Анализ влияния параметров ветроколеса вертикально-осевого типа на его энергетические свойства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.348

В. Д. БЕЛИЦКИЙ В. Л. ЛАНШАКОВ

Омский государственный технический университет

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОКОЛЕСА ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОГО ТИПА НА ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В статье приведены результаты расчетов аэродинамических характеристик ветроколеса вертикально-осевого (роторного) типа ветроэнергетической установки средней мощности и дана оценка влияния отдельных параметров колеса на его энергетические свойства.

При нарастающем энергетическом кризисе актуальность использования возобновляемых источников энергии возрастает. Одним из таких источников является энергия ветра, занимающая по своим ресурсам второе место после гидроэнергетики.

Известны различные схемы ветроэнергетических установок. Схемы с горизонтальной осью ветроколеса нашли применение в установках малой мощности. В ветроэнергетических установках средней и большой мощности целесообразно применять схему с вертикальным расположением оси ветроколеса.

Целью настоящей работы является определение основных аэродинамических характеристик вертикально-осевого ветроколеса (ВК) и анализ влияния отдельных параметров на его энергетические свойства.

В основе расчетов лежит метод предложенный В.В. Самсоновым в работе [1].

Основные допущения, принятые в расчетах:

1) лопасти прямолинейные, параллельные оси вращения. Концевые эффекты не вносят существенного изменения в структуру течения. Это справед-

ц

ливо, если удлинение лопасти Л = — много больше

в

единицы;

2) наветренная половина колеса аэродинамически независима от подветренной;

3) скорость потока, прошедшего через наветренную половину ветроколеса, достигает своего асимптотического значения в диаметральной плоскости, разделяющей наветренную и подветренную половины.

Введем обозначения (рис. 1):

У0 — скорость ветра;

V17, — компоненты скорости потока, проходящего через наветренную половину;

С/ - компоненты скорости потока за наветренной половиной ВК и одновременно скорость потока набегающего на подветренную половину;

У.г, и2 — компоненты скорости на подветренной половине;

~ компоненты скорости за подветренной половиной;

— относительная скорость натекания среды на лопасть;

а=<р+\р — угол атаки;

<р — угол установки лопасти;

ц/ - угол между векторами У/и (~еоК)\

Р — азимутальный угол. Коэффициенты торможения потока. Для наветренной половины

V. и, А, В.

1 V ' 1 V

О у0

для подветренной половины

V, и„ =——; = ——. ~ V 1 V е е

Предположим также, что характерные скорости связаны следующими соотношениями

V = 0 е •

е а

,-цЛ

1 2

; ип

Расчеты были выполнены для ветроколеса, имеющего следующие геометрические параметры:

Рис. 1. Схема ветроколеса вертикально-осевого типа

i

0.5

0.45 0.4 0.33

о.}

0.2}

üi

U/S

0.1

0.0} 0

: -}. b ■■-■ 0.4S la = 0.2i7l

А К

А та' V1 [X

/

V

¿у

1.6 i.S } 7,1 2,4 2%0 2.8 3 1.1 3,4 Рис. 2. График коэффициента использования ветра от быстроходности для а=0,237.

— радиус ВК R=2,85 м;

— хорда лопасти в=0,45 м;

— высота лопасти Н=5,02 м;

— угол между хордой лопасти и вектором линейной скорости лопасти <р=-4°;

— количество лопастей 1=3 шт;

— профиль лопасти NACA-0018.

При этом переменными величинами являлись скорость ветра V0, число оборотов ветроколеса п, угол установки лопасти <р и другие величины.

Кроме того, в расчетах также варьировались значения хорды лопасти и число лопастей.

В частности, были рассмотрены три варианта:

I в = 0,45м i = 3 er = 0,237

II в = 0,6 м i = 3 ст = 0,316

III в = 0,6 м i = 2 ст = 0,211

Расчеты проводились в безразмерных величинах с использованием коэффициентов:

— коэффициент заполнения сг = -^-;

2R

— коэффициент быстроходности (число модулей) toR тт

u =_, где V0 — скорость ветрового потока, со — утло-

vo

вая скорость вращения ВК;

— коэффициент использования энергии ветра

__ _ М

£ = Ми , где м =-—

Р<

-SR

Для подветренной половины (Aj+BJ )(1 -A2)=Fl ;

(VB2)

2 В,

В9

2Aj-l 2

= G2

М — момент, развиваемый

Функции И и С определяются следующими соотношениями:

для наветренной половины

* 0

Gl=

JB

J^tK («)"»(£ - CD (a)siniß -

16*R ¿V0

для подветренной стороны ITC

ifl 7" l W' F„=- J

■ ]fL (a)sin(ß -y)+CD (a)cos(ß - ^¡\dß,

iB 2f 1 W2

ветроколесом высоты Н; 5 = 2ЯН — ометаемая площадь; р — плотность воздуха.

Согласно методике, изложенной в [ 1 ] и основанной на импульсной теории, решение поставленной задачи сводится к решению следующих систем интегральных уравнений.

Для наветренной половины

(А1+В1)(1-А[ ;

(А.+В.Я-В.^С,,

G - Г * ^ • [cL (a)cos(/? -y/)-CD (a)sin[ß - y/jfiß,

гдеСи(а),Сп(а) — соответственно аэродинамические коэффициенты подъемной силы и сопротивления лопасти. Определятся по круг овым продувкам лопасти в аэродинамической трубе.

Коэффициент крутящего момента ветроколеса приближенно определяется выражением

0.5

0,4

,— 0 «0,237

/ хги

«г .¿у. / / //

А У/

/ // У

¿у

Рис. 3. График изменения коэффициента неполной энергии ветра от быстроходной для различных коэффициентов заполнения.

/ Г----- 15 м/с

/

/

/

( 12м/с

/ 4 \

Уу

м/с

30

40

50

60

70

90

90

100

110 120

40

Рис. 4. График изменения мощности на валу ветроколеса от числа оборотов для а=0,237.

Ы(кВи>)

Р3. А - 0,6 (а *= 0,116)

/

/¡5 м/с

ч 12 м/с

/ /

9м/с

У("6 м 1*--^

"(дш»)

Рис. 5. График изменения мощности на валу ветроколеса от числа оборотов для а= 0,316.

<¡=2. Ь» 0.6 Го* 0.21 о

$0 ТО '¡о 61Г' 'п 00 90 № ПО >16 № Рис. 6. График изменения мощности на валу ветроколеса от числа оборотов для а=0,211.

там) (л = ы -- й Ш

■ ш

._______Уф/с)

16 12 14 16^ Л То 22

Рис. 7. График изменения мощности на валу ветроколеса от скорости ветра для о=0,237.

те т)

щ

1=.', Ь - 0,6(о « 0,Ш)

Рис. 8. График изменения мощности на валу ветроколеса от скорости ветра для с= 0,316.

- 1

г- —{

НО --ш

—--- /

—— ------- /

N ' ми»

} —- — уу /А —

у/л к '70 — ним

1 • iO " лат

. ...

Рис. 9. График изменения мощности на валу ветроколеса от скорости ветра а- 0,211.

W

О)

2ж

siny/ - CD cos if/)dß+-

W

0)

(c^ siny/- CD cosy/)dß.

Приведенная система уравнений решается методом последовательных приближений.

Угол установки лопастей <р для заданного профиля выбираем из расчета получения максимальной мощности на валу ветроколеса. Для этого, зная коэффициент заполнения <т, строим зависимости £ (ц)при различных значениях угла <р (рис. 2).

Из рисунка видно, что коэффициент использования энергии ветра f (и) достигает своего наибольшего значения при углах установки лопасти ср — Поэтому в дальнейших расчетах принима-

ем оптимальное значение утла <р=-4°.

На рис.3 представлена зависимость <f(u ) для различных значений коэффициента заполнения у соответствующих рассматриваемым вариантам.

Сравнивая варианты I и II или варианты III и II (значения сгу вариантов / и III примерно одинаковы), видим, что увеличение er ведет к смещению сторону меньших значений быстроходности и . Максимальное значение ^практически не меняется.

Сравнение вариантов I и III показывает, что незначительное уменьшение er ведет к незначительному смещению зависимости £(ц ) в сторону большей быстроходности. Стоит отметить также тот факт, что хотя максимальное значение £ практически не изменилось, однако в варианте III наметилась тенденция к его снижению. Это дает основание сделать вывод о том, что оптимальные значения а, соответствующие максимальному значению с для (р=-4°, лежат в зоне вариантов / и II.

Полученные результаты удовлетворительно совпадают с расчетами, представленными в [3].

Перейдем далее от безразмерных величин к реальным и построим график изменения мощности на валу ветроколеса от числа оборотов N-f(n) для постоянной скорости ветра V (рис. 4-6).

Сравним варианты In III (рис. 4 и 6). Какужеотме-I ча\ось ранее, различие коэффициентов у для этих ва-

риантов незначительно, а значит, не стоит ожидать значительных смещений в реальных характеристиках.

Действительно, при V=9 м/с в варианте I (рис. 4) мощность достигает максимума при п=80 об/мин, а в варианте III это же максимальное значение мощности достигается при п=85 об/мин. Таким образом, уменьшение числа лопастей до двух и увеличение хорды лопасти до 0,6 м приводит к незначительному увеличению числа оборотов при постоянной скорости ветра.

Теперь для этих же вариантов построим зависимости N=f(Vg) при постоянном числе оборотов п (рис. 7-9). Тогда, например, для п = 90 об/мин для варианта I (рис. 7) максимум мощности N=8,7 кВт достигается при V =12,1 м/с, а для варианта Ш (рис, 9) максимум мощности приходится тоже на V=12,1м/с, но составляет уже N=7,7 кВт. Таким образом, приуменьшении числа лопастей до двух и увеличении хорды лопасти до 0,6м максимум мощности, для одного и того же числа оборотов, соответствует одинаковой скорости ветра, но уменьшается по величине.

Анализ результатов показал, что характер изменения кривых мощности ветроустановки в зависимости от числа Рейнолъдса удовлетворительно согласуются с результатами, полученными в [2].

Сравнение вариантов Яи III (рис,5 и 6) показывает, что при увеличении числа лопастей значение максимума коэффициента использования энергии ветра £ смещается в сторону меньших значений быстроходности и . Иными словами, зависимость N=f(n) смещается в сторону меньшего числа оборотов, Так, для Vg=9 м/с в варианте II (рис. 5) мощность на валу ветроколеса N=4,9 кВт достигается при п=70об/мин, а в варианте III (рис. 6) эта же мощность достигается при п—85 об/мин.

Итак, при b=const увеличение числа лопастей приводит к уменьшению числа оборотов для одной и той же скорости ветра.

Рассмотрим ситуацию, когда система управления ветроколеса поддерживает постоянное число оборотов его при различных скоростях ветра. Этот случай представлен на рис. 8 для варианта II и на рис. 9 для варианта III. Для конкретного числа оборотов ветроколеса при увеличении числа лопастей график зависимости N=f(V0) смещается вправо и вверх. Так, при п=90 об/мин для (=2 (рис. 9j максимум мощности на валу ВК N=7,7кВт достигается при скорости ветра

Уи=12,1м/с, а для ¡=3 максимальная мощность возрастает до N=11,7 кВт и достигается при скорости ветра У0=13 м/с.

Однако, если взять меньшую скорость ветра, например, У = 10 м/с, то при (=2 мощность на валу ветроколеса N=6,2 кВт, а при 1=3 мощность падает до 5,7 кВт.

Таким образом для постоянного числа оборотов ВК увеличение числа лопастей приводит к увеличению мощности при скоростях ветра превышающих расчетную. При скоростях ветра ниже расчетной мощность падает.

На основе результатов расчета и анализа влияния параметров ветроколеса на его энергетические свойства можно сделать следующие выводы.

1. Увеличение коэффициента заполнения ег смещает максимальное значение коэффициента использования энергии ветра £ в сторону меньшей быстроходности а и наоборот.

2. Уменьшение числа лопастей ВК до двух и увеличение хорды лопасти до 0,6 м (о=солв() приводит к незначительному увеличению числа оборотов при постоянной скорости ветра.

3. С уменьшением числа лопастей до двух и увеличением хорды лопасти до 0,6м максимум мощности (для одного итого же числа оборотов) соответствует той же скорости ветра, но уменьшается по величине.

4. При Ь=сопб1 увеличение числа лопастей приводит к уменьшению числа оборотов ВК при одной и той же скорости ветра.

5. Для постоянного числа оборотов ветроколеса при скоростях ветра превышающих расчетную увеличение числа лопастей приводит к увеличению мощности установки.

Результаты исследований могут быть полезны для предприятий и организаций, занимающихся разработкой ветроэнергетических установок (ПО «Полет», г. Омск).

Библиографический список

1. Самсонов В. В. Усовершенствованный метод расчета аэродинамических характеристик ветроколес вертикально-осевого типа, основанный на импульсной теории. В сб. «Промышленная аэродинамика», выпуск3(35). М.: «Машиностроение», 1988.

2. Историк Б.Л.,ШполянскийЮ.Б. Исследование характеристик вертикальной ветроэнергетической установки с аэродинамическим регулированием.// Энергетическое строительство, 1991. №3, - С. 37-39.

3. Ашрапов Ф.У., Васильев Б.А., Селеменев C.B. Метод расчета аэродинамических характеристик управляемых ветроэнергетических установок вертикалъноостноготипа.// Энергосбережение и энергообеспечение на базе возобновляемых источников энергии и нетрадиционных технологий: Матер, первой Нижеволжской науч.-практ. конференции. — Волжский, 2002 — Том 1, с. 63-81.

БЕЛИЦКИЙ Виктор Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры стандартизации и сертификации.

ЛАНШАКОВ Владимир Лазаревич, доктор технических наук, профессор той же кафедры.

УДК 533 6 он 5 в. Д. БЕЛИЦКИЙ

В. Н. БЕЛЬКОВ А. Г. КАРПЕЧЕНКО Р. В. КЕЛЕКЕЕВ В. Л. ЛАНШАКОВ

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ НЕИЗОБАРИЧЕСКИХ СТРУЙ НА НАКЛОННЫЕ ПРЕГРАДЫ

На основании анализа предшествующих работ разработана модель структуры течений, образующихся при старте ракет. Установлено, что начальная зона воздействия струи на преграду может быть разделена на две характерные области течения: изобарического смешения и градиентного течения, для которых составлены математические модели и разработаны рабочие программы, обладающие достаточным быстродействием (до 30 сек.) и приемлемой точностью (до 10 %).

При проектировании стартовых комплексов с целью обеспечения безопасного и надежного старта ракет необходимо знать закономерности аэрогазодинамических процессов, возникающих при взаимодействии струй ракетных двигателей с газоотражательными устройствами пусковых установок. Такие процессы являются характерными для комплексов различного типа: возимых и самоходных, шахтных и корабельных, космических стартовых комплексов. Достаточно подробное изучение процессов, сопутствующих старту, вызвано существенным силовым

и тепловым воздействием образующихся течений на газоотражательные устройства пусковых установок и ракеты. Это воздействие входит в число основных факторов, варьированием которых решается задача оптимизации при выборе конструктивных характеристик ракетных комплексов в целом и стартовых комплексов в частности.

Исследованию параметров газового потока, возникающего при воздействии сверхзвуковых неизобарических струй на наклонные преграды, посвящено большое количество работ, например, [1-3]. Наос-