Разработка алгоритма расчета аэродинамических сил, действующих на криволинейный контур на режиме отрывного обтекания с целью выбора конструкции ротора Савониуса



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

Потребление энергии, а вместе с ним и ее стоимость увеличиваются во всем мире, и наша страна здесь не исключение. Но ресурсы планеты истощаются, все большую тревогу вызывает состояние экологии. Вот почему постоянно растет интерес к нетрадиционным, экологически чистым источникам энергии — ветру.

В настоящее время наиболее развивающейся технологией использования возобновляемых источников энергии является ветроэнергетика. Ветроэнергетика является одним из приоритетных направлений развития отечественной энергетики. Это отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Актуальность развития ветроэнергетики обусловлена следующими факторами:

- наличием огромного ветроэнергетического потенциала, позволяющего довести годовую выработку электроэнергии на ВЭС до нескольких миллиардов киловатт в час;

- большим количеством потребителей с малым электропотреблением, удаленных от централизованного электроснабжения;

- наличием сильно развитой и разветвленной сети напряжением 6–35 кВ;

- неблагоприятным режимом работы существующих протяженных радиальных ВЛ.

- высоким удельным электропотреблением на одного жителя;

- научно-техническим и производственным кадровым потенциалом;

- ухудшением состояния окружающей среды и выполнением экологической программы;

- тенденцией прогрессирующего увеличения топливной составляющей в себестоимости электроэнергии.

Интерес к развитию ветроэнергетики объясняется следующими факторами:

- возобновляемый ресурс энергии, не зависящий от цен на топливо;

- отсутствие выбросов вредных веществ и парниковых газов;

- развитый мировой рынок ветроустановок;

- конкурентная стоимость установленной мощности (долл. США);

- короткие сроки строительства ВЭС с адаптацией мощности ВЭС к требуемой нагрузке;

- возможность децентрализованного обеспечения электроэнергией для отдаленных районов;

- поддержание социально-экономического развития и энергетической безопасности;

- механизмы финансовой поддержки проектов.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) можно разделить на две основные группы: с горизонтальной и вертикальной осями вращения ротора. Для небольших хозяйств и бытовых нужд выгодно использовать вертикально-осевые установки, в частности ВЭУ с ротором Савониуса, т. к. они имеют простую конструкцию, не требуют ориентации на ветер и обладают большим начальным моментом [1].

В 1931 г. Савониус предложил конструкцию вертикально-осевого ротора с S-образной формой лопастей. Несмотря на малый коэффициент полезного действия, данный ротор представляет несомненный практический интерес. Экспериментальному исследованию ротора Савониуса посвящено много работ. Наиболее полны результаты приведены в работе Моди Фернандо [2]. Ротор Савониуса — это самые тихоходные установки, и как следствие имеют низкий КИЭВ. Функцию лопастей выполняют две цилиндрические поверхности. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку лопастями ротора. Для ротора Савониуса присущи большие пусковые крутящие моменты, работа при относительно низких скоростях ветрах (3–5 м/сек) и относительно высокая технологичность производства. Недостатками ротора Савониуса являются:

— более малая эффективность работы лопастной системы;

— большая материалоемкость;

— низкий коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ около 15 %).

Из существующих типов роторов Савониуса наиболее распространенными являются замкнутые и щелевые с двумя и тремя лопастями. Роторы Савониуса состоят из двух или трех полуцилиндров.

Разница в сопротивлении потоку ветра полуцилиндров создает крутящий момент. И хотя они недорогие и просты в изготовлении по сравнению с другими типами турбин, тем не менее, они имеют серьезные недостатки. Роторы Савониуса требуют не только много материала для изготовления лопастей на единицу площади, ометаемой ротором, но и коэффициент использования энергии ветра C_P (коэффициент мощности) у них мал по сравнению с остальными ветроэнергетическими установками.

Преимущество — большой момент трогания. Так же они не нуждается в устройствах ориентирования по ветру, что сильно упрощает конструкцию; небольшая занимаемая площадь. На сегодняшний день роторы Савониуса производятся в диапазоне мощностей до 5 кВт [3]. Также можно использовать в качестве анемометров, измеряющих скорость ветрового потока, а также в качестве стартеров для больших ветротурбин.

Все существующие ветроустановки (ВЭУ) преобразуют энергию ветра в механическую энергию с помощью ветроприемного устройства (ветроколеса). Главным элементом этого устройства являются лопасти, которые при воздействии на них воздушного потока создают вращающий момент. Поэтому эффективность любой ветроустановки будет зависеть от количества лопастей, а также от их формы.

В ветротурбинах этого типа ветровой поток оказывает силовое воздействие по направлению своего движения на поверхность лопастей ветроколеса таким же образом, как ветер действует на парус, заставляя плыть лодку. Из этого можно сделать простой вывод о том, что поверхности, на которые ветровой поток оказывает воздействие, не могут двигаться быстрее самого ветрового потока.

Основные принципы аэродинамики:

1. Поток. Поток воздуха определяется количеством молекул, пересекающих перпендикулярную потоку единичную поверхность за единицу времени.

2. Мощность ветрового потока. Мощность ветрового потока пропорциональна плотности воздуха, площади поперечного сечения потока и скорости ветра в третьей степени. В силу кубической зависимости от скорости мощность ветра является крайне непостоянной величиной, изменяющейся в широких пределах.

3. Динамическое давление.

4. Давление ветра. Поток ветра создает давление на поверхности, встречающейся на его пути.

5. Располагаемая мощность. Из основ электротехники известно, что максимальная мощность, которую можно получить от источника ЭДС, имеющего выходное напряжение V и обладающего внутренним сопротивлением R_s, составляет V² /(4R_s). Это возможно, когда сопротивление нагрузки R_L равно внутреннему сопротивлению источника ЭДС R_s. Аналогичная ситуация имеет место и при преобразовании энергии ветра. Если ветер натекает на неподвижное ветроколесо, генерируемая мощность равна нулю. При отсутствии внешней нагрузки на ротор ветроколеса полезная мощность также будет равняться нулю, так как в этом случае ветроколесо не оказывает силового сопротивления ветровому потоку.

6. Эффективность ветротурбины. Эффективность ветротурбины определяется как отношение мощности Р_D, отбираемой на нагрузку, к располагаемой мощности ветрового потока. В хорошо спроектированных ветротурбинах эффективность достигает значения 0,7.

Рабочие лопатки ветротурбины могут быть:

— прямыми вертикальными;

— изогнутые по дуге.

В качестве профиля лопастей выбирается симметричный аэродинамический профиль типа ЦАГИ, NACA и т. д. с известными аэродинамическими характеристиками [4].

Рис. 1. Геометрические параметры ротора Савониуса

Для аэродинамического расчёта должны быть заданы [5]:

— число лопастей;

— число шагов при численном интегрировании по углу;

— среднегодовая скорость ветра;

— относительная хорда профиля в долях наружного радиуса ветроколеса;

— число точек вспомогательной быстроходности;

— начальное и конечное значение вспомогательной быстроходности;

— коэффициент абсциссы рабочей точки;

— номинальная мощность;

— электрический и механический КПД;

— плотность воздуха;

— задаваемое малое положительное число;

— относительная величина половины высоты ветроколеса в долях радиуса;

— количество шагов при численном интегрировании по высоте лопасти;

— угол наклона лопастей для варианта прямых наклонных лопастей.

Порядок расчёта представлен на рис. 2. Полный расчёт аэродинамических сил со всеми формулами представлен в работах Кривцова В. С. И др. [5].

Рис. 2. Алгоритм расчёта аэродинамических сил

Данный метод построен на представлении силы, действующей на ветроколесо в направлении ветра, как проекции на направлении ветра реакции от суммарного воздействия на каждую элементарную лопасть подъёмной силы и силы аэродинамического сопротивления профиля. Коэффициенты подъёмной силы С_уa и силы сопротивления С_ха в зависимости от угла атаки в скоростной системе координат задаются в виде исходных данных. По данному методы сила, направленная по потоку, может быть выражена через двойной интеграл по переменным:

— по азимутальному углу положения элементарной лопатки при вращении;

— по высоте положения элементарной лопатки.

В результате этого получаем зависимости коэффициентов мощности и момента от коэффициента быстроходности [6–8].

Этот тип турбин с точки зрения их стоимостной эффективности не оправдывает себя, за исключением случаев с очень низкой мощностью для производства электроэнергии, и в дальнейшем они будут рассматриваться в качестве вспомогательных роторов для обеспечения стартового крутящего момента для роторов Дарье.

Литература:

1. Ветроэнергетика / под ред. Д. де Рензо; пер. с англ.; под ред. Я. И. Шефтера. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 272 с.
2. Моди Фернандо. Характеристики ветродвигателя Савониуса // Современное машиностроение. — 1989. — № 10. — С. 139–148.
3. Дайчман Р. А. Эффективность выбора современных ветрогенераторов // Апробация. –2015. — № 12 (39). — С. 24–26.
4. Абрамовский Е. Р, Городько С. В., Свиридов Н. А. Аэродинамика ветродвигателей. — Днепропетровск: Издательство Днепропетровского университета, 1987. — 219 с.
5. Кривцов В. С., Олейников А. М., Яковлев А. И. Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика:учебник. — Харьков: Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2004. — 519 с.
6. Яковлев А. И., Затучная М. А., Головчинер И. Г., Зайкин А. А. Прогнозирование мощностных и моментных характеристик ветроколес с вертикальной осью вращения и различными аэродинамическими профилями рабочих лопастей // Нетрадиционные источники, передающие системы и преобразование энергии. — Харьков: «Харьковский авиационный институт», 1997. — С. 111–115.
7. Яковлев А. И., Затучная М. А. Расчёт ветротурбин с вертикальной осью вращения: Учеб. пособие. — Харьков: Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2002. — 61 с.
8. Яковлев А. И., Затучная М. А. Энергетические характеристики ветротурбин с вертикальной осью вращения // Авиационно-космическая техника и технология. — Харьков: «Харьковский авиационный институт», 1997.—Вып.7. — С. 98–102.