Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями

Представлены результаты исследований в аэродинамической трубе по определению влияния управления углом установки лопасти относительно траверсы во время вращения ветроротора типа Дарье с прямыми лопастями на его мощностные и моментные характеристики. Показана способность ветроротора с управляемыми лоп...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Каян, В.П., Лебедь, А.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут гідромеханіки НАН України 2010
Schriftenreihe:	Прикладна гідромеханіка
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87746
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями / В.П. Каян, А.Г. Лебедь // Прикладна гідромеханіка. — 2010. — Т. 12, № 4. — С. 26-35. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-87746
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-877462015-10-25T03:02:25Z Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями Каян, В.П. Лебедь, А.Г. Представлены результаты исследований в аэродинамической трубе по определению влияния управления углом установки лопасти относительно траверсы во время вращения ветроротора типа Дарье с прямыми лопастями на его мощностные и моментные характеристики. Показана способность ветроротора с управляемыми лопастями самозапускаться при очень малых скоростях набегающего на ветроротор потока и возможность значительного увеличения коэффициентов использования энергии потока и крутящего момента на валу за счет оптимизации закона управления лопастями. Наведені результати досліджень в аеродинамічній трубі по визначенню впливу керування кутом встановлення лопаті щодо траверси під час обертання вітроротору типу Дар'є з прямими лопатями на потужностні та моментні характеристики вітроротору. Показано здатність вітроротору з керованими лопаcтями самозапускатися при дуже низьких швидкостях потоку, що набігає на вітроротор, та можливість значного збільшення коефіцієнтів використання енергії потоку і крутного моменту на валу за рахунок оптимізації закону керування лопатями. Results of researches of influence of control of angle of blade installation concerning a cross-piece during verti-cal axis wind turbines (VAWT) rotation on power and torque characteristics of VAWT in wind tunnel are shown. Ability of VAWT with controled blades to selfstart at very low speeds of flow and the capability of substantial growth of operating ratios of flow energy and a torque on VAWT shaft are shown. 2010 Article Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями / В.П. Каян, А.Г. Лебедь // Прикладна гідромеханіка. — 2010. — Т. 12, № 4. — С. 26-35. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1561-9087 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87746 629.5.015.26 ru Прикладна гідромеханіка Інститут гідромеханіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Представлены результаты исследований в аэродинамической трубе по определению влияния управления углом установки лопасти относительно траверсы во время вращения ветроротора типа Дарье с прямыми лопастями на его мощностные и моментные характеристики. Показана способность ветроротора с управляемыми лопастями самозапускаться при очень малых скоростях набегающего на ветроротор потока и возможность значительного увеличения коэффициентов использования энергии потока и крутящего момента на валу за счет оптимизации закона управления лопастями.
format	Article
author	Каян, В.П. Лебедь, А.Г.
spellingShingle	Каян, В.П. Лебедь, А.Г. Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями Прикладна гідромеханіка
author_facet	Каян, В.П. Лебедь, А.Г.
author_sort	Каян, В.П.
title	Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями
title_short	Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями
title_full	Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями
title_fullStr	Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями
title_full_unstemmed	Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями
title_sort	оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора дарье с прямыми управляемыми лопастями
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87746
citation_txt	Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями / В.П. Каян, А.Г. Лебедь // Прикладна гідромеханіка. — 2010. — Т. 12, № 4. — С. 26-35. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Прикладна гідромеханіка
work_keys_str_mv	AT kaânvp optimizaciârabočihharakteristikpolnomasštabnogomaketavetrorotoradarʹesprâmymiupravlâemymilopastâmi AT lebedʹag optimizaciârabočihharakteristikpolnomasštabnogomaketavetrorotoradarʹesprâmymiupravlâemymilopastâmi
first_indexed	2025-07-06T15:25:48Z
last_indexed	2025-07-06T15:25:48Z
_version_	1836911741138632704
fulltext	ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 УДК 629.5.015.26 ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛНОМАСШТАБНОГО МАКЕТА ВЕТРОРОТОРА ДАРЬЕ С ПРЯМЫМИ УПРАВЛЯЕМЫМИ ЛОПАСТЯМИ В. П. К А Я Н ∗, А. Г. Л Е БЕ Д Ь∗∗ ∗ Институт гидромеханики НАН Украины ∗∗ Институт телекоммуникаций и глобального информационного пространства НАН Украины Получено 01.10.2009 Представлены результаты исследований в аэродинамической трубе по определению влияния управления углом уста- новки лопасти относительно траверсы во время вращения ветроротора типа Дарье с прямыми лопастями на его мощностные и моментные характеристики. Показана способность ветроротора с управляемыми лопастями самоза- пускаться при очень малых скоростях набегающего на ветроротор потока и возможность значительного увеличения коэффициентов использования энергии потока и крутящего момента на валу за счет оптимизации закона управле- ния лопастями. Наведенi результати дослiджень в аеродинамiчнiй трубi по визначенню впливу керування кутом встановлення ло- патi щодо траверси пiд час обертання вiтроротору типу Дар’є з прямими лопатями на потужностнi та моментнi характеристики вiтроротору. Показано здатнiсть вiтроротору з керованими лопаcтями самозапускатися при дуже низьких швидкостях потоку, що набiгає на вiтроротор, та можливiсть значного збiльшення коефiцiєнтiв використа- ння енергiї потоку i крутного моменту на валу за рахунок оптимiзацiї закону керування лопатями. Results of researches of influence of control of angle of blade installation concerning a cross-piece during verti-cal axis wind turbines (VAWT) rotation on power and torque characteristics of VAWT in wind tunnel are shown. Ability of VAWT with controled blades to selfstart at very low speeds of flow and the capability of substantial growth of operating ratios of flow energy and a torque on VAWT shaft are shown. ВВЕДЕНИЕ Производство энергии из возобновляемых (или альтернативных) источников на земном шаре ра- стет стремительными темпами. Одним из таких неисчерпаемых источников энергии на Земле яв- ляется ветер. Однако наиболее распространенные на сегодня ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветродви- гателя пока не могут превысить по мощности 5 – 7 МВт, что, в свою очередь, ограничивает возмож- ности снижения стоимости кВт-часа до конкурен- тоспособной величины. К примеру, самая мощная на сегодня введеная в эксплуатацию ветроустанов- ка такого типа мощностью в 5 МВт создана в Гер- мании. Длина лопасти ее ветроротора составляет 61 м, высота башни 120 м [1]. В то же время, мощность ВЭУ с вертикальной осью вращения (ВОВ) ветроротора (типа ротора Дарье, но с прямыми лопастями) может достигать, по оценкам экспертов, 10 – 30 МВт. Можно пере- числить такие преимущества этих ветроустановок как независимость функционирования от направ- ления действия ветрового потока, возможность пе- рехода от консольного крепления оси ветроротора к двухопорному, возможность размещения потре- бителя энергии (электрогенератор, насос) в осно- вании ветроустановки (снижаются требования к высоте, прочности и жесткости опоры), упрощение конструкции лопастей и снижение их материало- емкости (а значит и стоимости), уменьшение шум- ности ВЭУ и площади земельного участка для ее размещении и т. д. [2]. Кроме того, разработки по- следнего десятилетия показали, что ветророторы с ВОВ небольшой мощности могут вполне успешно функционировать на крышах отдельных зданий. Все более возрастающий интерес ученых и кон- структоров всего мира к ветроэнергетическим установкам такого типа можно проиллюстриро- вать тем, что на состоявшейся в Канаде в июне 2008 года 8 – ой Всемирной конференции по ветро- энергетике на секции "Конструкция ветроустано- вок" все доклады (из США, Канады и др.) были посвящены ветроустановкам с ВОВ с прямыми ло- пастями (сайт www.wwec 2008.com). Одним из главных недостатков ветророторов с ВОВ с жестко фиксированными относительно тра- верс лопастями являются высокая скорость ветро- вого потока, при которой происходит самозапуск ротора во вращение и более низкий коэффициент использования энергии потока. В результате про- ектировщики вынуждены снабжать такие ветро- установки дополнительными устройствами (эле- ктродвигатель, ротор Савониуса и др.) для ра- скрутки ротора и выведения его на рабочий ре- жим. 26 c© В. П. Каян, А. Г. Лебедь, 2010 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 Высокая скорость самозапуска такого ветроро- тора вызвана тем, что фиксированные жестко относительно горизонтальных траверс вертикаль- ные лопасти ротора в статическом состоянии не могут создать (при обтекании их ветровым пото- ком средней и малой скорости) необходимой ве- личины и нужного направления действия аэроди- намических сил на лопастях и, тем самым, доста- точного крутящего момента на валу для приведе- ния ротора во вращение. Применение в констру- кции ветроротора механизма управления положе- нием лопастей позволяет повернуть лопасти отно- сительно траверс так, что величина и направле- ние действия результирующей аэродинамической силы на лопастях позволяют осуществить самоза- пуск ветроротора даже при скоростях потока 3 – 4 м/сек. Кроме того, управление положением ло- пастей дает возможность значительно улучшить рабочие характеристики такого ветроротора [3], снизить в несколько раз величину аэродинамиче- ского сопротивления ветроротора [4]. 1. ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ Различают два основных вида управления ло- пастями – пассивный и активный. При пассивном управлении лопастями каждая лопасть ветророто- ра имеет возможность поворота относительно тра- версы, и если ось поворота будет находиться вбли- зи передней кромки, то аэродинамические силы (в основном подъемная сила) будут стараться повер- нуть лопасть в сторону уменьшения угла атаки α [5]. Эту же функцию (если ось поворота лопасти находится вблизи центра давления профиля лопа- сти) могут выполнять специальные грузы, кото- рые при превышении рабочей скорости вращения ветроротора (т. е. опасно возрастает центростре- мительное ускорение) также поворачивают лопа- сти в сторону уменьшения угла α. Если поставить на траверсе какие-то упругие ограничители пово- рота лопасти, то появляется возможность пассив- но регулировать углы атаки лопасти в зависимо- сти от скорости вращения ветроротора. При активном управлении лопастями углы их поворота относительно траверс в каждой точке круговой траектории определяются специальным механизмом. Первые попытки активного управ- ления лопастями ветроротора были сделаны еще в конце 70-х годов прошлого века. Так, в [6, 7] представлены результаты испытаний в аэродина- мической трубе ветророторов с ВОВ с некоторыми угловыми колебаниями лопастей относительно не- которого центрального положения на траверсе с помощью кулачковых механизмов. В [6], напри- мер, задавая разную амплитуду колебаний, авто- ры показали, что при низких значениях коэффи- циента быстроходности λp более эффективны ко- лебания лопасти с большой угловой амплитудой, а при более высоких значениях λp эффективны ко- лебания с малой амплитудой. В работе [7] приме- нялся ряд кулачков различной формы, что позво- лило исследовать работу модели ветроротора с ра- зличной формой и амплитудой угловых колебаний лопасти. Однако авторы не дали никаких предло- жений по способу реализации своих результатов. Несмотря на большое количество запатентован- ных за последние десятилетия механизмов управ- ления лопастями ветророторов с ВОВ, в литера- туре практически отсутствует информация об эк- спериментальных исследованиях таких ветророто- ров (или их моделей), ни один из авторов патен- тов не говорит о законах управления предлагае- мых ими устройств. В Институте гидромеханики НАНУ был разработан конструктивно достаточно простой механизм управления лопастями такого ветроротора и проведен цикл исследований моде- лей ветророторов в гидролотке [4, 8 - 10], которые показали высокую эффективность применения та- кого механизма управления лопастями ветророто- ра. 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИ- МЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ Модель ветроротора [8 – 10]состояла из двух па- раллельных друг другу дисковых траверс, соеди- няющего их вертикального вала и прямоугольных лопастей, продольные оси которых были парал- лельны оси вала. Модели ветророторов отлича- лись длиной лопастей и их количеством. Механизм изменения угла установки лопасти на траверсах относительно касательной к траектории кругово- го движения центра профиля лопасти в течение одного оборота ветроротора состоял из дополни- тельного диска с круговой канавкой, который ра- змещался под нижней дисковой траверсой. Этот диск мог перемещаться относительно центра вра- щения модели вдоль линии действия набегающего потока так, что появлялся некоторый эксцентри- ситет e между осью вала модели ветроротора и центром окружностей, соответствующих стенкам канавки на диске. Лопасти на нижнем торце име- ли две оси, причем передняя ось устанавливалась шарнирно на нижней траверсе, а задняя ось про- ходила свободно сквозь щель в нижней траверсе и имела на конце шарикоподшипник, который ра- змещался в канавке дополнительного диска. Таким образом, данный механизм при каждом В. П. Каян, А. Г. Лебедь 27 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 Рис. 1. Макет ветроротора в аэродинамической трубе определeнном значении эксцентриситета e обеспе- чивал строго определeнный закон изменения угла установки каждой лопасти относительно травер- сы с угловыми колебаниями лопастей относитель- но передней оси с частотой, равной частоте вра- щения модели ветроротора. Для подтверждения полученных на малых мо- делях ветроротора результатов [10] и проведения более масштабных исследований ветроротора c управляемыми лопастями в потоке воздуха в ИГМ НАНУ совместно с ООО "Продмаш" (г. Мелито- поль, Запорожская обл.) в 2006 – 2007 годах был разработан, создан и в 2007 году испытан в аэроди- намической трубе Киевского Национального ави- ационного университета макет трехлопастного ве- троротора с запатентованным ИГМ НАНУ [11 – 12] механизмом управления лопастями с ожида- емой мощностью на валу ветроротора величиной около 1 КВт. Ветроротор (рис. 1) имел следующие размеры – профиль лопасти NACA 0015 [13], длина лопа- сти l = 1.95 м; длина хорды лопасти b = 0.41 м; удлинение лопасти λ = 4.75. На нижнем торце ло- пасти силовая нервюра имела две выступающие в сторону оси вращения ветроротора проушины с отверстиями. Центр отверстия на передней про- ушине находился на расстоянии 75 мм от хорды профиля лопасти и отверстие служило для разме- щения оси поворота лопасти относительно травер- сы. Расстояние между осями в проушинах на ни- жнем торце лопасти составляло b1 = 0.145 м, или 0.1 от диаметра окружности D = 1.45 м, управля- ющей поворотом лопасти относительно траверсы. Центр отверстия на второй проушине был смещен в сторону хорды профиля лопасти таким обра- зом, что угол установки хорды профиля лопасти относительно касательной к траектории вращения в точке, отстоящей на 0.13 м от носка профиля, был равен 4◦ (при нулевом смещении управляю- щей окружности) [14, 15]. Радиус кругового вра- щения лопасти R = 0.8 м, площадь рабочего се- чения S = 3.12 м2, коэффициент заполнения ве- троротора σ = 3b/2R = 0.77, максимальная дости- гаемая величина относительного эксцентриситета ε = e/R = 0.12 (12%). Диапазон скоростей, при которых проводились исследования работы ветро- ротора, составлял 5 – 13 м/с. Размеры поперечного сечения рабочего участка аэродинамической тру- бы были B × H = 4 × 2.5 м. Для создания нагрузочного момента на валу ве- троротора использовались электромагнитные тор- мозные муфты типа INTORQ производства Ита- лии с заданным фиксированным тормозным мо- ментом на валу. Муфты располагались на верх- нем конце вспомогательного опорного вала за пре- делами рабочей части аэродинамической трубы. Там же находился двухкомпонентный тензодина- мометр для измерения взаимно перпендикуляр- ных горизонтальных сил на верхней опоре вспо- могательного вала ветроротора. Скорость враще- ния ветроротора определялась с помощью инду- ктивного бесконтактного датчика ВБИ-МО8-48У- 2111-М и тахометра. Линейные перемещения на- правляющей окружности вдоль направления дей- ствия воздушного потока осуществлялись с помо- щью электродвигателя с червячным редуктором и контролировались датчиком контроля перемеще- ний типа "Honeywell" RPN 1A 112. При проведении измерений задавались величи- ны скорости V воздушного потока в рабочей части аэродинамической трубы и величина эксцентриси- тета e центра направляющей окружности относи- тельно оси вращения ветроротора, при которой ве- личину тормозного момента M на валу ветроро- тора увеличивали от нуля (все тормозные муфты отключены) с шагом 7.5 Н·м до величины Mmax, при которой ветроротор еще мог работать с мини- мальной скоростью вращения. Следует отметить, что самозапуск ветроротора во вращение произо- шел при минимальной для данной аэродинамиче- 28 В. П. Каян, А. Г. Лебедь ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 Рис. 2. Зависимости величины скорости вращения ветроротора n от величины нагрузочного момента на валу M (а) и величины относительного эксцентриситета ε (б) при скорости потока V = 12 м/с ской трубы скорости ветрового потока V = 4.8 м/с (при этом ε было равно 0.08). Картина изменения скорости вращения ветроро- тора (количество оборотов в секунду) n при посто- янной скорости набегающего потока V и различ- ных величинах нагрузочного момента M и относи- тельного эксцентриситета ε представлена на рис. 2. При малых величинах эксцентриситета ε или его отсутствии (ε = 0÷0.02) небольшое увеличение на- грузочного момента на валу ветроротора приводит к быстрому снижению скорости вращения ветро- ротора и к его остановке (рис. 2, а), при оптималь- ной величине ε = 0.05 наблюдается максималь- ная скорость вращения при максимальном нагру- зочном моменте, т. е. производимая ветроротором мощность максимальна. На рис. 2, б показана за- висимость величины n от величины эксцентриси- тета ε управляющей окружности при различных фиксированных значениях нагрузочного момента на валу ветроротора M . При некоторой величине относительного эксцен- триситета εopt (для конкретной скорости ветрово- го потока и фиксированной величины нагрузочно- Рис. 3. Зависимости масимальных величин скорости вращения ветроротора nmax от величин относительного эксцентриситета ε = e/R и нагрузочного момента M при различных скоростях потока V (линии 1− 4 обозначают M= 10; 25; 40; и 55 Нм соответственно) го момента) достигается максимально возможная мощность на валу ветроротора, которая определя- ется как Pmax = 2πMnmax, (1) где nmax соответствует максимальной скорости вращения при определенной величине момента M . На рис. 2, б максимальная мощность достига- ется при максимальном рабочем моменте на ва- лу M = 62 Н·м и скорости вращения ветроротора n = 1.7 об/с. Величина относительного эксцентри- ситета εopt управляющей окружности равна при этом 0.05. Характер представленных кривых n(ε) убедительно показывает, что для любой возмо- жной для данного ветроротора величины нагрузо- чного момента на валу M существует определен- ная величина относительного эксцентриситета ε, при которой скорость вращения ветроротора ма- ксимальна, а значит и максимальна при данном нагрузочном моменте производимая ветроротором мощность. Если точки, соответствующие максимумам кри- вых на рис. 2, б, соединить, то оказывается, что они очень хорошо укладываются на одну линию, весьма близкую по форме к прямой. На рис. 3 по- казаны такие линии (т. е. зависимости nmax от ве- личин оптимального относительного эксцентриси- тета εopt = eoptR и нагрузочного момента на валу ветроротора M) при нескольких величинах скоро- сти V набегающего потока. Оказалось, что если соединить точки с одной и той же величиной на- грузочного момента на валу при разных скоростях набегающего потока, то они также располагаются на линиях, довольно близких по форме к прямым (рис. 3). По сути эти линии показывают, какую при данной скорости ветра нужно установить величи- В. П. Каян, А. Г. Лебедь 29 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 ну относительного эксцентриситета управляющей окружности, чтобы получить максимальную мощ- ность на валу при необходимом значении либо ско- рости вращения ветроротора, либо крутящего мо- мента на его валу. 3. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРОРОТОРА Рабочие характеристики ветроротора определя- лись следующим образом: коэффициент использования энергии потока Cp = 2P/ρV 3S, (2) где P = 2πnM – полезная мощность, развивае- мая ротором; ρ – плотность воздуха; S = 2Rl – площадь рабочего сечения ветроротора; коэффициент крутящего момента Cm = Cp/λp, (3) где λp = 2πnR/V – коэффициент быстроходно- сти, который в физическом плане показывает со- отношение скоростей – окружной скорости лопа- сти Vокр = 2πnR и скорости набегающего на ве- троротор воздушного потока V . Зависимости величины коэффициента исполь- зования энергии потока Cp и коэффициента кру- тящего момента Cm от величины коэффициента быстроходности λp при различных фиксирован- ных значениях относительного эксцентриситета ε представлены на рис. 4. Хорошо видно, что в данном случае максималь- ная величина Cp достигается при ε = 0.04 и λp = 0.9, а максимальная величина Cm – при ε = 0.06 и λp = 0.8 (т. е. для ветроротора с управляемыми лопастями получено увеличение на 70% коэффициентов Cpmax и Cmmax относительно тех же характеристик для ветроротора с неуправ- ляемыми лопастями). Необходимо отметить, что при проектировании макета ветроротора на заводе были допущены некоторые конструкторские про- счеты, в результате чего конструкция макета ве- троротора получилась очень тяжелой с достаточ- но большим моментом сопротивления вращению. Этот тормозящий момент привел, в свою очередь, к снижению величины коэффициента быстрохо- дности ветроротора и абсолютных значений коэф- фициентов Cpmax и Cmmax . Более иллюстративно влияние величины отно- сительного эксцентриситета ε управляющей окру- жности на рабочие характеристики ветроротора при определенной скорости набегающего потока V Рис. 4. Зависимости величин коэффициентов использования энергии потока Cp (а) и крутящего момента Cm (б) от коэффициента быстроходности λp при различных значениях относительного эксцентриситета ε (скорость потока V = 13 м/с) показано на рис. 5. Хорошо видно, что все графи- ки зависимостей Cp(ε) и Cm(ε) имеют явно выра- женные максимумы для всех представленных на графиках величин коэффициента быстроходности λp с абсолютным максимумом при одном и том же значении ε = 0.05 для случая наименьшего значения λp = 0.8. С возрастанием величины ко- эффициента быстроходности ветроротора (в дан- ном случае при V = const это эквивалентно возра- станию скорости вращения ветроротора, связанно- го с уменьшением нагрузочного момента на валу ветроротора) этот максимум достигается при все меньшей величине относительного эксцентрисите- та ε управляющей окружности. Зависимости величин максимальной мощности Pmax, вычесленных из (1), на валу ветроротора от величины относительного эксцентриситета ε при различных скоростях набегающего потока V пред- ставлены на рис. 6. 30 В. П. Каян, А. Г. Лебедь ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 Рис. 5. Зависимости величин коэффициентов использования энергии потока Cp (а) и крутящего момента Cm (б) ветроротора от величины относительного эксцентриситета ε при различных значениях коэффициента быстроходности λp (скорость потока V = 12 м/с) Штриховыми линиями 1–8 на гра- фике соединены точки с одинако- вой величиной нагрузочного момента M = 2.5; 10; 17.5; 25; 32, 5; 40; 47.5; 55 Н·м. Максимумы на кривых зависимостей Pmax(εopt), соответствующих указанным на рисунке скоро- стям набегающего потока, лежат практически на одной линии Popt, которая показывает, какой надо установить величину эксцентриситета e, чтобы при любой скорости ветрового потока получить на этом ветророторе максимум выходной мощности. Полученные нами характеристики трехлопа- стного ветроротора с механизмом управления лопастями можно сравнить с характеристиками близкого ему по геометрическим размерам дву- хлопастного ветроротора с жестко закрепленными на траверсах лопастями со следующими геометри- ческими размерами: l = 2.55 м; b = 0.4 м; площадь рабочего сечения ротора S = 7.65 м2. Испытания Рис. 6. Зависимости величины вырабатываемой на валу ветроротора мощности Pmax от величины относительного эксцентриситета εopt и величины момента M при V = various этого ветроротора проводились в конце 80-х годов как в аэродинамической трубе ЦАГИ, так и на по- лигоне в натурных условиях [16]. При скорости по- тока V = 11 м/с на таком ветророторе удалось получить 65 Вт с 1м2 площади рабочего сечения ветроротора в аэродинамической трубе и 85 Вт – в натурных условиях. Соответствующий показатель для нашего ветроротора в аэродинамической тру- бе составил 170 Вт, т. е. в 2.5 раза больше, а при скорости потока в трубе V = 13 м/с мы получили 300 Вт с 1 м2. 4. ПОЛУЭМПИРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАКЕТА ВЕТРОРОТОРА Для анализа закономерностей изменения полу- ченных в эксперименте результатов был проведен расчет кинематики движения отдельной лопасти на разных режимах ее кругового движения и на его основе проделан качественный анализ мгно- венных сил и моментов, действующих как на от- дельную лопасть, так и на ротор в целом. Известно, что при движении профиля лопа- сти по круговой траектории на его наветренной поверхности наблюдается постоянное изменение вдоль хорды угла атаки α [5], поэтому для упро- щения расчетов за угол атаки на рассматриваемом профиле принимался угол между хордой профиля лопасти (с учетом угла установки лопасти относи- тельно траверсы, задаваемого смещением управ- ляющей окружности) и вектором относительной скорости Vотн в точке, отстоящей на расстоянии 0.32b от носика профиля. Вектор относительной скорости определялся как векторная разность ско- рости V невозмущенного потока, набегающего на ротор, и линейной скорости Vокр движения про- В. П. Каян, А. Г. Лебедь 31 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 Рис. 7. Зависимости величины угла атаки α для единичной лопасти макета ветроротора от азимутального угла поворота β лопасти относительно его центральной оси вращения филя по окружности. При заведомой условности такого квазистационарного подхода он позволяет провести качественный анализ величин возникаю- щих на лопасти аэродинамических сил. На рис. 7 показано изменение мгновенных вели- чин углов атаки α лопасти в зависимости от ази- мутального угла поворота ветроротора β относи- тельно центральной оси вращения макета ветро- ротора при величине коэффициента быстроходно- сти λp = 1 и величинах относительного эксцен- триситета ε = 0; 0.06; 0.12. Начальная точка оси абсцисс β = 90◦ соответствует крайнему боково- му положению лопасти, когда она идет навстречу набегающему потоку, точка β = 0◦ соответству- ет крайнему положению лопасти на наветренной части траектории, точка β = −90◦ соответствует крайнему боковому положению лопасти, когда она идет вдогонку за набегающим потоком, и точка β = 180◦(−180◦) соответствует крайнему положе- нию лопасти на подветренной части траектории. Анализ графиков на рис. 7 показывает, что при ε = 0 (вариант ветроротора с жестко фиксиро- ванными относительно траверс лопастями с углом установки лопасти 4◦ [14, 15] относительно каса- тельной к круговой траектории в точке крепле- ния лопасти к траверсе – в нашем случае в точке крепления передней оси лопасти) значительную часть наветренного участка круговой траектории (до 130◦) профиль лопасти проходит при закри- тических углах атаки (т. е. при отрывном обтека- нии). На этих участках возникающая на лопасти подъeмная сила, дающая положительный вклад в общий момент вращения ротора, резко падает, а лобовое сопротивление, дающее (как правило) отрицательный вклад, резко возрастает (рис. 8), что приводит к значительному снижению вели- чины аэродинамического качества профиля K = Cy/Cx. Смещение управляющей окружности до некото- Рис. 8. Зависимости Cy(α) для профиля NACA0015 при числах Re = (0.8− 7.0) × 105 [13] рой оптимальной величины (например до ε = 0.06) приводит к возникновению переменного угла уста- новки профиля лопасти по отношению к траверсе на круговой траектории движения лопасти, что, в свою очередь, приводит к уменьшению протя- женности участков траектории с закритическими углами атаки лопасти (до 80◦) и увеличению про- тяженности участков траектории с докритически- ми углами атаки. Это, в свою очередь, приводит к существенному возрастанию величины крутящего момента на валу ветроротора (рис. 9, а). Дальнейшее увеличение эксцентриситета e при- водит к снижению эффективности работы ветро- ротора, так как при этом появляются участки тра- ектории, где углы атаки близки к нулю и даже по- являются отдельные участки, где углы атаки ме- няют знак на противоположный (кривая ε = 0.12 на рис. 7), т. е. подъeмная сила меняет направле- ние действия на 180◦ и ее тангенциальная состав- ляющая начинает тормозить ветроротор. Для более наглядного рассмотрения карти- ны влияния кинематических параметров лопа- 32 В. П. Каян, А. Г. Лебедь ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 Рис. 9. Зависимости величины коэффициента Cτ для единичной лопасти макета ветроротора (a) и для трехлопастного макета ветроротора (б) от азимутального угла поворота β лопасти относительно его центральной оси вращения сти ветроротора на его рабочие характеристи- ки, с использованием квазистационарного подхода были рассчитаны подъeмная сила и лобовое сопро- тивление лопасти в различных точках траектории ее кругового движения, а также сумма проекций этих сил на касательную к окружности, т. е. ее тан- генциальная составляющая Cτ . Известно, что величина числа Рейнольдса Re = V b/ν , при котором работает крыло, суще- ственно влияет на характер зависимости Cy(α), особенно в области закритических углов атаки. На рис. 8 показаны зависимости коэффициента подъемной силы профиля Cy от угла атаки α (в дапазоне 0◦ − 45◦) крыла с профилем NACA 0015 при различных числах Re, полученные в аэроди- намической трубе с малой турбулентностью лабо- ратории Sandia [13]. Максимальное число Re для лопасти макета ветроротора в наших эксперимен- тах составляло (3−4.5)×105 , поэтому для расчета были взяты данные с кривой Cy(α) на рис. 8 при Re = 360000. На рис. 9, а представлена расчетная зависи- мость коэффициента тангенциальной силы Cτ от азимутального угла поворота β при λp = 1 для от- дельной лопасти. Именно эта касательная состав- ляющая результирующей силы и создает крутя- щий момент на валу ветроротора. Хорошо видно, что при ε = 0 результирующая сил создает поло- жительный вращающий момент только на наве- тренной части круговой траектории и значитель- ный тормозящий момент на подветренной части траектории. Со смещением управляющей окружности вниз по потоку значительно увеличивается величина создаваемого лопастью крутящего момента и на наветренной части траектории и на ее подветрен- ной части (кривая ε = 0.06 на рис. 9, а), при этом участки, где лопасть создает тормозящий момент, практически исчезают. При дальнейшем увеличении эксцентриситета работа ветроротора становится менее эффектив- ной. Значительно уменьшается создаваемый ло- пастью полезный крутящий момент на наветрен- ной части траектории, и появляется существен- ный тормозящий момент на подветренной части траектории. Отметим, что качественная картинка результатов расчета достаточно хорошо совпада- ет с результатами проведенного эксперимента (см. В. П. Каян, А. Г. Лебедь 33 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 рис. 5). На рис. 9, б представлены результаты расчета по этой же методике суммарной тангенциальной си- лы для трехлопастного ветроротора. За счет сло- жения тангенциальных сил от трех лопастей с ра- зностью фаз в 120◦ при ε = 0 формируются четко видимые положительные и отрицательные двой- ные пики суммарного крутящего момента. Со сме- щением управляющей окружности в сторону опти- мального положения появляются три ярко выра- женных одинарных пика. Понятно, что это при- водит к значительному росту общего крутящего момента на валу ротора. Однако при дальнейшем увеличении эксцентриситета положительные пики исчезают и на их месте появляются как бы зер- кально отраженные пики тормозящего момента, при этом интегрированная за один оборот вели- чина общего крутящего момента падает до нуля и даже до отрицательного значения (в эксперименте происходила остановка макета ветроротора). ЗАКЛЮЧЕНИЕ Целью поставленного эксперимента был сравни- тельный анализ характеристик обычного ветроро- тора типа Дарье с жестким креплением прямых лопастей на траверсах и подобного ему геометри- чески ветроротора с активным управлением ло- пастями на траектории их кругового движения. Преимущества последнего наглядно отображены на рис. 5. Однако полученные при испытаниях ве- троротора невысокие абсолютные значения коэф- фициентов Cp и Cm требуют некоторого объясне- ния. Во-первых, полученное нами значение коэффи- циента Cp относится к так называемой полезной энергии Pnet ветроротора, которая поступает уже непосредствеено потребителю. В общем же слу- чае под Cp подразумевается вся энергия, произве- денная ветроротором и использованная на прео- доление момента сопротивления опор вала, аэро- динамического сопротивления ветроротора и энер- гии, направляемой потребителю (электрогенера- тор, насос или др.). Наши исследования на мо- делях показали, что у модели с жестко фиксиро- ванными лопастями эти потери составляют около 30%, а у такой же модели с механизмом управ- ления – 20% от всей произведенной ветроротором мощности [18]. К сожалению, измерить эти потери при проведении данного эксперимента оказалось технически невозможным. Во-вторых, в связи с рядом конструктор- ских и технологических особенностей завода- изготовителя практически все детали (кроме ло- пастей) были изготовлены из стали со значитель- ным превышением толщин их элементов над не- обходимыми. Это привело к очень высокому весу как установки в целом, так и отдельных ее частей. Очень тяжелыми (по 20 кг) оказались и лопасти, содержащие внутри силовой набор (лонжеронно- го типа) и покрытые сверху стеклотканью и эпо- ксидной смолой. Все это привело к очень боль- шим нагрузкам на опору вращения с радиально- упорным подшипником, и как следствие к момен- ту сопротивления вращению на опоре в 2.5 – 3 Н·м при скорости вращения ветроротора 0.2 – 0.3 об/с. Исследования на моделях [18] показали, что при повышении скорости вращения ветроротора поте- ри мощности этого рода также значительно возра- стают. В-третьих, шесть траверс, к которым шарнирно крепились лопасти, были выполнены из стальных труб квадратного сечения размером 30 × 30 мм, что привело к существенному аэродинамическому сопротивлению полного комплекта траверс, осо- бенно при высоких скоростях набегающего потока (10 – 13 м/с) и скорости вращения ветроротора (2 – 3 об/с), что, в свою очередь, также уменьшило по- лезный вращающий момент на валу ветроротора. Поэтому в дальнейшем необходимо либо для тра- верс применять рычаги со специальным хорошо обтекаемым профилем поперечного сечения [17], либо крепить на рычагах обтекатели [5]. Кроме того, заводу-изготовителю не удалось точно выдержать форму профиля лопасти, в то время как в [5] отмечается, что отклонение орди- наты профиля от теоретического не должно пре- вышать 0.02% от длины хорды. Все вышепере- численные особенности конструкции и техноло- гии изготовления оказали существенное влияние на затормаживание ветроротора и увеличили не- учтенные потери энергии. Результаты испытаний показали, что примене- ние у ветророторов с вертикальной осью враще- ния очень простого в конструктивном и техноло- гическом плане механизма управления лопастя- ми ветроротора позволяет значительно снизить скорость ветра, при которой ветроротор способен самозапуститься, снизить величину ветровой на- грузки на вал ветроротора, значительно улучшить его рабочие характеристики и снизить стоимость энергии, производимой ветроустановкой. По наше- му мнению, ветроэнергетическая установка с та- ким ротором будет особенно выгодна при прои- зводстве других (неэлектрических) видов энергии. В то же время, можно надеяться, что такие ветро- установки будут также весьма эффективными как в качестве недорогих генераторов энергии мощно- 34 В. П. Каян, А. Г. Лебедь ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2010. Том 12, N 4. С. 26 – 35 стью 2 – 10 КВт для индивидуальных домов или хозяйств, так и в качестве насосных установок мо- щностью 20 – 50 КВт для добычи и перекачки не- фти или воды. 1. Seidel M., Gosswein J. Advances in Offshore Wind Turbine Technology // Wind Energy –Proceedings of the Euromech Colloquium.– Berlin –Springer.– 2006.– С. 287-291. 2. Денисенко О. Г., Козловский Г. А., Федосен- ко Л. П., Осадчий А. И. Преобразование и исполь- зование ветровой энергии.– Киев: Техника, 1992.– 176 p. 3. Avallone E. A., Baumeister T. Standard Handbook for Mechanical Engineers.– 9-th Ed: McGraw Hill, 1978.– 645 p. 4. Гринченко В. Т., Каян В. П, Кочин В. А. Исследо- вание и оптимизация рабочих характеристик ве- троротора с вертикальной осью вращения с меха- низмом управления лопастями // Доповiдi НАН України.– 2008.– No.12.– С. 62-68. 5. Kirke B. K. Evaluation of Self-Starting Vertical Axis Wind Turbines for Stand-Alone Applications.– PhD Thesis: Griffith University, Australia, 1998.– 338 p. 6. Grylls W., Dale B., Sarre P. E. A Theoretical and Experimental Investigation into the Variable Pi- tch Vertical Axis Wind Turbine // Proc. 2nd Int. Symposium on Wind energy Systems, Amsterdam.– 1978.– Oct 3-6.– С. 101-118. 7. Brulle R. V. Giromill Wind Tunnel Tests and Analysis // Proc 3rd Biennial Conf/Workshop on Wi- nd Energy Conversion Systems, Washington, DC.– 1977.– Sept 19-21.– С. 775-783. 8. Кayan V. P., Кochin V. A. Optimization of Wi- nd Loads and Operating Characteristics of a Verti- cal Axis Wind Turbines with the Control Mechani- sm of Blades // Environmental effects on buildings, structures, materials and people.– Lublin University of Technology, Poland.– 2007.– С. 229-240. 9. Kayan V. P., Кochin V. A., Lebid O. G. Studying the Performance of Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Models with Blade Control Mechanism // Internati- onal Journal of Fluid Mechanics Research.– 2009.– 36, No.2.– P. 154-165. 10. Довгий C. A., Каян В. П, Кочин В. А., Лебедь А. Г. Исследования влияния активного управления пря- мыми лопастями на рабочие характеристики ве- троротора Дарье // Прикладная гидромеханика.– 2010.– 12, No.2.– С. 1-2. 11. Каян В. П., Довгий С. О., Бойко П. М., Ле- бiдь О. Г. Вiтросилова установка // Патент Укра- їни №16097A на корисну модель, МПК F03D 3/00 F03D 7/06.– 2006.– No.7.– С. 5.174. 12. Гребенiков В. В., Довгий С. О., Каян В. П., Ко- чiн В. А. Вiтросилова установка // Патент Укра- їни №84319, МПК F03D 3/00, F03D 7/06.– 2008.– No.19.– С. 3.87. 13. Sheldahl R. E., Klimas P. C. Aerodynamic Characteristics of Seven Symmetrical Airfoil Secti- ons Through 180-Degree Angle of Attack for Use in Aerodynamic Analysis of Vertical Axis Wind Turbines.– Sandia Report: SAND80-2114, 1981.– 120 p. 14. Гулый С. В., Еремеев И. Д., Крашаница Ю. А., Усик Ю. Ф., Чмовж В. В. Аэродинамическая опти- мизация масштабной модели вертикально-осевого ветродвигателя // Вiсник Донбаської ДАБА–т.1, Вплив вiтру на будинки i споруди.– 2001.– 29, No.4.– С. 149-153. 15. Fiedler A. J., Tullis S. Blade Offset and Pitch Effects on a High Solidity Vertical Axis Wind Turbine // Wind Engineering.– 2009.– 33, No.3.– С. 237-246. 16. Зубковский C. Л., Лятхер В. М., Федоров М. М., Цванг Л. Р. Взаимодействие ветрового потока с ветроэнергетической установкой // Физика атмо- сферы и океана (Известия АН СССP).– 1990.– 26, No.9.– С. 899-905. 17. Islam M., Fartaj A., Carriveau R. Analysis of the Design Parameters related to a Fixed-pitch Straight-Bladed Vertical Axis Wind Turbine // Wind Engineering.– 2008.– 32, No.5.– С. 491-507. 18. Dovgy S. O., Kayan V. P., Lebid O. G. Performance optimization of a vertical axis wind turbine wi- th mechanizm of blade pitch control // Proc. 14th Intern. Conf. on Applied Mechanics and Mech. Engin..– Cairo, Egypt.– 2010, May 24-28.– С. 76-84. В. П. Каян, А. Г. Лебедь 35

Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями

Institution

Ähnliche Einträge