CC BY
76
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 125
УДК.621.548.4
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ПЛАНЕТАРНОГО ТИПА
Л. В. МИХНЕНКОВ
Рассмотрена схема ветроэлектростанции, работающей с использованием аэродинамического эффекта Магнуса. Мощность такой электростанции в одном агрегате может существенно превышать мощность обычной установки винтового типа.
Известно, что ветродвигатели классифицируются на малые: D < 16 м, N < 10 кВт; средние: D = 16 м 30 м, N = 10 кВт 100 кВт; большие: D > 30 м, N = 1 МВт 2 МВт. Здесь D - диаметр вет-роколеса, а N - мощность.
Немецкая фирма TACKE Windtechnik выпускает ветроустановки мощностью 600 кВт, у которых диаметр винта D = 43 м. Ветроэлектрическая установка ВЭУ-500 Днепропетровского КБ "Южное" имеет мощность 500 кВт при расчетной скорости ветра 12,9 м/с, диаметр винта 38,3 м, расстояние от основания до оси ветроколеса 35 м, масса ветроагрегата 48 т. В Калмыкии проходит испытания ВЭУ с проектной мощностью 1 МВт конструкции МКБ "Радуга" (Дубна) производства Тушинского машиностроительного завода (Москва).
Нелишне напомнить о том, что в начале 30-х годов Россия занимала одно из ведущих мест в работах по проблемам ветроэлектротехники (в настоящее время - одно из последних). В г. Балаклава была построена первая у нас ВЭУ на 100 кВт высотой 25 м с диаметром ветроколеса 30 м. В 1935 г. был закончен проект ВЭУ мощностью 1 МВт с диаметром колеса 50 м. Еще большая ВЭУ была спроектирована на Украине проф. Сабининым. Ее мощность составляла 4,5 МВт, высота башни 150 м, диаметр ветроколеса 80 м. В 1936 г. в Ай-Петри было начато строительство ВЭУ огромной даже по нынешним временам мощности - 10 МВт с двумя трехлопастными роторами диаметром по 80 м каждый, расположенными на 158 метровой башне. К сожалению, война прервала эти грандиозные работы.
Рассмотрим, какие возможности имеются у ВЭС, работающей с использованием аэродинамического эффекта Магнуса [1, 2]. На рис. 1 показан принцип работы такой ВЭС. Поток воздуха в центростремительном движении поступает в рабочее колесо (РК) (1). При этом обеспечивается поперечное обтекание сателлита (2), участвующего в двойном вращательном движении - вокруг своей оси и вокруг оси ротора. Благодаря такой кинематике ветротурбина носит название планетарной.
Векторный треугольник скоростей течения представлен на рис. 2. Абсолютная скорость потока воздуха V направлена по радиусу к центру РК. Переносная скорость и равна окружной скорости вращения РК. Сателлит обтекается потоком с относительной скоростью ", которая направлена под углом Ь по отношению к радиусу. В результате возникает подъемная сила Ру, проекция которой
Рис. 1
Рис. 2
Рут = Русо8^ на направление окружной скорости ротора и создает полезный крутящий момент, приводящий его во вращение. Наряду с этим сателлит испытывает аэродинамическое сопротивление Рх, тангенциальная составляющая которого Рхт = Рх8тР уменьшает полезный крутящий момент ротора. Мощность, развиваемая ротором, передается электрогенератору и частично расходуется на привод сателлитов.
Основным недостатком ветроэнергетических машин является их малая удельная мощность. Предлагаемая конструкция позволяет существенно увеличить значение данного параметра за счет рациональной организации течения воздуха в рабочем колесе (двухстороннего выхода потока), а также вертикального расположения его оси вращения. При этом возможно почти вдвое увеличить пропускную способность агрегата, а также значительно развить диаметральные размеры РК, поскольку его горизонтальное расположение в виде карусели не требует возведения мачтовых опор большой высоты. В то же время в данном случае для организации входа воздуха по всему периметру вихревой решетки требуется создание статора с лопаточным направляющим аппаратом и улиточным подводом рабочего тела к ее тыльной стороне.
На рис. 3 и 4 представлена конструктивная схема ВЭС (виды спереди и сверху).
Основными элементами ВЭС являются (рис. 3 и 4):
1) ротор, включающий в себя РК (1), состоящее из двух частей, вращающихся в противоположных направлениях, фермы (8), два вала ротора (2), сателлиты (3), приводные электродвигатели (6), обтекатели и вращающиеся направляющие дефлекторы (ВНД);
2) статор, который состоит из входного устройства, содержащего в себе лопаточный направляющий аппарат (ЛНА) (11) и двухзаходную улитку (12) с входной решеткой (ВР), опорных пилонов, оси ротора, отражателей (7);
3) машинное отделение, в которое входят силовой генератор (4), трансмиссия (5), пусковой генератор (13) и пусковой двигатель (14), аккумуляторная станция (15);
4) поворотное устройство, включающее в себя грузовые тележки с транспортными двигателями;
5) опорная ферма.
Воздух поступает в двухстороннее рабочее колесо воздушной турбины (1) через входное устройство, обеспечивающее равномерное распределение потока по его окружности и радиальный вход потока в рабочее колесо. Такой характер течения создается при помощи специально спрофилированных ЛНА (11) и двухзаходной улитки (12), обеспечивающей подвод воздуха с тыльной стороны РК. Входная решетка формирует поток на входе в улитку и придает ей необходимую жесткость. Двухстороннее рабочее колесо турбины состоит из двух частей, вращающихся в противоположные стороны вокруг общей неподвижной оси, связанной со статором опорными пилонами. Бироторная конструкция вихретурбины необходима для снятия реактивного момента с ее статора. Выход воздуха из
РК осуществляется в двух направлениях - вверх и вниз. Такая конструкция делает возможным двойное увеличение пропускной способности РК (а, следовательно, и общей мощности ВЭС) при неизменном значении его диаметра.
Общая вертикальная неподвижная ось обеспечивает требуемую центровку подшипниковых узлов РК. Вихревая решетка (ВР) рабочего колеса состоит из вращающихся вокруг своих осей цилиндров (3), приводимых во вращение электродвигателями (4). РК состоит из радиально расположенных ферм (8), закрепленных на валах ротора (2) и связанных между собой в окружном направлении укосинами (9) и хордовыми перемычками (10). Верхний и нижний обтекатели рабочего колеса, вращающиеся направляющие дефлекторы, закрепленные на укосинах РК, устанавливаются для поворота потока из горизонтального в вертикальное направление. По выходе из РК потоку придается диагональное направление отражателями (7). Крутящий момент от РК к силовому генератору (4) передается трансмиссией (5), в состав которой входят цевочная передача с большим передаточным отношением и мультипликатор, повышающие обороты до уровня, необходимого для работы генератора. Часть мощности силового генератора расходуется на привод сателлитов и питание электроэнергией других устройств.
Статор ВЭС самоустанавливается по ветру, поворачиваясь на грузовых тележках, которые в случае необходимости могут приводиться в движение транспортными двигателями.
Тележки перемещаются в окружном направлении по специальным направляющим, закрепленным на опорной ферме. Запуск турбины осуществляется с помощью пускового генератора (13), приводимого во вращение двигателем (14), или аккумуляторных батарей (15), подающих электроток на приводные двигатели сателлитов. Расчеты показывают, что ветротурбина предлагаемой конструкции может обеспечить в одном агрегате мощность, превышающую мощность ВЭС репеллерного типа в два - три раза.
На рис. 5 и 6 показаны трехмерные модели биротора и планетарной ВЭС. Между двумя валами (рис. 5) видна неподвижная крестовина, с помощью которой общая ось крепится к статору. Между вращающимися сателлитами установлены неподвижные силовые стержни меньшего диаметра, обеспечивающие жесткость фермы рабочего колеса.
Рис. 5. Рис. 6.
В заключение отметим следующие отличительные особенности конструкции ВЭС:
1. Основным принципом, на котором базируется работа планетарной ВЭС, является аэродинамический эффект Магнуса.
2. Вертикальное расположение оси вращения турбины (рабочее колесо карусельного типа) делает возможным увеличение ее диаметра и, как следствие, мощности по сравнению с турбиной, имеющей горизонтальную ось.
3. Двухсторонний выход потока из рабочего колеса позволяет почти в два раза увеличить пропускную способность турбины, а, следовательно, и ее мощность.
4. Вход потока по всему периметру РК осуществляется с помощью лопаточного направляющего аппарата и двухзаходной улитки.
5. Бироторная конструкция турбины исключает возникновение реактивного крутящего момента на статоре.
6. Расчеты показали, что у планетарной ВЭС достижимо более высокое значение коэффициента использования ветровой энергии, чем у лучших винтовых ветроустановок. С учетом вышеперечисленных конструктивных особенностей общая ее мощность в одном агрегате может превысить мощность обычных ВЭС винтового типа в два - три раза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 2169858 РФ. Планетарный ветроэнергетический агрегат / Михненков Л.В., Маркотенко Г.А. 2001.
2. Михненков Л.В. Ветроэнергетическая установка планетарного типа. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №49, 2002. С. 110 - 113.
PLANETARY WIND STATION
Mikhnenkov L.V.
One of the main problems in creating wind mounts is the increase of their relative and absolute power. Création of Planetary Wind Station (PWS) is another stage in this direction.
Сведения об авторе
Михненков Лев Владимирович, 1933 г.р., окончил МВТУ им. Баумана (1957), профессор, доктор технических наук, академик Российской академии космонавтики им. Циолковского, заведующий кафедрой МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование термогазодинамических процессов авиационных газотурбинных двигателей, ветроэнергетические установки и подъемно-транспортные системы летательных аппаратов нетрадиционных схем.
