CC BY
51
Оригинальная статья / Original article УДК 621.48
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-11 -123-132
РАЗРАБОТКА ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЕТРОТУРБИНЫ, СПОСОБНОЙ ЭФФЕКТИВНО РАБОТАТЬ В УСЛОВИЯХ ВЕТРОВОГО РЕЖИМА РОССИИ
© Б.П. Хозяинов1, Ю.А. Фадеев2
Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева, Российская Федерация, 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Обосновать эффективность применения ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения ветротурбины с высокими аэродинамическими характеристиками, использующей принцип дифференциального лобового сопротивления, в условиях ветрового режима России. МЕТОДЫ. Выполнен комплекс экспериментов с использованием: в аэродинамической трубе - модели установки ветротурбины, в природных условиях - опытной установки ветротурбины. Анализ результатов экспериментов проводился методом статистической обработки. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Разработаны методики вычисления величины вращающего момента и природной скорости ветра для запуска ветротурбины на холостом ходу и при эксплуатации установки. Результаты вычислений совпадают с экспериментальными показателями. ВЫВОДЫ. Установлено, что предлагаемая конструкция ветротурбины способна эффективно работать при скоростях ветра от 0,5 до 15,0 м/с, т.е. в условиях ветрового режима России.
Ключевые слова: альтернативная энергетика, ветротурбина, вертикальная ось вращения, скорость природного ветра, скорость ветра в объеме ветротурбины.
Формат цитирования: Хозяинов Б.П., Фадеев Ю.А. Разработка вертикально-осевой ветротурбины, способной эффективно работать в условиях ветрового режима России // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 11. С. 123-132 DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-123-132
DEVELOPMENT OF VERTICAL AXIS WIND TURBINE CAPABLE OF EFFICIENT OPERATION IN WIND CONDITIONS OF RUSSIA B.P. Khozyainov, Yu.A. Fadeev
Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev, 28 Vesennyaya St., Kemerovo 650000, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to substantiate the application efficiency of wind power plants with a vertical rotation axis of a wind turbine with high aerodynamic characteristics that uses the principle of differential front drag in the wind conditions of Russia. METHODS. A set of experiments using the models of wind turbine installation (in the air tunnel) and the pilot installation of the wind turbine (in natural conditions) have been performed. The analysis of the experiment results was carried out by the method of statistical processing. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The calculation methods of the magnitude of torque and the natural velocity of wind have been developed for wind turbine start at idle and under its operation. The calculation results coincide with the experimental indices. CONCLUSIONS. It has been determined that the proposed design of the wind turbine is capable of efficient operation at wind speeds from 0.5 to 15.0 m/s, 1е. in the wind conditions of Russia.
Keywords: alternative energy, wind turbine, vertical rotation axis, natural wind speed, wind speed in the wind turbine volum
For citation: Khozyainov B.P., Fadeev Yu.A. Development of vertical axis wind turbine capable of efficient operation in wind conditions of Russia. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 123-132. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-123-132
1Хозяинов Борис Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций водоснабжения и водоотведения, е-mail: khozyainov-bp@mail.ru
Boris P. Khozyainov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Water Supply and Sewerage Civil Structures, е-mail: khozyainov-bp@mail.ru
2Фадеев Юрий Александрович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры математики. Yuri A. Fadeev, Doctor of Physical and Mathemaical sciences, Professor of the Department of Mathematics.
Введение
Большой интерес во всем мире проявляется к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии - воде, солнцу, ветру. Одной из важных задач, стоящих перед ветроэнергетикой России, является разработка новых ветроэнергетических установок, способных работать в ветровых условиях России (рис. 1)3 [1, 2]. Использование существующих ветротурбин, работающих преимущественно при скоростях ветра и, превышающих 3 м/с, не актуально, так как большую часть времени эти установки простаивают; территории, где их можно использовать, мало заселены.
В связи с этим в представленной работе рассмотрено влияние конструктивных и геометрических параметров ветротурбины с вертикальной осью вращения на величину вращающего момента и скорость ветра для запуска ветротурбины с учетом ветронаправляющих экранов, усиливающих скорость воздушного потока в объеме ветротурбины. Также дана разработка формул для их аналитического вычисления.
Рис. 1. Ветровые энергоресурсы России Fig.1 Wind energy resources of Russia
Основные характеристики опытной ветроэнергетической установки
Ветротурбина с вертикальной осью вращения, разработанная в Кузбасском государственном университете, способна работать при скоростях ветра от 0,5 м/с и выше [3, 4]. Для доказательства данного положения выполним вычисление скорости ветра, при которой данная ветротурбина начинает вращаться вначале на холостом ходу, затем с использованием нагрузки в виде вращающего момента. Сравним эти вычисления с экспериментальными показателями.
В эксперименте была использована ветротурбина с тремя лопастями (пл = 3), при этом геометрические параметры лопасти следующие:
3Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика: учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высш. шк., 1970. 424 с. / Gorlin S.M. Experimental aeromechanics. Moscow: Vysshaya shkola. 1970, 424 p.
- малый размер лопасти в плане - ЬЛМ = 0,25 м;
- средняя ширина лопасти при обдувании ее воздушным потокам с поворотом на 360° - Ьср = 0,36575 м;
- высота лопасти - = 2 м;
- средняя площадь лопасти при обдувании ее воздушным потокам с поворотом на 360о - Эл,ср = 0,7315 м2;
- расстояние от геометрического центра лопасти до оси вращения ветротурбины -Нл = 0,375 м;
- средний аэродинамический коэффициент лопасти при обдувании ее воздушным потоком с поворотом на 360° - Сха = 0,882 [4].
Вес трехлопастной ветротурбины со всеми вращающимися деталями - Р3, составляет 345,43 Н.
В расчетах также использовалось параметры:
- плотность воздуха - р = 1,225 кг/м3;
- коэффициент, учитывающий увеличение скорости воздушного потока в объеме ветротурбины за счет ветронаправляющих экранов (КЭКР);
- сила воздушного потока, действующая на лопасти ветротурбины, - РЛ;
- сила трения качения в подшипниках, препятствующая вращению ветротурбины - ГТР;
- коэффициент трения качения в подшипниках ветротурбины - К = 0,003 м.
Конструкция лопасти представлена на рис. 2.
а b
Рис. 2. Лопасть ветротурбины: а - профиль (ЬЛМ - малый размер лопасти в плане, ЬЛб - большой размер лопасти в плане); b - высотный размер лопасти фЛ - высота лопасти) Fig. 2. Wind turbine blade: a - profile (Ьлм - small size of the blade in the plan, Ьл6 - large size of the blade in the plan), h;
b - height of the blade (hL - blade height)
Ветротурбина снабжена тремя подшипниками 160306. В соответствии с ГОСТ 8882-75 (зарубежный аналог 6306 RS)4 каждый подшипник имеет восемь шариков (пш = 8) диаметром 12,303 мм и радиусом гШ = 0,0061515 м. Расстояние от геометрического центра шарика подшипника до оси вращения ветротурбины - = 0,0255 м.
4ГОСТ 8882-75. Подшипники шариковые радиальные однорядные с уплотнениями. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1984. 10 с. / GOST 8882-75. Radial single-row ball bearings with seals. Technical conditions. Moscow: Publishing House of Standards, 1984. 10 p.
Разработка формул
Сила, действующая на лопасти ветротурбины, и сила качения в подшипниках определяются по формулам:
о-U2
F =о Ut С ■S -n ■ (1)
1 Л 2 СХа SЛ ,СР пЛ ; \Ч
Р
FKA4 = fКАЧ • (2)
n ■ r
,1Ш ' Ш
Момент, действующий на ось ветротурбины от ее лопастей, вычисляется по формуле
о- U2
Мл =°YLCXa-Sxcr-nx •■ Rл . (3)
Момент, действующий на ось ветротурбины от силы трения качения, вычисляется по формуле
Р
Mкач = /кач-rn . (4)
n ■ r
"Ш ' Ш
Для запуска ветротурбины необходимо, чтобы момент, возникающий от действия воздушного потока, направленного на лопасти ветротурбины, превышал противодействующий момент от трения качения в подшипниках:
мл > m кач ; (5)
Mл = ■Cа ■ s л CP ■ Пл■ Ял > мкач = /кач ~ Rn .(6)
2 ПШ ■ ГШ
Решая уравнение (6) относительно UT, получим минимальную величину скорости воздушного потока в объеме ветротурбины, способную заставить ветротурбину вращаться на холостом ходу:
и =
2-1 f ■R
2 1 f КАЧ Rn
ПШ ■ ГШ ■ 0 ■ CXa ■ SЛ ,CP ■ Пл ■ Ял
(7)
При определении природной скорости ветра U, при которой ветротурбина запускается в работу, необходимо учитывать усиление скорости воздушного потока в объеме ветротурбины, возникающего благодаря ветронаправляющим экранам:
U = UT/КЭКР , (8)
где UT- природная скорость ветра; Кэкр - коэффициент, усиливающий скорость воздушного потока в объеме ветротурбины при наличии ветронаправляющих экранов.
Значение Кэкр определяется следующим образом. В диапазоне природной скорости
ветра ит от 1,803 до 6,427 м/с в установках с ветронаправляющими экранами (ЗБСПЛ+6Э) и в установках, где ветронаправляющие экраны отсутствуют (3БСПЛ), разница скоростей воздушного потока в среднем составила 1,185 м/с.
В диапазоне природных скоростей ветра от 0,709 до 1,803 м/с в установке ЗБСПЛ+6Э разность скоростей воздушного потока в объеме ветротурбины можно определить, используя принцип уравнения непрерывности. В качестве трубки тока примем ветронаправляющие экраны, где отношение площади входного отверстия в объем ветронаправляющих экранов к площади выходного отверстия составляет 5ВХ/5ВЫХ = 2,34. Кроме того, необходимо учесть коэффициент заполнения объема ветротурбины лопастями Кз, для установок ЗБСПЛ+6Э и 3БСПЛ он одинаков и равен 0,349.
Уравнение по определению Кэкр в диапазоне скоростей ветра и от 0,709 до 1,803 м/с запишется следующим образом:
Кэкр С1"*з) . (9)
^ВЫХ
Рис. 3. Схема ветротурбины: a - с открытыми ветронаправляющими экранами; b - с экранами, закрывающими ветротурбину при ураганах Fig.3. Schematic diagram of wind turbine: a - with open wind control screens; b - with screens covering the wind turbine during hurricanes
Коэффициент заполнения объема ветротурбины лопастями определяем по формуле
к = Ьср •n
3 2 -л- RT
(10)
Далее был построен график, выведена линия тренда и получена формула, отражающая изменение Кэкр в зависимости от изменения природной скорости ветра, которая запишется следующим образом:
Кэкр = 1,6153 • ^-0 3512. (1 1 )
Подобные вычисления необходимо провести и при других геометрических параметрах всех частей ветротурбины, включая ветронаправляющие экраны.
Приведем пример определения природной скорости ветра и скорости воздушного потока в объеме ветротурбины.
Используя формулы (7), вычислим скорость воздушного потока в объеме ветротурбины для установки 3БСПЛ, оборудованной тремя лопастями без ветронаправляющих экранов, при ее запуске на холостом ходу:
тт 2-345,43-0,003-0,0255 0,052850/ I „^^„^ ^ „ ,
UT = J-------= J—-=J0,4026673 = 0,634 м/с
T V 24 - 0,0061515-1,225 - 0,882 - 0,7314 - 3 - 0,375 V 0,1312515 ^
Для ветротурбины, оборудованной тремя лопастями и шестью ветронаправляющими экранами (3БСПЛ+6Э), при запуске ее на холостом ходу скорость воздушного потока, воздействующего на лопасти, согласно формуле (8) равна:
тт ит 0,634 „„„„ . и = —— = —-= 0,347 м/с .
КЭкр 1,823
Так как испытания установки 3БСПЛ+6Э проводились с отбором части момента, действующего на лопасти, и передачей ее на вращающий момент вала и, соответственно, мощности ветротурбины, запуск ветротурбины был произведен с природной скоростью ветра ит =0,709 м/с.
Вычислим скорость ветра при запуске ветротурбины с учетом вращающего момента; Мвр, зафиксированный в эксперименте, равен 0,272 Нм. Для установки 3БСПЛ (без ветрона-правляющих экранов) природная скорость ветра составила:
U =
2 - 345,43 - 0,003 - 0,0255 + 0,272
24-0,0061515-1,225-0,882-0,7314-3-0,375 ^
0,3248507
0,1312515
: .у/2,4750247 = 1,573 м/с
В эксперименте природная скорость ветра была зафиксирована на отметке 1,803 м/с, а для установки 3БСПЛ+6Э с учетом усиления скорости воздушного потока она соответствовала 0,862 м/с:
1,573
U = —
jY oi/r
1,823
= 0,862 м/с.
В эксперименте для этой ветротурбины природная скорость ветра соответствовала значению 0,709 м/с. Такая небольшая разница вычисленных скоростей ветра находится в пределах погрешностей измерения.
Значения скорости воздушного потока в объеме ветротурбины, вычисленные по формулам (7) и (11), и значения природной скорости ветра занесены в табл. 1.
Анализ значений КЭКР, вычисленных по предлагаемой методике, показал, что при значении природной скорости ветра и > 3,915 м/с ветронаправляющие экраны могут отсутствовать или работать во флюгерном режиме.
Воспользовавшись формулой (6), дополним природную скорость ветра и коэффициентом КЭКР и вычтем момент, приходящийся на трение качения в подшипниках. Получим
МВРо0 = Р{и'КЭКР)2 С„ ■ БлсСР ■ п-Ял -МКАЧ . (12)
Используя формулу (12), вычислим вращающий момент, соответствующий скорости ветра при испытании ветротурбины 3БСПЛ+6Э. Результаты отражены в табл. 2 и на рис. 4, где Мвр,э соответствует экспериментальным показателям, Мвр,а - вычислениям по предлагаемой методике.
Таблица 1
Природная скорость ветра и скорость воздушного потока в объеме ветротурбины
с учетом коэффициента КЭКР
Table 1
Natural wind speed and air flow velocity in the wind turbine volume with regard to the K^p coefficient
U, Ut, U, Ut, U, Ut,
м/с / Кэкр м/с / м/с / Кэкр м/с / м/с / Кэкр м/с /
m/s m/s m/s m/s m/s m/s
0,709 1,823 1,292 1,978 1,271 2,514 3,504 1,040 3,644
0,924 1,661 1,535 2,006 1,265 2,538 3,736 1,017 3,798
0,924 1,661 1,535 2,046 1,256 2,570 3,822 1,009 3,855
0,944 1,648 1,556 2,082 1,248 2,600 3,869 1,004 3,886
0,955 1,642 1,568 2,093 1,246 2,608 3,881 1,003 3,894
0,986 1,623 1,600 2,112 1,242 2,624 3,915 1,000 3,916
1,093 1,566 1,711 2,154 1,234 2,658 3,923 0,999 3,921
1,125 1,550 1,743 2,242 1,216 2,727 3,937 0,998 3,930
1,179 1,525 1,797 2,301 1,205 2,774 3,983 0,994 3,960
1,191 1,519 1,809 2,369 1,193 2,827 4,545 0,949 4,314
1,222 1,505 1,840 2,398 1,188 2,849 4,724 0,936 4,424
1,320 1,465 1,934 2,597 1,155 3,000 4,875 0,926 4,515
1,332 1,461 1,945 2,673 1,144 3,057 5,013 0,917 4,597
1,353 1,453 1,965 2,768 1,130 3,127 5,132 0,909 4,667
1,391 1,439 2,001 2,855 1,117 3,190 5,149 0,908 4,677
1,703 1,340 2,282 2,974 1,102 3,276 5,233 0,903 4,727
1,707 1,339 2,285 2,996 1,099 3,292 5,580 0,883 4,928
1,753 1,326 2,325 3,005 1,097 3,298 5,943 0,864 5,134
1,760 1,324 2,332 3,079 1,088 3,351 6,104 0,856 5,223
1,795 1,315 2,361 3,102 1,085 3,367 6,319 0,845 5,342
1,797 1,315 2,361 3,227 1,070 3,454 6,427 0,840 5,401
Величина вращающего момента, вычисленная по формуле (12) и экспериментальные показатели
Torque magnitude calculated by the formula (12) _and experimental indicators_
u, м/с / m/s Мвр,э, Нм / Nm Мвр,а, Нм / Nm U, м/с / m/s Мвр,э, Нм / Nm Мвр,а, Нм / Nm U, м/с / m/s Мвр,э, Нм / Nm Мвр,а, Нм / Nm
0,709 0,2725 0,5631 1,9781 3,1403 2,6316 3,5041 9,9076 5,7234
0,924 0,7567 0,8678 2,0065 3,2787 2,684 3,736 8,2912 6,2344
0,924 0,7567 0,8678 2,0459 3,4485 2,7572 3,8219 8,2912 6,4272
0,944 0,2725 0,8972 2,0823 4,1403 2,8253 3,869 9,5994 6,5338
0,955 0,2725 0,9137 2,0929 3,014 2,8451 3,8808 10,908 6,5597
0,986 0,7567 0,9596 2,1122 4,1403 2,8813 3,915 9,6748 6,637
1,093 0,2725 1,1221 2,1544 4,4105 2,9609 3,923 10,599 6,6542
1,125 0,7567 1,1718 2,2418 4,1403 3,1271 3,937 9,2912 6,6863
1,179 0,2725 1,2566 2,301 5,5239 3,241 3,9828 10,983 6,7904
1,191 0,2725 1,2754 2,3694 4,5239 3,3734 4,5453 8,983 8,0936
1,222 1,3755 1,3259 2,3979 6,1403 3,429 4,724 8,5174 8,5192
1,32 1,3755 1,4845 2,597 5,5239 3,8227 4,875 9,442 8,8809
1,332 1,2725 1,5035 2,673 5,8321 3,9741 5,013 9,1338 9,2145
1,3528 1,7567 1,5376 2,768 5,2157 4,1665 5,1318 8,2912 9,5046
1,3907 1,7567 1,6004 2,8547 5,2787 4,3451 5,149 8,7502 9,5464
1,7032 1,7567 2,1357 2,974 7,2157 4,5912 5,233 8,6748 9,7527
1,7073 1,7567 2,1429 2,996 7,9076 4,6375 5,58 8,5928 10,615
1,7526 2,9719 2,2232 3,0052 8,4105 4,6569 5,943 9,5174 11,536
1,7603 2,9719 2,2368 3,0792 8,9076 4,812 6,104 9,5928 11,948
1,7946 2,9719 2,2981 3,1023 8,7315 4,8607 6,319 10,901 12,507
1,7973 3,8719 2,3029 3,227 7,8321 5,1251 6,427 10,668 12,79
Таблица 2 Table 2
Дисперсионный анализ адекватности аналитических вычислений и экспериментальных данных в диапазоне скоростей воздушного потока в заданный период времени от 0,709 до 6,427 м/с при обработке 63-х точек экспериментальных данных для ветротурбины 3БСПЛ+6Э отразился в сравнении расчетного критерия Фишера с его табличными значениями -Гр = 1,291 < Гт = 1,585.
Рис. 4. Графики вычисленных и экспериментальных вращающих моментов Fig. 4. Graphs of calculated and experimental torques
Выводы
1. Предлагаемая конструкция ветротурбины способна эффективно работать при скоростях от 0,5 до 15,0 м/с, т.е. в условиях ветрового режима нашей страны (см. рис. 1).
2. При скорости ветра более 15 м/с ветронаправляющие экраны прикрывают ветротур-бину, а при ураганах полностью ее закрывают, предотвращая ее разрушение (см. рис. 3).
5
Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986. 544 с. / Bronshtein I.N., Semendyaev K.A. The reference book on mathematics for engineers and technical students. Moscow: Nauka Publ., 1986, 544 p.
Библиографический список
1. Гаруман Л.Б. Принципы расчета предельных значений энергетических параметров структуры ветра. В кн.: «Исследования характеристик режима возобновляющихся источников энергии - воды, ветра и солнца». Ташкент: Изд-во АН Уз. ССР, 1963. С. 107-137.
2. Чирков М.М. Исследование ветряных двигателей в ветросиловой лаборатории ЦАГИ // Труды ЦАГИ. 1934. Вып. 164. С. 40-61.
3. Хозяинов Б.П. Испытание лопастей ветро- и гидротурбин с вертикальной осью вращения // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2010. № 4 (24). С. 120-124.
4. Хозяинов Б.П. Методика определения мощности ветротурбины с вертикальной осью вращения // Энергетик. 2013. № 1. С. 47-49.
References
1. Garuman L.B. Printsipy rascheta predel'nykh znachenii energeticheskikh parametrov struktury vetra [Calculation principles of limiting values of wind structure energy parameters]. In: "Issledovaniya kharakteristik rezhima vozobnovlyayush-chikhsya istochnikov energii - vody, vetra i solntsa" [Studies of mode characteristics of renewable energy sources - water, wind and the sun]. Tashkent: AN Uz. SSR Publ., 1963, pp. 107-137. (In Russian)
2. Chirkov M.M. Study of wind turbines in the TsAGI wind power laboratory. Trudy TsAGI [Proceedings of Zhukovsky Central Aero Hydrodynamic Institute]. 1934, issue 164, pp. 40-61. (In Russian)
3. Khozyainov B.P. Testing the blades of windmills and hydraulic turbines with the vertical axis of rotation. Vestnik Sa-marskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta [Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering]. 2010, no. 4 (24), pp. 120-124. (In Russian)
4. Khozyainov B.P. Method to determine the power of a vertical rotation axis wind turbine. Energetik [Energetik]. 2013, no. 1, pp. 47-49. (In Russian)
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
Статья поступила 30.10.2017 г. The article was received 30 Oktober 2017
