб значительно увеличивает долю составляющей момента My по отношению к Mx и Mz , т. е. происходит уменьшение по модулю отношений Mx / My , Mz / My в сравнении со случаем без раструба для обеих рассмотренных его форм (рис. 4). Это способствует уменьшению паразитного воздействия на ось ротора и повышению устойчивости всей конструкции ВУ.

Список литературы Оптимизация форм геометрии раструба ветроэнергетической установки типа "ротор в раструбе"

  • Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии/Дж. Твайделл, А. Уэйр. -Москва: Энергоатомиздат, 1990. -392 с.
  • Горелов, Д. Н. Энергетические характеристики ротора Дарье/Д. Н. Горелов//Теплофизика и аэромеханика. -2010. -Т. 17, № 3. -С. 325-333.
  • Михненков, Л. В. Ветроэнергетическая станция планетарного типа/Л. В. Михненков//Научный вестник МГТУ. -2008. -№ 125. -С. 16-24.
  • Михненков, Л. В. Ветроэнергетическая установка планетарного типа/Л. В. Михненков//Научный вестник МГТУ. -2002. -№ 49. -С. 110-113.
  • Хаскин, Л. Я. Аэродинамика ветроколеса с обтекателем и выходным устройством/Л. Я. Хаскин//Ученые записки ЦАГИ. -1993. -Т. 24, № 4. -С. 217-222.
  • Устройство для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию: патент 2552635 Рос. Федерация: F03D3/04/В. В. Савченко, В. С. Степанов. -№ 2013144670; заявл. 07.10.13; зарегистр. 08.05.15; опубл. 10.06.15, Бюл. № 16. -4 с.
  • Юрьев, Б. Н. Аэродинамический расчет вертолетов/Б. Н. Юрьев -Москва: Государственное издательство оборонной промышленности, 1956. -176 с.
  • Петров, К. П. Аэродинамика тел простейших форм/К. П. Петров. -Москва: Факториал, 1998. -231 с.
  • Краснов, Н. Ф. Аэродинамика. Часть 1. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла/Н. Ф. Краснов. -Москва: Высшая школа, 1976. -255 с.
  • Дубяго, М. Н. Оценка и прогнозирование изоляционных материалов силовых кабельных линий/М. Н. Дубяго, Н. К. Полуянович, В. Х. Пшихопов//Известия ЮФУ. Технические науки. -2015. -№ 7 (168). -С. 230-237.
Еще
Статья научная