Ветроустановки с ортогональным ротором: обзор основных проблем, целесообразность применения в условиях слабого ветрового потока и пути совершенствования их конструкции



Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8

Рассмотрены ветроустановки с ортогональным ротором, основные проблемы, такие как неравномерность вращения и проблема запуска. Описаны наиболее рациональные пути решения геометрии конструкции.

Ключевые слова: ортогональные роторы, ветроэнергетика, двухъярусный ротор, решетчатые крылья.

В настоящее время все большее внимание уделяют вопросу возобновляемых источников энергии (ВЭУ) и их месту в энергосистеме государства. Одной из перспективных ветвей развития данной области является применение установок, преобразующих ветровую энергию в электрическую. По использованию, эксплуатации и проектированию данных установок накоплен богатый опыт. Вопросы по проблемам энергетики и экологии регулярно обсуждаются на заседаниях правительств государств и решение этих вопросов не представляется без широкого применения экологически чистых ВЭУ. Так, с течением времени ветроустановки получают все более широкое распространение для получения электроэнергии.

В данной статье хотелось бы объективно представить проблему, осветить картину в целом, чего на сегодняшний день достигли в области ветроустановок и обосновать их актуальность применения также и в областях малых ветровых потоков.

Лидирующее положение занимают конструкции пропеллерного типа, – горизонтально-осевые ветроэнергетические установки (ВЭУ). Дальнейшее совершенствование конструкции пропеллерного типа проблемно и необходимо задуматься об альтернативных типах установок для развития ветроэнергетики. По мнению специалистов [1, 2], разработка ВЭУ с вертикальной осью вращения является наиболее перспективным решением.

Установки в основном рассчитаны на территории со значительными скоростями ветрового потока, и, как правило, не предназначались для работы на малых скоростях. В связи с этим стоит задача выбора иной структуры и параметров установки, для возможности работы при небольших скоростях ветрового потока.

Еще в 1929 г. Савониус разработал ротор с S-образными лопастями, позже Дарье – с изогнутыми. В 1975 г. после, Масгроув предложил изогнутые лопасти ротора Дарье заменить прямыми. Вращающий момент на S-образном роторе возникает вследствие разности сил сопротивлений лопастей. Для такого типа ротора коэффициент использования энергии не больше 20%, что тормозит широкое применение на практике. На роторах Дарье - Масгроува принцип несколько иной. Так была приведена аналогия между машущим крылом и ветроколесом. На лопасти данного ротора действуют пульсирующий поток, подобно потоку машущего крыла [3].

Данный поток вращает ротор за счет создаваемых им сил тяг. И для данного типа ротора коэффициент использования ветровой энергии уже может достигать свыше 40%, что не уступает горизонтально-осевым ветроустановкам пропеллерного типа.

а)б)в)

Рис. 1. a) Ротор Савониуса, б) Ротор Дарье в) Ротор Дарье с прямыми лопастями

Особенностью ортогонального ротора является одинаковое совершение работы, вне зависимости от направления подачи ветрового потока. При этом не нужно ориентировать систему, устанавливая дополнительные механизмы, что существенно упрощает конструкцию.

Но вместе с преимуществами, есть и ряд проблем, для которых необходимо найти решение. Для более эффективного использования энергии ветрового потока требуется выбрать лучшие параметры конструкции и для роторов с прямыми лопастями решить проблему запуска.

Рассмотрим ортогональный ротор с прямыми лопастями. У него сравнительно низкая быстроходность по сравнению с пропеллерными ВЭУ, приблизительно в 2-3 раза ниже. Следовательно, роторы данного типа существенно расширяют диапазон ветровых потоков, при которых установки будут работать с максимальным использованием ветровой энергии. Также положительным моментом данных ВЭУ является возможность установки генератора и ротора на одном валу, что уменьшает потери и повышает надежность конструкции.

Как говорилось выше, была выдвинута гипотеза между машущим крылом и ротором Дарье. При рабочем режиме, лопасти ротора обтекаются нестационарным потоком, так же как и машущее крыло – основной двигатель в природе. Сила тяги, создаваемая потоком зависит от геометрии лопасти(крыла), пульсации потока и амплитуды. Она действует на лопасти, создавая аэродинамический момент, который заставляет вращать ротор. Сравнивая ротор данного типа с машущим крылом, можно предположить, что его КПД может достигать значения, близкого к единице, т. к. в период миграции насекомые и птицы преодолевают большие расстояния с минимальной затратой своего «биологического топлива».

Эксперимент показал, что сила тяги, колеблющегося крыла, зависит от его относительной толщины [4]. При испытании использовались симметричные крылья с разной относительной толщиной c = 0,06; 0,09; 0,12; 0,15; 0,18; 0,21, удлинением λ = 2, и хордой b = 0,15 м. Крылья выполняли поступательные колебания перпендикулярно хорде по гармоническому закону с амплитудой A = b и A = 0,7b. При увеличении относительной толщины с 6 до 21 %, увеличивалась сила тяги в четыре раза, что можно объясняется нестационарным обтеканием крыльев. Максимального значения достигли при относительной толщине крыла c = 0,21. Обратим внимание, что данную относительную толщину (18–20 %) имеет хвостовой плавник дельфина [5].

Аналогия между машущим крылом и лопастями ортогонального ротора также не осталась без внимания при учете воздействия внешней среды на ротор Савониуса, а именно набегающего потока, со значительной пульсацией скорости по величине и направлению. С целью повышения эффективности использования ветровой энергии, синтезирована конструкция ВЭУ с дополнительными поворотными элементами, которые образуют профиль решетчатой лопасти, защищенную патентом РФ [6]. Преимущество данной схемы заключается в том, что наряду с силой сопротивления используется подъемная сила – подобная лопасть взаимодействует с набегающим потоком аналогично решетчатому крылу [7].

В зависимости от расположения лопастей ротора, их количества и геометрии зависят плавность и равномерность его вращения. Они в свою очередь оказывают воздействие на эффективность работы. Например, при использовании установки с двумя лопастями (ротора Савониуса) (Рисунок 2), возникает значительная разница мощности, снимаемой в 2 момента времени: когда лопасти перпендикулярны направлению ветрового потока и когда они расположены вдоль него. Это приводит к неравномерности хода ротора. При увеличении лопастей возникает их взаимное затенение, в результате чего энергия ветрового потока используется неэффективно [8].

Так, предложена конструкция ВЭУ, ротор которой состоит из решетчатых лопастей.

Рис. 2.Схемы ротора Саваониуса (а) и ветроустановки с решетчатыми лопастями (б)

В работе [8], при постоянной скорости ветрового потока и некоторых допущениях, расчеты показали, что использование в ветроустановке решетчатых крыльев дает коэффициент неравномерности вращения равный 0,03, без внесения изменений в конструкцию. А для получения в роторе Савониуса такого же коэффициента вращения необходимо было бы применять маховик, момент инерции которого превышал бы в 9,5 раз момент инерции всего ротора.

Коэффициент использования энергии ветра для ротора Савониуса сравнительно не большой, поэтому для увеличения скорости набегающего потока целесообразно использовать ускорители, которые делятся конфузоры дифузоры и системы, объединяющие эти два типа ускорителей. Одним из примета таких конструкций является ВЭУ с вихреобразующими концентрационно-направляющими элементами.

Концентрационно-направляющие элементы представляют собой цилиндрическое кольцо с шестью равномерно расположенными вертикальными прорезями (воздушными щелями) и шестью вертикально примыкающими к кольцу в зоне прорезей плоских аэродинамических экранов щитов, причем щиты монтируются в плоскости, совпадающей с касательной к окружности кольца, а прорезь располагается в вершине фигуры (угла), образованной щитом и кольцом [9].

Рис. 3. Ветроустановка с концентрационно-направляющими элементами

В данном примере, рассмотрена установка со шнековой турбиной, разработанная для повышения эффективности преобразования энергии ветра.

Предлагаемая модель, за счет применения воздухозаборных каналов и улучшенной аэродинамики обеспечивает высокую эффективность и большую единичную мощность [10].

Рис. 4. Ветросиловая установка со шнековой турбиной

В воздухозаборные каналы 3 поступает поток воздуха. Решетки клапанов 4 открываются и пропускают воздушный поток, который поступает в воздухопроводы 5 и 6. Из воздухопровода 6 (нижнего яруса), поток поступает в полость башни через торцевое башенное отверстие 9 и из воздухопровода 5 (верхнего яруса) через воздушные каналы 7. При данной комбинации увеличивается мощность подаваемого потока, действующего на шнековую турбину. В настоящее время количество патентов по установкам с концентраторами перевалил за 300 штук. Проблемой является то, что применение из них нашли только единицы.

Еще одной проблемой корректной работы ВЭУ является ее запуск. При вращении ортогонального ротора, на его лопасти действует пульсирующий ветровой поток, создаются силы тяги, и в итоге вращающий аэродинамический момент поддерживающий его движение. Но для выхода на рабочий режим ротор необходимо раскрутить. Применение устройства принудительной раскрутки малопривлекательна, т. к. усложняется конструкция ВЭУ, требуются дополнительные затраты. Для самостоятельной раскрутки ротора одним из оптимальных решений является переход к двухъярусной конструкции (Рисунок 5).

Рис. 5. Исследуемые двухъярусные роторы. 1 – 6-лопастной, 2 – 4-лопастной

Так, в работе [11] были проведены экспериментальные исследования роторов с двумя и тремя лопастями в каждом ярусе. В ходе работы авторы меняли частоту вращения и ширину лопастей, получив в итоге вывод о том, что с увеличением ширины рабочей лопасти аэродинамический момент возрастает.

Большое внимание так же уделяется влиянию траверс на аэродинамику конструкций ветроколес.

Потери мощности потока, возникающие из-за вращения траверс, были определены для всех моделей, они достигали высоких значений (до 40%), и имели одинаковый порядок для каждой установки. Основными причинами, вызывающими эти потери, являются отрывное обтекание траверс и силы вязкого трения. Эти потери по-разному ведут себя при различной геометрии конструкций. В модельных испытаниях и натурных условиях характеристики они будут различны, так что для реальных конструкций можно ожидать потери, в следствии вращения траверс, несколько меньше лабораторных.

Вывод. Проведенные исследования показывают большие перспективы ветроэнергетических установок с ортогональным ротором. Эти установки работают при любом направлении ветрового потока и не требуют устройств ориентации. При определенных конструкционных доработках могут иметь высокий уровень энергетических характеристик, не уступающий лучшим образцам ВЭУ пропеллерного типа. Основными направлениями улучшения характеристик является применение многоярусности, совершенствование конструкций траверс и применение ускорителей потока.

Литература:

1. Галась М. И., Дымковец Ю. П., Акаев Н. А. и др. О целесообразности создания вертикально-осевых ветроэлектрических установок мегаваттного класса // Энерг. стр-во. – 1991. – № 3. – С. 33–37.
2. Турян К. Дж., Стрикленд Дж. Х., Берг Д. Э. Мощность ветроэлектрических агрегатов с вертикальной осью вращения // Аэрокосм. техника. – 1988. – № 8. – С. 105–121.
3. 3.Горелов Д. Н. Проблемы аэродинамики ветроколеса Дарье// Теплофизика и аэромеханика. Т. 10. – 2003. – №1. – С. 47-51.
4. Гребешов Э. П.,Сагоян О. А. Гидродинамические характеристики колеблющегося крыла, выполняющего функции несущего элемента и двигателя // Тр. центр. аэрогидродинам. ин-та. Вып. 1725. – 1976. – С. 3–30.
5. Горелов Д. Н. Аналогия между машущим крылом и ветроколесом с вертикальной осью вращения// Прикладная механика и техническая физика. Т. 10 – 2009. – № 2. – С. 152−155.
6. Пат. на полезную модель 90850 РФ, МПК F03D 7/06. Ротор ветродвигателя / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев. – № 2009128668/22 ; Заявлено 24.07.2009. – Опубл. 20.01.2010. – Бюл. № 2. – 2 с.
7. Решетчатые крылья / под ред. С. М. Белоцерковского. – М.: Машиностроение, 1985. – 320 с.
8. Пушкарев А. Э, Пушкарева Л. А. Динамический синтез ветроустановки, работающей в области малых скоростных потоков // Современное машиностроение. Наука и образование. – 2011 – №1. –С. 347-351.
9. Пат. на полезную модель 2043536 РФ / Ветроэнергетическая установка / В. Ф. Раковский; Заявлено 07.05.1990.
10. Пат. на полезную модель 2024781 РФ / Ветросиловая установка / В. С. Боцвин; Заявлено 28.03.1991.
11. Горелов Д. Н., Вьюгов В. В., Кривоспицкий В. П. Экспериментальное исследование двухъярусного ротора Дарье // Теплофизика и аэромеханика. Т.12. – 2005. – № 2. С. 243–248.