CC BY
32
УДК 533.6621548
Рожкова Л.Г.
К.т.н., доцент, Сумский национальный аграрный университет, Украина
КРИТЕРИИ ВЫБОРА ТИПА, РАЗМЕРОВ И КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОКОЛЕСА ВЕРТИКАЛЬНО- ОСЕВОЙ ВЕТРОУСТАНОВКИ
Аннотация
В статье рассмотрены основные критерии выбора типа, конструкции и размеров ветроколеса для вертикально - осевых ветроустановок с точки зрения его эффективности. Обоснованы рекомендации по выбору типа лопастей, их количества в ветроколесе, конструкции крепления лопастей, а также номинальной скорости ветра для расчета мощности ВУ.
Ключевые слова: ветроколесо, коэффициент использования энергии ветра, мощность, аэродинамическое сопротивление, лопасть, коэффициент быстроходности.
Keywords: wind wheel, the coefficient of utilization of wind energy, power, aerodynamic drag, the blade, the coefficient of rapidity.
1.Постановка проблемы в общем виде.
Размеры и конструкция ветроколеса ветроустановки (далее ВУ) имеет решающее значение для ее эффективности, технологичности, эксплуатационных качеств и стоимости. Конструкция ветроколеса должна обеспечивать работоспособность и надежность ВУ в выбранном рабочем диапазоне скоростей ветра. В свою очередь, размеры ветроколеса ВУ вертикально-осевого типа определяются заданной мощностью, средней скоростью ветра в месте размещения и величиной коэффициента использования энергии рассматриваемой ВУ.
Известны следующие типы вертикально-осевых ВУ: ротор Савониуса, с парусными лопастями, роторы Дарье и Эванса и некоторые другие [1,2]. При выборе типа ВУ на первом этапе по заданной мощности, номинальной скорости ветра и коэффициенту использования энергии рассчитывается так называемая ометаемая ветроколесом площадь, откуда выбираются диаметр и высота ветроколеса вертикально-осевой ВУ. Кроме того, имеет значение величина минимальной скорости ветра, при которой начинает работать ВУ и которая зависит от типа ветроколеса. Таким образом, определяющим является выбор типа вертикально-осевой ВУ.
2.Анализ результатов исследований и публикаций.
Лопастную систему ВУ характеризуют следующие основные параметры:
- ометаемая ветроколесом площадь, S;
- конструкция лопастей и их количество, i;
- высота (или удлинение) лопасти, Н;
- диаметр ветроколеса, D;
Совокупность значений этих параметров и степень их приближения к оптимуму определяют аэродинамическое и энергетическое совершенство ветроколеса ВУ. Кроме того, существенное влияние на эффективность лопастной системы оказывает конструкция крепления (подвески) лопастей к валу ротора.
Ометаемая ветроколесом площадь для вертикально-осевых ВУ равна
S=HxD где: Н - высота ветроколеса, D - дiаметр и рассчитывается по величине
потребной мощности Р s = Р ,
C • Рд h
Р уд '
где Ср - коэффициент использования энергии ветра данной ВУ;
" 2
Руд - удельная мощность ветрового потока (с площадью поперечного сечения 1м );
h - механический коэффициент полезного действия ВУ.
В свою очередь, удельная мощность потока равна Руд = ри¥/2 . Тогда
^ =_2р_, где ида - скорость ветрового потока на бесконечности (в нашем
С р • и л
р Г в ¥ I
случае, так называемая номинальная скорость ветра).
Потребная мощность ВУ, безусловно, определяется потребительским спросом на рынке. Поскольку скорость ветра изменяется во времени, номинальную (установленную) мощность ВУ принято рассчитывать по так называемой номинальной скорости ветра,. Принимаемое по Европейскому стандарту значение номинальной скорости ветра для расчета мощности ВУ находится в пределах 11,5.. .14,5 м/с, однако это часто не отвечает реальной среднегодовой скорости ветра в месте установки ВУ.
Формы профилей лопастей вертикально-осевых ВУ, применяемых в мировой практике, достаточно разнообразны. [1,2,3]. Наибольшее распространение получили лопасти с крыловым профилем и ротор Савониуса. Количество крыловых лопастей в роторе ВУ в мировой практике варьируется от 2 до 5 [3]. Увеличение количества лопастей может несколько снизить коэффициент использования энергии ветра ВУ, однако в то же время увеличивает момент трогания ротора из состояния покоя.
Высоту лопасти, а, следовательно, и высоту ветроколеса, а также величину его диаметра для вертикально-осевых ВУ по конструктивным соображениям рекомендуется выбирать в пределах следующего соотношения Н > 0,60, поскольку это было проверено в исследованиях и на практике. [4].
Крепление лопастей в роторе играет важную роль в конструкции лопастной системы. Преобразование энергии ветра в полезную мощность ВУ сопровождается потерями как механическими (из-за трения в опорных узлах), так и аэродинамическими, обусловленными сопротивлением деталей опорной части ротора. Определенная часть аэродинамических потерь приходится на долю крепления лопастей к валу и в случае неудачной конфигурации крепления может быть значительной. Следует при этом отметить, что величина потерь в данном случае обусловлена не только сопротивлением крепления, но и эффектом экранирования потока, набегающего на лопасти, находящиеся на подветренной (тыльной) стороне вертикально-осевой ВУ. Таким образом, важнейшим аспектом разработки конструкций крепления лопастей вертикально- осевых ВУ является обеспечение минимально возможных аэродинамических потерь энергии потока.
3.Цель статьи. Цель статьи - обоснование критериев выбора типа, размеров и конструкции ротора вертикально- осевой ветроустановки на базе анализа информации по уже существующим ВУ.
4. Изложение основного материала.
Расчет ометаемой ветроколесом ВУ площади по номинальной скорости ветра 11,5.14,5 м/с (согласно Европейскому стандарту) в случаях размещения ВУ в районах с низкой среднегодовой скоростью и¥ср, приводит к недопустимо большим отклонениям реальной мощности от расчетной. В этом случае в качестве критерия для определения ометаемой ротором площади может выступать гарантированная мощность, рассчитываемая по номинальной скорости ветра, равной и¥ср.
Может быть рекомендован и другой подход к выбору номинальной скорости ветра, когда последняя определяется из условия получения максимума годовой энергии (по сравнению с другими скоростями ветра в месте размещения ВУ). Достаточно подсчитать
и ¥ • tn, где и¥ - рабочая скорость ветра, а - ее повторяемость (согласно данным Поморцева , либо для больших среднегодовых скоростей - Гуллена [5]) при конкретной среднегодовой скорости и¥ср, чтобы выявить скорость ветра, при которой получается искомый максимум годовой выработки. На рис. 1 приведен график, иллюстрирующий данный подсчет для среднегодовых скоростей ветра от 3 до 6 м/с [5]. Видно, что для каждой среднегодовой скорости имеется такая скорость ин »1,5и , определяемая пересечением
кривых и¥ • tn со штрихпунктирной кривой, при которой получается максимальная годовая производительность ВУ. Таким образом, ометаемая площадь ротора ВУ может быть определена по мощности при номинальной скорости ин »1,5и¥ср.
Рис. 1. Определение номинальной скорости ветра для известной величины среднегодовой
И^ср [5]
Как известно, коэффициент быстроходности (В) ВУ зависит от принципа работы лопастей: в случае образования тянущей силы за счет сил лобового сопротивления лопасти В < 1 (тихоходные ВУ), за счет подъемной силы В > 3 ( быстроходные ВУ). Однако в настоящее время разработаны и исследованы оригинальные лопасти, так называемые крыловые незамкнутые (тип КН)[6] и бипрофильные (двухэлементные). Коэффициент быстроходности (В) ВУ с данными лопастями находится в зоне так называемой средней быстроходности 1 < В <3, что дает определенные преимущества, в частности, по прочностным требованиям. Известно, что высокая быстроходность ротора ВУ обуславливает жесткие требования к прочностным свойствам конструкции в части опорно-ходовых узлов и прочих несущих частей, поскольку с ростом быстроходности резко возрастает центробежная сила, действующая на лопасти, а также частота колебаний (цикличность) динамических нагрузок. Рассмотрим в качестве иллюстрации к вышесказанному зависимость коэффициента удельной центробежной силы лопасти Сд1 (при единичной массе и единичном радиусе вращения центра масс лопасти) от коэффициента быстроходности. В общем случае центробежная сила лопасти ротора вертикально-осевой ВУ: р _ тил , где т -
к
масса лопасти; Ят - радиус вращения центра массы лопасти.
Безразмерным коэффициентом центробежной силы лопасти Сд будем считать ее отношение к динамическому напору потока ветра и площади продольного сечения лопасти по хорде 8л .
Р ти2 л2, Ср =-л-= К в2
* ¥8л кт Г и ¥ 5 л
где К - коэффициент, зависящий от геометрических и массовых параметров ротора ВУ, равный к = 2т .
КРв 8л
В частном случае при т=1кг, Ят=1м, 8л=1м2 получаем значение коэффициента удельной центробежной силы Ср = 1,6в2. Полученная зависимость является параболой с
вершиной в центре системы координат в - Ср и увеличение коэффициента быстроходности
с 01 до 92 повышает удельную центробежную силу в (в2/91 )2. В качестве примера сравним
величины удельной центробежной силы для тихоходных вертикально-осевых ВУ (9=0,8) и быстроходных (9=6). В этом случае величина Сд возрастает более, чем в 56 раз - факт, не
нуждающийся в комментариях.
Лопасти вертикально-осевых ВУ, рекомендуемые для вертикально-осевых ВУ, имеют крыловую незамкнутую форму профиля (аббревиатура КН), как более простые в изготовлении и достаточно эффективные [7]. В частности, коэффициент использования энергии ветра для ротора с модификацией лопасти КН-6, рис.2, по результатам исследований достигал Ср мах - 0,3 [7]. Как видно на рис 2, мощностная характеристика ротора с лопастями КН-6 расположена в области быстроходности между тихоходными (0<1) и быстроходными ветроколесами (0 > 3), что послужило основанием классифицировать ВУ с таким ветроколесом как новый тип ВУ средней быстроходности. Ветроколесо с лопастями КН-6 самозапускается и работает и при низких скоростях ветра.
.60 Ср
40
20
2 4 ees
Рис.2. Расположение мощностных характеристик вертикально-осевых ВУ по быстроходности (9) относительно критериев Бетца (1) и Глауэрта (2): 3-ротор Савониуса; 4-ротор Дарье; 5- ротор с прямыми крыловыми лопастями NACA0018 по данным [8]; 6 -
ротор с лопастями КН-6
Ср мах - 0,3 получен при трех лопастях в роторе. Однако, с точки зрения уменьшения неравномерности действия на ротор тянущих и радиальных сил, возникающих на лопастях и имеющих нестационарный характер по траектории движения лопасти, желательно увеличение количества лопастей. На рис. 3 приведены эпюры коэффициента тянущей силы СТ по времени Т, за которое лопасть проходит круговую траекторию, для одиночной лопасти и для варианта i = 3 [9]. Эпюры рассчитаны с использованием коэффициентов подъемной силы Су и силы сопротивления Сх, полученных экспериментально при круговой обдувке лопасти КН-4 [7]. В случае трехлопастного и пятилопастного роторов действие вращающего момента Мвр по круговой траектории, безусловно, более равномерно. Однако наиболее точно может характеризовать реальную ситуацию зависимость Ст = f(T), в которой учитывались бы торможение и скос потока. Такая зависимость была получена расчетным путем профессором Волковым Н.И. ( рис.4, вар. в, % - параметр торможения) [9]. Дальнейшее снижение неравномерности Мвр за счет увеличения числа лопастей может быть ограничено, с одной стороны, оптимальным значениемкоэффициента заполнения s, с другой - минимальной эффективной длиной хорды лопасти.
-0,5 --—--------■--■-
а б
Ст
в
Рис. 3. Эпюры коэффициента тянущей силы Ст для одиночной лопасти КН-4 (а) и для ротора с тремя лопастями КН-4 (б), 6=1,3; без учета торможения и скоса потока; с тремя лопастями КН-4(в), 6=1,2; с учетом торможения и скоса потока: — С=0;---%=0,15 [7,9].
Что касается выбора высоты и диаметра ротора, то соотношение Н > 0,6D, приведенное выше, должно согласовываться с рекомендуемой величиной удлинения лопасти l = L/b которое должно быть не менее 5 [4]. С увеличением числа лопастей в
роторе соотношение высоты и диаметра ротора может быть скорректировано. Однако при применении концевых шайб (или пластин) l может быть меньше.
Для определения степени влияния конфигурации крепления на аэродинамические характеристики ВУ в лаборатории ветроэнергетики Сумского государственного университета были проведены экспериментальные исследования пяти вариантов крепления лопастей вертикально-осевой ВУ [10]. Варианты конструкций приведены на рис. 4. 1 вариант - крепление лопасти с помощью горизонтальных траверс пластинчатого типа, соединяющих концы лопастей с валом ВУ; 2 вариант - крепление лопасти семью обтекаемыми (с круглым сечением) стержнями, три из которых расположены в одной горизонтальной плоскости, при трех лопастях количество стержней равно 21; 3 вариант -крепление, объединяющее 1-й и 2-й варианты; 4 вариант - крепление лопасти 10-ю стержнями, расположенными наклонно, общее число стержней 30: 5 вариант - крепление, объединяющее 1-й и 4-й варианты. Испытания носили сравнительный характер, поскольку проводились на стенде одной и той же экспериментальной установке. Результаты
CP
исследований представлены на рис. 5 в виде зависимостей - = f(9). Как и
C p max
предполагалось, оптимальным в аэродинамическом отношении оказалось крепление лопасти двумя горизонтальными пластинчатыми траверсами - по варианту №1 (рис.4). Это подтверждено не только самым высоким коэффициентом Ср модели ротора ВУ с вышеназванным вариантом крепления, но и данными испытаний вариантов №3 и №5. Другими словами, наличие горизонтальных траверс практически не изменило аэродинамические характеристики, которые были получены в опытах с креплениями по вариантам №2 и №4 (без траверс).
Вариант № 4
Рис. 4. Исследованные варианты крепления лопастей
Рис. 5. Влияние крепления лопастей на аэродинамику ротора вертикально-осевой ВУ с лопастями КН 4, 1 = 3 : о - вариант № 1; вариант № 2; V- вариант № 3; • - вариант № 4; А -
вариант № 5, рис. 4.
По данным испытаний, крепление лопастей 30-ю наклонными стержнями (вариант №4, рис. 4) снижает Ср ВУ примерно в два раза по сравнению с креплением горизонтальными траверсами, тогда как крепление лопастей меньшим количеством стержней (21 шт.), часть которых располагалась в горизонтальной плоскости (вариант .№2, рис. 4), снижало Ср ВУ приблизительно в 1,5 раза.
Таким образом, величина аэродинамических потерь является одним из важнейших критериев выбора конструкции крепления лопастей. Однако обеспечение минимальных аэродинамических потерь не должно снижать необходимые прочность и долговечность крепления.
Выводы.
1. Ометаемую ветроколесом площадь рекомендуется определять либо по гарантированной мощности ВУ, рассчитываемой по номинальной скорости ветра и¥ср, либо по мощности при номинальной скорости ин » 1,5и¥ср .
2. Для вертикально-осевых ВУ рекомендуются лопасти, имеющие крыловую незамкнутую форму профиля (КН). Значения коэффициента использования энергии ветра Ср для ветроколес с лопастями КН - 6 близки к предельным для рабочих областей по быстроходности указанных ветроколес. Наличие самозапуска ротора и способность его к работе как при высоких, так и при низких скоростях ветра гарантирует создание высокоэффективных вертикально-осевых ВУ средней быстроходности.
3. В вертикально-осевых ВУ средней быстроходности существенно снижается центробежная сила, действующая на лопасти, а также частота колебаний (цикличность) динамических нагрузок.
4. Кардинальное значение с точки зрения величины аэродинамического сопротивления при проектировании ВУ имеет выбор конструкции крепления лопастей к валу.
Литература
1. Ветроэнергетика / Под. ред. Д. де Рензо: Пер. с англ. // Под ред. Шефтера -М.: Энергоатомиздат, 1982. - 272 с.
2. Твайделл Дж, Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.
3. В. А. Дзендзерский, С.В. Тарасов, И.Ю. Костюков. Ветроустановки малой мощности. - Киев. «Наукова думка», 2011. - 591с.
4. Иванов И.И., Иванова Г.А., Перфилов О.Л. Модельные исследования роторных рабочих колес ветроэнергетических станций // Сборник научных трудов Гидропроекта, вып. 129 «Ветроэнергетические станции».- Москва, 1988. - 106 - 113с.
5. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - Москва: ОГИЗ - Сельхозгиз. - 1948. - 544с.
6. Лопасть ветроколеса.: А.с. 1815409 СССР, МКИ Б03Б 1/06 /Рожкова Л.Г.- Опубл. 15.05.93, Бюл. №18.
7. Рожкова Л.Г. Новые формы профилей лопастей вертикально - осевых ветроустановок средней быстроходности: Диссертация на соискание ученой степени кандидата техн. наук: 05.14.07.-Сумы, 2005. - 196с.
8. Баклушин П.Г., Вашкевич К.П., Самсонов В.В. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик ортогональных крыльчатых ветроколес // Сборник научных трудов Гидропроекта, вып. 129 «Ветроэнергетические станции». - Москва, 1988. - С. 98 - 105.
9. Волков Н.И. Математические модели течений и расчет аэродинамических характеристик ортогональных ветродвигателей: Диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук: 05.14.07. -Сумы, 1997. - 240 с.
10. Рожкова Л.Г., Кощиенко И.Н. Основные критерии совершенства конструкции подвески лопастей ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки. // Вестник НТУУ «КПИ», Машиностроение, вып. 35. - 1999. - 169 - 174с.
