CC BY
32
УДК 621.548
Серебряков Р.А. ©
Ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, ФАНО ФГБНУ Всероссийский науно-исследовательский институт электрификации сельского
хозяйства
ВЕТРОУСТАНОВКА С ВИХРЕВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПОТОКОВ СПЛОШНОЙ
СРЕДЫ
Аннотация
В проблемах преобразования солнечной и ветровой энергии, а также энергии гидроресурсов, применение закрученных ламиниризированных потоков способно сыграть важную роль в связи с термогидравлической особенностью этих течений, концентрирующих в вихревой струе потоки кинетической энергии, рассеянные в окружающем пространстве. Это позволяет использовать низкопотенциальные термовосходящие течения, индуцированные солнечным нагревом, слабые ветра и кинетическую энергию потоков в руслах рек и гидроканалов.
Ключевые слова: ветер, ветроэнергетика, вихревой эффект, вихревой ветропреобразователь, поток, сплошная среда.
Keyword: wind, windenergy, a vortex effect, vortex micropropagation., converter, flow, continuous.
Ветровой энергетический потенциал России в несколько раз превышает сегодняшние потребности страны в электроэнергии, однако, конструкционные особенности современных лопастных ветряков и низкие скорости ветров на территории России делают невозможным его использование. Для эффективной работы лопастных ветряков необходима скорость ветра более шести метров в секунду. Использование ветроустановок (ВЭУ) на базе «Вихревых преобразователей потоков сплошной среды», способных использовать низкопотенциальные воздушные потоки (малые ветра), утилизированные тепловые потоки, сбрасываемые во внешнюю среду промышленными предприятиями и возможности преобразования гелио и гелиотермальной энергии в виде термоиндуцированных восходящих струй воздуха, позволит вырабатывать электроэнергию на воздушных потоках, движущихся со скоростью от 3-4 м/с [1, 2, 3, 4]. В основе работы (и конструкции) «Вихревого преобразователя потоков сплошной среды» (ВП) - т.н. «вихревой эффект»[5, 6, 7, 8, 9, 10]. В результате многолетних исследований, с использованием аэродинамических труб ЦАГИ, был создан «задел» теоретических основ и конструкций ветроустановок нового класса, алгоритмы и методики расчета устройств, использующих «вихревой эффект», а также модели и опытные образцы.
Конструкция ВП (Рис.1) содержит: входное и вытяжное устройство, направляющие аппараты (Рис.2), ротор (Рис.3) и дефлектор. Установка автоматически подстраивается под реальную скорость ветра и обеспечивает преобразование энергии ветра с высокой эффективностью и широком диапазоне ветров (Рис.4) [11, 12, 13, 14].
Особенности ВП относительно традиционных ветряков:
- в 1,5-2 раза меньше рабочая скорость ветра и массо-габаритные параметры;
- «ротор-генератор» исключает вал, нет системы «установа на ветер»;
- конструкция предполагает её модульное исполнение из идентичных функциональных модулей (Рис.5);
© Серебряков Р. А., 2016 г.
- стабилизация числа оборотов ротора обеспечивается изменением входной площади воздухозаборника;
- коэффициент использования энергии ветра быстроходность 2-1,5-2,0;
Рис.1. Элемент Рис.2. Конструкция ВП Рис. 3. Ротор
направляющего аппарата
Рис.4. Графики N = ^Ув) различных Рис.5 Схема модульного
вариантов ВЭУ исполнения ВП
Создание Вихревых преобразователей потоков сплошной среды (ВП) основано на возможности формирования ламинаризированных закрученных потоков, образованных кривыми второго порядка в вертикальной плоскости и по спирали Архимеда в горизонтальной плоскости, подобных по своим свойствам природному смерчу, обладающему значительным запасом кинетической энергии [15, 16, 17]. Рассмотрим коротко физические процессы, протекающие при работе вихревого преобразователя. Круговое трехмерное осесимметричное установившееся течение вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа описывается системой уравнений движения, сплошности, энергии и состояния, которая в цилиндрической системе координат имеет следующий вид:
Уравнение движения
Уравнение сплошности
фт-уг) ^ а(р-г-^) = о
сг
Уравнение энергии
Уравнение состояния
Решая приведенные выше уравнения можно прийти к выводу, что в радиально-круговом потоке газа ни вязкость, ни сжимаемость не могут изменить закона потенциального потока (закона свободного вихря) в распределении скорости и постоянства полной температуры по радиусу. Также известно, что устойчивость круговых потоков обеспечивается во всех случаях, когда возмущения приводят к увеличению момента количества движения на внешней границе потока или уменьшению на его внутренней границе.
Статор ВП, являющийся генератором закрученного потока (Рис.6) , образован группой симметрично расположенных по окружности каналов, воспроизводящих траекторию движения воздушных струй в природных смерчах, стекающихся в центральную осевую зону статора. В приосевой, центральной области сформированного в устройстве вихря, давление понижено по отношению к внешнему атмосферному давлению, что способствует образованию тяги и всасыванию тем самым в этот смерчеобразный столб дополнительной массы воздуха.
Рис. 6. Генератор закрученного потока
Вихревое движение возникает в турбулентном потоке вязкого сжимаемого газа, имеющем градиент статического давления по нормали к направлению основного движения. Стоит
отметить, что градиент статического давления может быть обусловлен гравитационными, инерционным, электрическим или магнитным полями. Важным фактором, вынуждающим воздух двигаться по заданным траекториям, является избыточное давление торможения р, определяющее величину азимутальной компоненты скорости вращения потока при выбранной форме закручивающего канала статора.
Величина избыточного давления торможения определяется:
„•=рМ)+гМ*
2 0 2
Зная давление торможения для всех сечений канала можно определить значения компонентов скорости потока - осевой У2 ¡(г), радиальной Уг ¡(г) и азимутальной Уф ¡(г) (Рис. 7). Физический смысл составляющих (У2 ¡(г), Уг ¡(г), Уф ¡(г)) скорости потока позволяет считать, что Уг(г) - интенсифицирует давление у стенок цилиндрической камеры статора ВП; У2(г) -расходуется в энергетическом балансе на преодоление гидравлического сопротивления в осевом движении вихря; Уф ¡(г) - частично преобразуется в энергию в форме механической работы потока на лопатках ротора ВП и частично рассеивается в окружающую среду.
Рис. 7 Компоненты скорости потока в цилиндрической зоне статора Условием работоспособности Вихревого преобразователя является зависимость:
РУ 2
Р(г,г) +-у^ ^ Ратм
При условии, что вся энергия потока с компонентой скорости Уф полностью перейдет в полезную работу, а величина р(г^) - давление за ротором ВП. Если это условие не соблюдается, то часть кинетической энергии закрученного потока следует превращать в давление подтормаживания струи. Очевидно так же, что ВП имеет свои границы устойчивой работы, определяемые минимальными значениями р(г,2) и У2 (г).
Так как каналы проектируемого ВП имеют специальный профиль (Рис. 8) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, меняющийся от сечения к сечению, так, что в центральную зону должны поступать струи, "сшивающиеся" в общий смерчеобразный вихревой
поток, движение в канале рассматривается как безотрывное, ускоряющееся к выходной щели.
Рис. 8. Схема канала статора
Траектория воздушных струй, обеспечивающая условия для образования квазипотенциального ламинаризированного потока, подобного природному смерчу, описывается системой из двух уравнений, характеризующих ее в двух плоскостях. Проекция траектории на горизонтальную плоскость описывается уравнением:
ф1 = ф0 + [Уф (r)/Vr (г)] • r2c • [1/г21 - 1/г20], а в вертикальной плоскости проекции, соответствующей уравнению:
const
z =
г 2
Условно можно в первом приближении представить Вихревой преобразователь как аналог вихревой самовакуумирующейся трубы. На выходе установлен ротор, а цилиндрическая зона
статора выполняет функцию направляющего аппарата турбины. Таким образом, при втекании воздуха из атмосферы в зону вихреобразования через тангенциальные направляющие каналы в вихревой зоне возникает интенсивный круговой поток или свободный вихрь, перемещающийся в сторону выходного сечения статорной части установки. По мере осевого перемещения этот поток взаимодействует с заполняющим приосевую ось потоком эжектируемого снизу потока воздуха. За счет воздействия внешнего кругового потока, приосевой поток, являющийся вынужденным вихрем, закручивается в ту же сторону и движется в сторону выходного сечения под действием осевого градиента давления. В Tаблице 1 и на Рис.9, 10, 11, 12 представлены результаты компьютерного исследования потоков сплошной среды в вихревой и периферийной зонах Вихревого преобразователя[18,19].
Массовый Полное Скорость, м/с
расход воздуха, кг/с давление, Па
На входе воздуха 0.0051833163 101325 0.27886328
На входе газа 0.02398211 101773.14 0.2
На выходе из 0.029139828 101582.27 18.855532
установки
Рис.9. Поля скоростей потоков рабочего тела на входе в статорную часть установки
Рис.10. Распределение скоростей рабочего тела от входа - к выходу из статорной части
установки
Рис.11. Линии тока набегающего воздушного потока
Рис. 12. Линии тока воздушного потока (вид сверху)
Выводы
В статье представлены обобщенные результаты теоретических и экспериментальных исследований Вихревых преобразователей потоков сплошной среды, а также подтверждена возможность создания вихревых ветроустановок на базе Вихревых преобразователей потоков сплошной среды, способных использовать низкопотенциальные воздушные потоки, движущиеся со скоростью от 3-4 м/с и, кроме того, утилизированные тепловые потоки, сбрасываемые во внешнюю среду промышленными предприятиями.
Литература
1. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Вихревая ветроэнергетическая установка, труды 7-й Международной н/т конференции «Энергосбережение и энергообеспечение в сельском хозяйстве, часть 4, М. ГНУ ВИЭСХ, 2010, с.248-252.
2. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Цыбизов Ю.И., Шелудько Л.П., Газо-ветроэнергетическая установка, ж. Альтернативный киловатт, 2011, №5, с. 48-51.
3. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Зазимко В.Н., Вихревая ветро-солнечная энергетическая установка, ж. Альтернативная энергетика и экология, №7, 2013 г., с. 23-26.
4. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Vortex effect - vortex energy technologies, Research in Agricultural Electric Engineering, volume 4, 2013, №4, page 74-78.
5. Серебряков Р.А., Волов В.Т., Исследование СВТ с вращающимся диффузором, депонировано в ВИНИТИ (УДК 621.43.46), №5713, 1984, 9 с.
6. Серебряков Р.А., Волов В.Т., Анализ возможности использования СВТ с вращающимся диффузором, Межвузовский сборник КУАИ «Аэродинамика ЛА и их систем», 1987, с. 134-138.
7. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Практическое применение вихревого эффекта, ж. Конверсия, №10, 1994, с. 19-20.
8. Серебряков Р.А., Некоторые вопросы теории вихревой энергетики, научные труды ВИЭСХ, т. 85, 1999, с. 34-54.
9. Серебряков Р.А., Вихревая энергетика, научные труды ВИЭСХ, т. 86, 2000, с. 80-92.
10. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Вихревая ветроэнергетическая установка, сб. «Ракетно-техническая техника», сер. XII, Самара, 2000, с. 43-73.
11. Серебряков Р.А., Калениченко А.Б., Вихревая ветроэнергетика, ж. Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, №11, 2001, с. 28-29.
12. Серебряков Р.А., Калениченко А.Б., Савченко А.М., Родионов Ю.Н., Энергия вихря и энергия вакуума - от теории к практике, ж. Энергетика и промышленность России, 2003, № 6, с. 10-12.
13. Серебряков Р.А.. Автономная ветроэнергетика, ж. Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, №7, 2004, с. 53-55.
14. Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Пиралишвили Ш.А., Вихревая энергетика в энергосберегающих технологиях, сб. докл. XIX школы-семинара «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях, г. Орехово-Зуево, М. Издат. Дом МЭИ, 2013, с. 15-16.
15. Бирюк В.В., Серебряков Р.А., Толстоногов А.П., Методика расчета вихревых установок, НТО СГАУЦ, Самара, 1992, 96 с.
16. Краснов Ю.К., Кикнадзе Г.И., Эволюция смерчеобразных течений вязкой жидкости, ДАН СССР, 1986, т.290, №6, с.1315.
17. Краснов Ю.К., Кикнадзе Г.И., Серебряков Р.А., Патент РФ №1779283, Способ формирования потоков сплошных сред, 1990.
18. Бирюк В.В., Красноруцкий И.А., Вихревая газоветроустановка для электроснабжения компрессорных станций, Вестник Самарского аэрокосмического университета им. С.П.Королева, 2011, №5(29), с. 29-35.
19. Бирюк В.В., Красноруцкий И.А., Методика расчета и анализа аэродинамических показателей газового потока в вихревой ветроэнергетической установке, Вестник СГАКУ им. С.П. Королева, 2013, №3(41), часть 1, с. 40-47.
