Аэродинамика различных конфигураций лопаток ротора Савониуса



Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

В статье рассмотрены проблемы применения ветроэнергетических установок, различных назначений, с использованием электрогенератора. Проанализированы наработки научного сообщества в сфере роторных ветроэнергетических агрегатов. Подтверждена актуальность применения ветроэнергетических агрегатов для выработки электрической энергии. Определены ключевые вопросы, затрудняющие использование ветроэнергетических агрегатов в ветроэнергетике, и направления их разрешения. Приведены перспективные пути развития и условия применения ветроэнергетических агрегатов.

Ключевые слова: ветроэнергетические агрегаты, альтернативные источники энергии, ветроэнергетика, ротор Савониуса.

По опыту США, технологии ветроэнергетики активно развивались по 1930-е годы, когда около 600000 ветряных мельниц поставлялось в сельские районы с электричеством и насосными агрегатами. После повсеместного распространения электроэнергии по фермам и провинциальным городам, использование энергии ветра в США шло на убыль. К середине 1980-х годов,типичные ветровые турбины имели максимальную мощность 160 кВт [1].

Современные ветряные турбины имеют два базовых конструктива: с вертикальной осью вращения (VAWTs–VerticalAxisWindTurbine) и горизонтальной осью вращения (HAWTs–HorizonAxisWindTurbine).

Простейшая ветроэнергетическая турбина состоит из трех частей:

1. Лопасти ротора – выступают в качестве преград на пути набегающего воздушного потока. Когда воздушный поток двигает лопасти турбины, он передаёт часть своей энергии ротору.

2. Вал – ось турбины, соединенная с ротором.

3. Генератор – вырабатывает электрическую энергию [2].

В конструкциях роторных ветроэнергетических агрегатов, в качестве лопаток применяются разнообразные изогнутые поверхности. Одним из примеров такой конструкции является ротор Савониуса [3]. Лопатки этой установки имеют форму полуцилиндров, однако они размещаются не так как у карусельных ветроэнергетических установок. Как показано на рисунке 1, энергия воздушного потока используется более рационально, поэтому коэффициент использования энергии ветра у такого ветроколеса в 1,5 раза больше чем у карусельных аналогов. Данная конструкция обладает рядом преимуществ:

- низкий уровень шума;

- широкий диапазон рабочих ветров;

- малая площадь установки.

Существенным недостатком данной конструкции является низкая частота вращения ветроколеса (не более 400 об/мин).

Рис 1. Схема использования ветряного потока лопатками ротора Савониуса

Лопатки существующих лопаточных агрегатов, в зависимости от их применения, выполняемой задачей и средой эксплуатации, обладают самыми разнообразными конструкциями.

На конструктивную особенность лопатки оказывают влияние такие параметры, как плотность и вязкость среды, в которой они эксплуатируются. Следовательно, геометрические параметры лопаток гидравлических и пневматических агрегатов имеют большие различия. В связи с разностьюпроизводительности и эффективностью турбомашин, площадь поверхности лопаток пневматических машин может оказаться многократно больше лопаток гидравлических [4].

Различают 3 типа конструкций лопаток [5]:

рабочие;

спрямляющие;

поворотные.

Рис. 2. Виды лопаток: а) Рабочие; б) Спрямляющие; в) Поворотные

Помимо того, в компрессорных агрегатах могут применяться направляющие лопатки, а также входные направляющие лопатки, а в турбинных установках — сопловые лопатки и охлаждаемые.

В сельскохозяйственных районахлюбой страны сильно востребовано применение маломощных ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые отличались бы простотой конструкции и обслуживанием, для которых не важно направление ветрового потока, а также являлись бы пригодными к производству в короткие сроки и имели низкую стоимость.

Мощный ветродвигатель (ВД) имеет большие габаритные параметры, однако его можно заменить на несколько более малых, не потеряв при этом производительность. Кроме традиционных крыльчатых ВЭУ и их ортогональных разновидностей известны и ВД, принципиально отличающиеся от них своим простым кинематическим построением [6]. Среди таковых выделяются ветродвигатели карусельного и роторного класса, у которых ветроколеса установлены на вертикальных осях. Они совершают единственно простейшее вращательное движение и не требуют применения дополнительных устройств ориентации «на ветер», что очень существенно для приземных потоков [7]. Это крайне важно, поскольку такие ветродвигатели могут работать в условиях «некачественного» ветрового режима: малоскоростного, быстро изменяющегося по направлению – рыскающего ветра с турбулентным характером движения воздушных потоков. Такими свойствами и обладает приземный ветер, а, следовательно, нет необходимости устанавливать такие ветродвигатели на высоких и дорогих башнях. Такие ВД наиболее просты в эксплуатации. Их конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы [8].

Рис.3. Ветродвигатели карусельного класса:1 - вертикальный вал; 2 - центальный барабан; 3 - лопасти; 4 - эжектор; 5 - направляющий аппарат-статор

С увеличением нагрузки угловая скорость уменьшается, а полезный от ветра вращающий момент возрастает вплоть до полной остановки ветроколеса. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Поэтому, в отличие от крыльчатых, такие ВД свободно запускаются «на ход» даже при малой скорости ветра. Примечательно, что эти ВЭУ тихоходны и им не страшны бури и ураганы. Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество по сравнению с традиционными ветряками. К классу карусельных относят ВД, у которых нерабочие лопасти, двигающиеся навстречу ветру,либо прикрываются ширмой (заслонкой), либо каким-либо образом располагаются (ориентируются) ребром против ветра во флюгерное положение. Исторически существует много теоретических конструкций подобных устройств, но практическая реализация таких ветродвигателей в последнее время малоизвестна [9].

У ВД класса роторных (лопастных) жесткие рабочие лопасти имеют изогнутые формы. У такого ротора коэффициенты аэродинамического сопротивления потоку ветра для направленных в сторону вращения вокруг единой оси лицевых выпуклых и противоположно ориентированных тыльных вогнутых сторон лопаток отличаются друг от друга по величине. При напоре ветра определяется появление крутящего момента из-за неуравновешенности сил, возникающих на тыльных и лицевых сторонах этих противоположно относительно оси вращения разнесенных лопастей и определение работоспособности известных ветродвигателей вне зависимости от горизонтального направления движения потока воздуха без применения каких-либо дополнительных ориентирующих устройств. Кроме силы аэродинамического сопротивления известный ветряк приводится в движение за счет подъемной силы, возникающей за счет потоков ветра, обтекающего его выпуклые лицевые стороны. При этом на выпуклых поверхностях лопастей турбины создается зона разряжения, а на вогнутых поверхностях – зона повышенного давления [10].

Среди множества конструкций таких преобразователей энергии наиболее известны конструкции щелевых ВД Савониуса или винтроторов (ξ = 0,18), предложенных в 1926 году финским инженером Савониусом.

Как известно энергия ветра используется человеком с давних времен.В настоящее время лидером здесь является Европа. В Европе наибольшее распространение получили ветроустановки пропеллерного типа [11].

Применение же ветряков подобного типа во многих областях Российской Федерации не целесообразно. По данным, предоставленным Метеорологической учебной станцией ГОУ ОГУ средняя годовая скорость ветра составляет от 3 до 5 м/с, что не противоречит данным, взятым с карты распределения ветров на территории России. Но для эффективной работы ветряков пропеллерного типа нужен так называемый сильный ветер, т.е. ветер со скоростью более 10 м/с. Это обстоятельство говорит о необходимости применения либо многолопастного ветряка или использовать парус [12].

Так как ветер в некоторых регионах носит характер порывистого, то применение многолопастного ветряка очень затруднено, в силу того, что при достаточно сильном порыве ветра может произойти слом башни и т.п., чтобы этого не происходило необходимо использовать дополнительные приспособления (например, автоматическую систему защиты от ураганного ветра AutoFurl) или увеличивать габариты для увеличения прочности, либо применять более прочные материалы. Все вышесказанное приводит к удорожанию конструкции. Поэтому наиболее эффективным будет применения парусного ветряка. Ветряки этого типа вырабатывают электроэнергию даже при скоростях ветра менее 3 м/с, а при порывах производят их утилизацию. При этом ветряки этого типа могут быть как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Если рассматривать ветряк с вертикальной осью вращения, тоздесь наиболее выгодным является применение ротора Савониуса в гирлянде [13].

Выгодность объясняется тем, что гирлянда представляет собой несколько роторов Савониуса, насаженных на одну ось и повернутых друг относительно друга на некоторый угол, что обеспечивает снижение противодействия ветру и уменьшению толчков (пульсаций) во время вращения. Ктому же роторы подобного типа имеют коэффициент использования энергии ветра в пределах 30 … 35 % [14]. Если использовать подобную конструкцию в бытовых условиях, то она будет вырабатывать небольшую мощность. Но для потребителей больший интерес представляют ветродвигатели небольшой мощности: они более дешевы, легки в эксплуатации, их можно располагать на территории предприятия, у себя во дворе, так как они не занимают большой площади. Поэтому нужен такой элемент, который использовал бы полученную электроэнергию эффективно [15].

Из анализа патентов и научных статей можно сделать вывод, что к такому элементу можно отнести вихревой теплогенератор Потапова, позволяющий эффективно использовать энергию ветра.

Литература:

1. Соломин Е. В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология, 2010, № 1. С. 10-15.
2. Воронин С. М., Бабина Л. В. Работа ветроустановки при изменении направления ветра // Альтернативная энергетика и экология, 2010. – № 1. – С. 98-100.
3. Беляков П. Ю., Доильницын В. В., Гончаров В. Н., Сапронов Н. В. Математическое моделирование ветроэнергетической установки с ротором циклоидного типа // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды межвузовской студенческой научно-технической конференции; Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2001.
4. Zijlema M. On the construction of third-order accurate TVD scheme using Leonards normalized variable diagram with application to turbulent flows in general domains // Delft University of Technology: Technical Report DUT-TWI-94-104. - 1994. - 25 с.
5. Редчиц Д. А. Алгоритм численного решения двумерных течений несжимаемой жидкости на основе уравнений Навье-Стокса и его верификация // ВесникДнепропетровського университета. Механика. – 2004. – Вып. 8. – Т. 1. – № 6. – С. 67-75.
6. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Численное моделирование нестационарного течения в следе за цилиндром на основе уравнений Навье-Стокса // Прикладная гидромеханика. – 2005. – Т. 7. – № 1. – С. 56-71.
7. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Численное моделирование эффекта Магнуса на основе уравнений Навье-Стокса // ВестникДнеропетровского университета. Механика. – 2005. – Т. 1. – № 7. – С. 40-60.
8. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Численное моделирование дозвукового обтекания осциллирующего профиля на основе уравнений Навье-Стокса // Техническая механика. – 2006. – № 1. – С. 104-114.
9. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Компьютерное моделирование аэродинамики подвижных роторов ветроагрегатов Дарье и Савониуса // Аэрогидродинамика: проблемы и перспективы. – 2006. – Т. 2. – С. 120-142.
10. Brochier G., Fraunie P., BeguierС.,Paraschivoiu I. Water channel experiments of dynamic stall on Darrieus wind turbine blades // Journal Propulsion. – 1986. –№. 2(5). –С. 445-449.
11. Blackwell B.F., Sheldahl RE., Feltz L.V. Wind tunnel performance data for two- and three-bucket Savonius Rotors // Sandia National Laboratories Albuquerque. SAND76-0131. – 1976. –С. 105.
12. Rung Т., Bunge U., Schatz ML, Thiele F. Restatement of the Spalart-Allmaras eddy-viscosity model in strain-adaptive formulation // AIAA Journal. – 2003. –№. 4 (7). - С. 1396-1399.
13. Rogers S.E., Kwak D. An upwind differencing scheme for the time-accurate incompressible Navier- Stokes equations // AIAA Journal. – 1990. –№. 28(2). –С. 253-262.
14. Templin R.J. Aerodynamic performance theory for the NRC vertical-axis wind turbine // National Research Council of Canada. Rep. LTR-160. – 1974. –С. 185.
15. Strickland J.H. A vortex model of the Darrieus turbine: an analytical and experimental study // Sandia laboratories report SAND79-7058. – 1980. –С. 253.