СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Рожкова Людмила Георгіївна

УДК 621.548.5

НОВІ ФОРМИ ПРОФІЛІВ ЛОПАТЕЙ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЬОВИХ

ВІТРОУСТАНОВОК СЕРЕДНЬОЇ ШВИДКОХІДНОСТІ

05.05.17 – Гідравлічні машини і гідропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Суми – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Сумському державному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Коваленко Володимир Михайлович

Сумський державний університет

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Яковлєв Олександр Іванович,

Національний аерокосмічний університет

„ХАІ”, м. Харків;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Таурит Тетяна Георгіївна,

Інститут прикладних проблем гідроаеромеханіки

та теплообміну при НТУУ „КПІ”, м. Київ;

Провідна організація | Інститут проблем машинобудування імені

А.М. Підгорного НАН України, м. Харків.

Захист дисертації відбудеться “ 31 ” березня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, .

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розісланий “ 8 ” листопада 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савченко Е.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Можна без перебільшення сказати, що історія людства це історія енергетики, оскільки без її розвитку було б неможливе становлення цивілізації. До 70-х років двадцятого століття понад 90% споживаних енергоресурсів складали непоновлювані джерела енергії (нафта, газ, вугілля і т.д.) і лише 10% поновлювані (в основному гідроенергія). При збереженні темпів росту енергоспоживання до століття можливо повне витрачення запасів викопного органічного палива і не тільки вже розвіданих, але і прогнозованих. Так, за даними звіту Інституту технічної теплофізики НАН України, при існуючому в даний час рівні споживання енергії світові запаси нафти будуть виснажені протягом 35 років. З іншого боку, використання непоновлюваних джерел енергії веде до погіршення екологічного оточення. В даний час людство вступає в епоху примусової реструктуризації енергетичних комплексів національних економік практично всіх держав, оскільки більшість з них базується на технологіях згоряння палива. Так, наприклад, майже весь обсяг споживаного в Європі природного газу використовується саме цим шляхом, що є основним джерелом парникових газів: на один кубічний метр природного газу припадає така ж кількість СО2. Подібна картина спостерігається і при спалюванні інших видів палива, що уже в даний час приводить до локальних змін клімату. З метою запобігання глобальним змінам у цьому напрямку міжнародним співтовариством прийнята Рамкова Конвенція ООН про зміну клімату і відповідний їй Протокол Кіото, що вказує для високорозвинених країн граничні значення викидів в атмосферу і визначає заходи щодо їх зменшення. Технології переробки переважних у даний час непоновлюваних джерел енергії в основному вичерпали ресурси удосконалення. У цьому зв'язку постає необхідність усе більшого використання альтернативних енергоджерел.

У найбільш розвинутих країнах: США, Німеччині, Франції, Данії, Голландії та інших – в останні десятиліття енергетика з використанням альтернативних поновлюваних джерел енергії розвивається швидкими темпами. До них належать, зокрема, безпосередньо сонячна і вітрова. В енергобалансі деяких із згаданих держав частка поновлюваних джерел енергії вже зараз істотна, досягає 10-15 %, а надалі планується досягнення 30%-вої частки альтернативної енергетики у світовому енергобалансі. Велика роль у цьому приділяється вітроенергетиці. У нашій державі не менш актуальне впровадження технологій одержання енергії від поновлюваних джерел як у частині енергозбереження, враховуючи те, що Україна імпортує енергоносії, так і з погляду екології. У цьому зв'язку (і відповідно до Рамкової Конвенції ООН і Протоколу Кіото) у 1996 році в Україні була прийнята Національна енергетична програма, що визначає напрямки розвитку енергетики до 2010 року. В доповненні були розроблені Комплексна програма будівництва вітрових електростанцій (1996 р.) і Програма державної підтримки розвитку нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії (1997 р.).

У високорозвинених країнах діють введені на законодавчому рівні протекціоністські міри відносно альтернативної енергетики, зокрема фінансування її розвитку з держбюджетів, податкові пільги і так далі. Це стосується і вітроенергетики, оскільки вітроустановки (далі ВУ) до цього часу мають великий строк окупності через високу вартість 1 кВт установленої потужності (не менше 1000 дол. США), що робить актуальним пошук шляхів створення досить дешевих і в той же час високоефективних ВУ. І на світовому ринку, і в Україні спостерігається зростання попиту на автономні вітроустановки багатоцільового призначення (для вироблення електроенергії, вітронасосні і т.д.), причому потужність їх визначається кон’юнктурою ринку. Таким чином, ВУ повинні мати універсальну (з погляду багатоцільового застосування) лопатеву систему і невеликий строк окупності, бути зручними в експлуатації й обслуговуванні. Згідно з проведеним у 1993 р. за замовленням “Укренергоресурсів” фірмою “Концентр” (м. Київ) маркетинговим дослідженням ринку вітроенергетичного устаткування в Україні, потреба у ВУ різної потужності складала 270 тис. штук. Ситуація з тих пір практично не змінилася.

Відомі ВУ по розташуванню осі вітроколеса розділяються на горизонтальні (традиційні) і вертикально-осьові, котрі мають відчутні переваги в порівнянні з першими (відсутність вимоги орієнтування на вітер, розташування перетворюючих енергію пристроїв на землі), але менш досліджені. Розробка високоефективних і порівняно дешевих лопатевих систем для вертикально-осьових ВУ багатоцільового призначення буде сприяти виконанню державних програм в області вітроенергетики, а організація виробництва ВУ забезпечить робочі місця, що важливо в умовах високого безробіття.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт (НДР) Сумського державного університету (СумДУ), пов'язаних з тематикою з нетрадиційних джерел енергії. Наукові розробки реалізувалися при виконанні таких держбюджетних НДР:

тема 80.17.01.91-93 д/б “Аеродинамічні проблеми ортогональних вітроенергетичних установок”, номер державної реєстрації VA01000806Р, особистий внесок здобувача – розділи “Експериментальні дослідження одиночних лопатей і роторів ортогональних ВЕУ” (1992 р.) і “Експериментальні дослідження роторів вітроустановок” (1993 р.);

тема 80.17.02.94-96 д/б “Дослідження характеристик оптимальних роторів вітроенергетичних установок різного призначення”, номер державної реєстрації 0193U041263, особистий внесок здобувача – розділ “Експериментальні дослідження ортогональних ВУ” (1995 р.), пункти “Нова форма лопаті для ротора вертикально-осьової вітроустановки” (у співавторстві), “Вибір ротора вертикально-осьової ВУ середньої швидкохідності”, “Методика досліджень експериментальної ВУ в природних умовах” (1996 р.);

тема 80.17.04.97-99 д/б “Удосконалювання аеродинамічних форм і аеродинамічні способи керування обертанням роторів вертикально-осьових вітроустановок”, номер державної реєстрації 0197U016598, особистий внесок здобувача – розділ “Передумови розробки вертикально-осьових ВЕУ середньої швидкохідності з двохелементними лопатями”, пункт (у співавторстві) “Вплив шорсткості поверхні лопаті вертикально-осьової вітроенергетичної установки на її аеродинамічні характеристики” (1997 р.), розділи “Експериментальні дослідження” (1998 р.), “Удосконалювання аеродинамічних форм роторів вертикально-осьових вітроустановок” за винятком пункту 2.6 (1999 р.);

тема 80.01.04.00-02 д/б “Дослідження нетрадиційних турбомашин і систем для рішення енергетичних і екологічних проблем”, номер державної реєстрації 0100U03214, особистий внесок здобувача – розділ “Нові форми профілів лопатей вертикально-осьових вітроустановок середньої швидкохідності ” (2002р.).

Метою роботи є науково обґрунтований вибір нових форм профілів лопатей, що забезпечують самозапуск і високоефективну роботу вертикально-осьових багатоцільових вітроустановок середньої швидкохідності як при великих, так і при малих швидкостях вітру; їхнє дослідження і розробка рекомендацій щодо проектування ВУ з розробленими лопатевими системами.

Методи дослідження

Логічний аналіз, формулювання робочої гіпотези, фізичний експеримент.

Задачі дослідження

1. Виконання порівняльного аналізу робочого процесу передачі енергії вітру в найбільш застосовуваних лопатевих системах вертикально-осьових ВУ, прийняття і теоретичне обґрунтування концепції вибору і розробки форм профілів лопатей нового класу вітроустановок середньої швидкохідності.

2. Експериментальні дослідження аеродинамічних характеристик одиночних лопатей при куті атаки 0  3600 і візуалізація процесу обтікання лопаті.

3. Експериментальні дослідження характеристик потужності роторів ВУ.

4. Порівняльні експериментальні дослідження впливу конструкцій кріплення лопатей на характеристику потужності ВУ.

Достовірність отриманих результатів гарантується застосуванням відпрацьованих методик випробувань і відповідних вимірювальних приладів.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Доведено перспективність розробки вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності, що працюють у діапазоні коефіцієнта швидкохідності від 1 до 3 і являють собою новий клас вітроустановок.

2. Обґрунтовано концепцію вибору форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності і відповідно до неї запропоновані конкретні профілі.

3. Розроблена і підтверджена експериментальними результатами фізична модель процесу обтікання як лопатей типу КН, так і двохелементних лопатей запропонованої форми.

4. Експериментальним шляхом підтверджена правильність обраної робочої гіпотези, в основу якої покладений принцип адаптивності лопатей до особливостей робочого процесу у вертикально-осьових вітроколесах.

5. Отримані характеристики потужності високоефективних вертикально-осьових роторів середньої швидкохідності, що самозапускаються.

6. Розроблено рекомендації щодо прогнозування експлуатаційних характеристик і проектування вітроустановок.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Створено новий клас (по швидкохідності) вертикально-осьових вітроустановок багатоцільового призначення з роторами, що самозапускаються, здатні працювати з високим (майже граничним) коефіцієнтом використання енергії вітру як при великих, так і при малих його швидкостях.

2. Нові форми профілів лопатей у зв'язку зі зниженням вимог до точності їхнього виготовлення і можливістю застосування недорогих матеріалів дозволять здешевлювати виготовлення вітроколеса (у порівнянні із швидкохідними ВУ), що забезпечить конкурентоспроможність нового класу вертикально-осьових вітроустановок, особливо при малій потужності (до 50 кВт).

3. Новий клас високоефективних ВУ через малу швидкість руху лопатей більш безпечний в екологічному відношенні, ніж швидкохідні вітроустановки.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес для відповідних спеціальних курсів Сумського державного університету та Національного аерокосмічного університету “ХАІ” (м. Харків).

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані дисертантом самостійно. Постановка задачі здійснювалася разом з керівником. Теоретичні, розрахункові й експериментальні дослідження, а також аналіз результатів виконувалися здобувачем самостійно.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися на науково-технічних конференціях СумДУ (1992-2003р), науково-технічній конференції прикладної гідроаеромеханіки Інституту гідромеханіки, м. Київ (1992 р.), науково-практичній конференції з питань нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії (1996 р.), на Х Всеросійській міжвузівській науково-технічній конференції “Газотурбінні і комбіновані установки і двигуни”, Москва (1996 р.), на Міжнародній конференції “Enercon-97”, Київ (1997 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації є 26 публікацій, у тому числі опубліковано в спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України, 8 статей (з них 5 у співавторстві), отримано 3 Авторських свідоцтва СРСР та 3 Патенти України на винаходи (з них 4 у співавторстві).

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 196 сторінок, у тому числі 57 рисунків, 3 таблиці, список використаних джерел із 119 найменувань на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показана актуальність теми і викладена загальна характеристика роботи.

У першому розділі на основі виконаного літературного огляду розглянуті передумови використання енергії вітру, сучасний стан проблеми в Україні й у світі, проаналізовані характеристики вітру як джерела енергії. Виконано порівняльний аналіз позитивних якостей і недоліків відомих типів вітроустановок: з горизонтальним розташуванням осі і вертикально-осьових. Показано перспективність застосування вертикально-осьових ВУ, особливо в місцевостях з частими змінами напрямку вітру. Обґрунтовано необхідність удосконалення існуючих, а також розробки і дослідження нових лопатевих систем вертикально-осьових ВУ, що у порівнянні з горизонтальною схемою до цього часу менш поширені і досліджені. Відзначено особливу важливість розробки ВУ малої потужності.

У другому розділі розглянуті характеристики лопатевих систем, які найбільше застосовуються у вертикально-осьових ВУ. Відзначено, що до теперішнього часу існуючі ВУ є або тихохідними (опт 1), або швидкохідними (опт 3), причому перші мають низький коефіцієнт використання енергії вітру Ср, а другі при досить високому Ср не мають здатності до самозапуску і роботи при малих швидкостях вітру (коефіцієнт швидкохідності = Uл / U , де Uл колова швидкість лопаті, U швидкість потоку, що набігає). На основі виконаного докладного аналізу механізму процесу передачі енергії вітру лопатевим системам вертикально-осьових ВУ запропоновано застосувати лопаті, тягнуча сила яких формується як за рахунок різниці лобових опорів (особливо в період зрушення і розгону ротора), так і за рахунок піднімальної сили. Показано, що особливості формування тягнучої сили зумовлюють роботу ВУ в діапазоні 1 3. Обґрунтовані переваги роботи ВУ в даному діапазоні: значне зниження відцентрової сили на лопатях, можливість здешевлення лопатевої системи при забезпеченні високого Ср, зменшення негативного впливу на навколишнє середовище. Таким чином, обґрунтована доцільність і перспективність створення нового класу вертикально-осьових ВУ, котрі запропоновано класифікувати як ВУ середньої швидкохідності. Розглянуто нестаціонарний характер аеродинаміки вітроколес вертикально-осьових ВУ, основними характеристиками якого є циклічні зміни кута атаки , абсолютної швидкості Uа і аеродинамічних сил. Виконано розрахунки величин і Uа для точок колової траєкторії при визначених значеннях азимутального кута (тут - кутова швидкість, t – час, що пройшов з початку обертання) згідно з виразами Uа  і . При виборі форми профілю лопаті визначальну роль відіграє максимальна величина кута атаки, яка досягається при даній швидкохідності . У діапазоні 1 3 кут атаки може досягати великих значень, особливо в околиці = 1. Як приклад зазначимо, що при = 1.6 max на навітряному боці вітроколеса дорівнює 400 (на підвітряній через гальмування і скос потоку max має менше значення). Таким чином, застосування відомих крилових профілів у ВУ середньої швидкохідності неефективно через те, що докритичні кути атаки для них не перевищують 200.

У зв'язку з цим виникає необхідність розробки лопатей з формою профілю, що відповідає особливостям аеродинаміки нового класу ВУ з виконанням таких вимог:

забезпечення самозапуску ротора;

робота ВУ і при низьких швидкостях вітру;

високий коефіцієнт використання енергії вітру ;

більш проста технологія за рахунок зниження вимог до міцності і точності виготовлення лопатей із застосуванням дешевих матеріалів;

менший негативний вплив на навколишнє середовище (у порівнянні зі швидкохідними ВУ).

Самозапуск ротора ВУ має місце при достатній величині обертаючого моменту на вітроколесі при дії на нього в стані спокою вітрового потоку (так званий момент зрушення), що може бути досягнуто за рахунок великого лобового опору і властиво тихохідним ВУ. У нашому випадку лопать повинна мати конфігурацію, при якій на початку руху задіяна сила опору, а потім, при розвитку руху, виникала б піднімальна сила, здобуваючи на робочому режимі переважаючий характер. Формування тягнучої сили головним чином за рахунок піднімальної дозволяє збільшити Ср не менше, ніж у 2 рази в порівнянні з використанням лобового опору. Групою співробітників (серед яких значиться й автор) лабораторії вітроенергетики СумДУ була розроблена лопать з криловим незамкнутим профілем (типу КН), що потім автором була удосконалена (модифікація КН-4); обидва варіанти захищені авторськими посвідченнями. Суть розробки полягає в тому, що через незамкнутість контуру в порожнині лопаті утворюється “пастка”, потрапляючи в яку повітряний потік віддає велику частину кінетичної енергії, запускаючи вітроколесо. При цьому на великій ділянці кругової траєкторії різниця між силою тиску з боку порожнини і силою опору профілю лопаті залишається додатковою, направленою в бік руху. При русі на лопаті виникає піднімальна сила, що переважає силу опору на робочому режимі (при 1). У роторі лопаті встановлюються повнопротяжним боком до вала, “пасткою” зовні (див. рис. 1).

Конфігурація профілю КН визначає наявність відриву потоку, що обтікає, навіть і при нульовому куті атаки, зумовлюючи великий лобовий опір і на робочому режимі, що істотно обмежує значення Ср. Була прийнята концепція розробки на базі профілю КН4 високоефективних форм профілів лопатей ВУ середньої швидкохідності, в основу якої покладено принцип адаптивності лопаті до умов обтікання з метою зниження на робочому режимі їхнього опору і підвищення аеродинамічної якості. Реалізацією даної концепції є лопать КН.-6 (КН-4 з пластиною в сліді, приєднаної до повнопротяжного боку лопаті і названої демпфером відривних течій) і двоехлементні лопаті - з установкою крилової лопаті в сліді за КН-4. За робочу гіпотезу в другому випадку була прийнята можливість утворення на робочому режимі так званого “псевдопрофілю” у результаті приєднання до крила раніше відірваного від поверхні КН-4 потоку і поява обтічного контуру, що складається з твердої і повітряної частин. Обтікання системи двох профілів у даному випадку може бути безвідривним, без широкого вихрового сліду на всій траєкторії (або на більшій її частині) руху лопаті. На навітряному боці вітроколеса позитивну роль в утворенні псевдопрофілю відіграє ежекторний ефект радіальної (по радіусу ротора) щілини між поверхнями елементів лопаті. Велике значення має і геометрія елементів, зокрема форма внутрішньої поверхні першого елемента (незамкнутого профілю), його відносна товщина, а також співвідношення довжин хорд першого і другого елементів. Вплив розміру хорди першого елемента, на думку автора, істотний внаслідок наступних міркувань Подовження хорди повинне збільшувати тягнучу силу лопаті з двох причин: з одного боку потік, що набігає, діє на зрослу поверхню, особливо з боку розміщення порожнини, що має місце на навітряній частині ротора ВУ; з іншого боку, повинен вступати в дію ефект “пійманого вихору”. Термін “пійманий вихор” застосовується у випадку стаціонарного вихроутворення (без ближнього сліду). Конфігурація розглянутої двоелементної лопаті така, що при її обтіканні під визначеними кутами атаки в порожнині передкрилка з'являється вихор. Ефект “пійманого вихору” виникає у випадку, коли вихор розміщується в порожнині повністю з утворенням локальної застійної зони. Приймаючи процес обтікання в даному випадку “квазістаціонарним”, (потік для кожного кута атаки розглядається як сталий), вихор у порожнині передкрилка для кожного кута атаки можна кваліфікувати як стоячий, що дозволяє керувати основною течією. Мета керування потоком стосовно до розглянутого випадку полягає в тому, щоб за наявності стоячого вихору в порожнині лінія струму, що відходить від поверхні переднього елемента і поділяє вихрову і незбурену зони, приєднується до його ж поверхні в області, що стоїть перед задньою кромкою. Локалізація вихору в порожнині створює умови для обтікання другого елемента лопаті (крила) потоком, що не втратив кінетичної енергії, оскільки загальмований пограничний шар, що сформувався на поверхні передкрилка, піде в порожнину. Це позитивно позначиться і на дії радіальної щілини. Крім того, при локалізації вихору в порожнині передкрилка дисипація енергії буде найменшою, оскільки в цьому випадку ми маємо фізично стійкий рух з конкретною застійною зоною без втрат на вихроутворення в сліді. Стійкість течії в стоячому вихорі забезпечується увігнутістю твердої обтічної стінки стосовно області течії.

Безумовно, при зміні кута атаки й абсолютної швидкості натікання, як це і відбувається при русі лопаті по коловій траєкторії у вертикально-осьовій ВУ, будуть змінюватися (за гармонійним законом) як положення центра вихору, так і величина завихрення. Таким чином, з одного боку, розмір першого елемента по хорді визначається умовою повного розміщення в його порожнині вихору; з іншого боку, довжина хорди не повинна перевищувати межі, після якої надмірно послабляється ефект ежектування потоку на боці розрідження лопаті струменем, що проходить через радіальну щілину. Отже, для двохелементних лопатей запропонованої конфігурації повинно існувати оптимальне співвідношення розмірів передкрилка і крила. Правильність прийнятої концепції розробки форм профілів лопатей вертикально осьових ВУ підтверджена експериментальними дослідженнями. Варіанти досліджених лопатей наведені нижче на рис.1 і 6.

Рис. 1 Профілі випробуваних моделей лопатей типу КН

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень аеродинамічних характеристик одиночних лопатей типу КН, розрахункові і дослідні характеристики потужності роторів з даними лопатями, а також картини обтікання лопаті КН-4, що отримані шляхом візуалізації. Експерименти проводилися в дослідному гідробасейні і в гідролотку Інституту гідромеханіки НАН України. Зміни коефіцієнтів аеродинамічних сил Су і Сх лопатей із симетричним криловим профілем, вар. 1 рис. 1, і криловим незамкнутим профілем КН-4 тієї ж відносної товщини, рис. 1, в діапазоні кутів від 0 до 3600 (колове обтікання) наведено на рис. 2 і 3 у вигляді залежностей і . Аналіз показує, що критичне значення для NACA ( =0,12) не перевищує 180, тоді як для лопаті за вар. №1 ( =0,32) критична величина значно більша і досягає 500. На незамкнутому профілі КН-4 (як і на профілі КН - 3) падіння Су (порівняно плавне) має місце також при 500, проте при = 0 спостерігається велике пікове значення піднімальної сили (для даної ситуації – бічної сили), спрямованої до осі вітроколеса.

Наявність у діапазоні 0 1800 двох екстремумів на кривій , рис. 3, для профілю КН-4 (для профілю КН-3 другий екстремум відсутній при практичному збігу значень Сх на інших ділянках кривої) зумовлюється наявністю перемички в порожнині і відіграє позитивну роль при підтвердженому дослідами самозапуску ротора. Дослідження довели також працездатність роторів з лопатями КН і при великих, і при малих швидкостях вітру, причому найвищий мало вітроколесо з лопатями КН-4 при значенні і= 3 і коефіцієнті заповнення = 0,5 ( , де b – хорда лопаті; D – діаметр вітроколеса).

Рис. 2 Залежність аеродинамічних характеристик від кута атаки : лопать №1 рис. 1 Су ––– Сх

NACA 0012 – – Су – – Сх

Рис. 3 Залежність аеродинамічних характеристик лопаті КН-4 (рис.1) від кута атаки : Су ––– Сх

Зазначимо, що розрахункова характеристика потужності трилопатевого ротора з лопатями КН-4, яка отримана з використанням дослідних значень Су і Сх, і експериментальна характеристика потужності з урахуванням втрат на тертя у водному середовищі не збігаються по і , що пояснюється не врахуванням ефектів гальмування і скосу потоку і виявляє досить істотний вплив отих явищ, рис. 4.

Рис. 4 Залежність для ротора з лопатями КН-4 і=3, =0:

розрахункова ; експеримент без обліку втрат –––– ;

експеримент з урахуванням втрат ––––

Результати візуалізації обтікання одиночних лопатей, що виконані в гідролотку за допомогою “світлового ножа” і тирси, підтверджують характер наведених на рис. 2 і 3 залежностей аеродинамічних сил Fу і Fх від кута атаки для профілів типу КН. Наявність вихрового сліду практично при всіх значеннях кута атаки (натікання з боку вхідної кромки), рис. , зумовлює високий опір профілю і виключає його застосування в області високих значень коефіцієнта швидкохідності .

Звідси ж і низький коефіцієнт використання енергії потоку при малій і середній швидкохідностях. Разом з тим, картина обтікання профілю КН-4 при кутах атаки понад 900 (в авторефераті не наводиться) підтверджує можливість самозапуску ротора з лопатями типу КН внаслідок великого моменту зрушення, а також його роботу як при великих, так і при малих швидкостях вітру, що було показано дослідженнями характеристик потужності роторів з даними лопатями.

Таким чином, фізичний експеримент підтвердив, що застосування лопатей із криловим незамкнутим профілем забезпечує його самозапуск та працездатність і при малих швидкостях вітру в діапазоні значень 1 3, що дозволило вибрати профіль КН-4, що має найбільш високий Ср у дослідженнях, як базовий для лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності з подальшим удосконаленням, основним напрямком якого є зменшення опору і відповідно підвищення аеродинамічної якості лопаті.

Рис. 5 Обтікання профілю КН-4 з боку вхідної кромки

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень характеристик потужності роторів з новими формами профілів лопатей, розробленими відповідно до прийнятої концепції, що включають тією чи іншою мірою конфігурацію профілю КН-4. Досліджені варіанти лопатей і їхнє розміщення в роторі подані на рис. 6. Енергетична характеристика трилопатевого ротора з лопатями КН-6 (рис. 6), що має найбільш високе значення коефіцієнта використання енергії вітру (Ср) серед випробуваних варіантів з даними лопатями, наведена на рис. 7.

Рис. 6 Варіанти профілів лопатей і установка їх у роторі

Рис. 7 Залежність для ротора з лопатями КН-6; і=3

При випробуваннях роторів з двохелементними лопатями досліджувався, насамперед, вплив наявності і розмірів радіальної щілини (k і lщ), геометрії першого елемента, співвідношення довжин хорд першого і другого елементів, а також відносної товщини лопаті. Був підтверджений позитивний ефект ежектування потоку і встановлені оптимальні значення розміру k при визначених величинах lщ для кожного з випробуваних варіантів лопатей.

Кращі результати при випробуваннях дволопатевих і трилопатевих роторів із двохелементними лопатями отримані для лопатей вар. 4, рис. 6. Як це видно з рис. 8 і 9, при цьому коефіцієнти заповнення дорівнювали відповідно 0, 67 і 0, 44

Рис. 8 Зведений графік залежностей для роторів при і=3:

лопаті вар. №3 рис. 6; lщ = 1 мм; k = 0,8 мм;

лопаті вар. №4 рис. 6; lщ = 3 мм; k = 0,8 мм;

лопаті вар. №5 рис. 6; lщ = 3 мм; k = 0,8мм

Рис. 9 Зведений графік залежностей для роторів при і=2:

лопаті вар. №3 рис. 6; lщ = 1 мм; k = 0,8 мм;

лопаті вар. №4 рис. 6; lщ = 3 мм; k = 0,8 мм;

лопаті вар. №5 рис. 6; lщ = 3 мм; k = 0,8мм

Підтверджено висловлене з фізичної точки зору припущення про вплив відносної довжини хорди переднього елемента на характеристику потужності ротора. Вплив довжини хорди першого елемента ілюструється рис. 10. Найкращі показники серед випробуваних варіантів лопатей має біпрофільний (з рівними хордами елементів).

Рис. 10 Вплив довжини хорди переднього елемента лопаті на коефіцієнт використання енергії потоку Ср: і = 3; і = 2

Результати випробувань підтвердили відомі літературні дані про малий вплив зміни відносної товщини лопаті в діапазоні 0,18   ,24 на характеристику потужності вертикально-осьових ВУ. Для всіх випробуваних варіантів роторів з новими формами профілів лопатей спостерігався самозапуск. Таким чином, експериментальні дослідження характеристик потужності роторів з удосконаленими лопатями підтвердили правильність прийнятої концепції розробки нових форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності. Як показали випробування, досить високий ступінь адаптивності дозволив досягти високих значень коефіцієнта використання енергії вітру при забезпеченні самозапуску ротора ВУ. Отримані значення коефіцієнта використання енергії вітру Ср для роторів з лопатями КН 6 і особливо двохелементними близькі до граничного для робочих областей по швидкохідності зазначених роторів, рис. 11.

Рис.11 Розміщення характеристик потужності вертикально-осьових ВУ по швидкохідності () відносно критерієв Бетца (1) та Глауерта (2): 3 – ротор Савоніуса; 4 – ротор Дарьє; 5 ротор з лопатями КН-6; 6 – ротор із двоелементними лопатями при

Дана обставина з урахуванням наявності самозапуску ротора і здатністю його до роботи як при великих, так і при малих швидкостях вітру гарантує створення високоефективних вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності.

П'ятий розділ містить рекомендації щодо вибору лопатевої системи і проектування вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності. Виконані дослідження визначили на цьому етапі найбільш ефективну форму профілю лопаті з запропонованих для вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності: двохелементну з приблизно рівними хордами елементів і відносною товщиною =0,180,24. Лопать КН-6, з огляду на простоту форми і технології виготовлення, також може бути цілком прийнятою для використання. Найбільш важливими аспектами при створенні ВУ є вибір геометричних параметрів лопатевої системи і визначення експлуатаційних характеристик. Лопатеву систему характеризують такі основні параметри:

- площа, що омітається ротором, S;

- форма лопатей і їхня кількість, і;

- коефіцієнт заповнення (затінення), ;

- хорда лопаті, b;

- подовження лопаті, .

Сукупність значень цих параметрів і ступінь їхнього наближення до оптимуму визначають аеродинамічну і, відповідно, енергетичну досконалість ротора ВУ. Зупинимося докладніше на особливостях вибору даних параметрів.

Площа, що омітається ротором, для вертикально-осьових ВУ дорівнює , де Н – висота ротора; D – діаметр, визначається за значенням заданої потужності Р: , де

Рпит – питома потужність вітрового потоку (із площею поперечного переріза 1м2); - механічний коефіцієнт корисної дії ВУ. У свою чергу, питома потужність потоку дорівнює . Тоді . Значення швидкості вітру U у цьому виразі є номінальним і повинне вибиратися або таким, що дорівнює середньорічній Uпорівн для даної місцевості (при вимозі гарантованої потужності ВУ), або за методикою Поморцева, коли Uном = 1,5 Uпорівн.

Краща з погляду гарантування самозапуску кількість лопатей у роторі і = 3 (що найчастіше зустрічається у світовій практиці). Коефіцієнт заповнення залежить від типу лопатей, що застосовуються; у нашему випадку для ротора з двохелементними лопатямі = 0,44; з КН-6  ,75, при цьому довжина хорди задовольняла умову b 0,1D, що відповідає літературним даним із досліджень роторів вертикально-осьових ВУ з криловими лопатями. Згідно з тими же джерелами рекомендується співвідношення висоти і діаметра вітроколеса Н 0,6D.

Як показали результати виконаних у лабораторії вітроенергетики досліджень впливу конструкції кріплення лопатей на характеристику потужності ВУ, наведені в п'ятому розділі, він може бути значним. На підставі цих досліджень і даних літературних джерел розроблені рекомендації з вибору конструкції кріплення. Крім того, розглянуто ступінь впливу шорсткості поверхні лопатей і інших деталей вітроколеса на характеристику потужності ВУ і оцінена величина припустимої шорсткості для конкретних умов. Рекомендовано прийнятні матеріали для виготовлення лопатей ВУ.

Поряд з універсальною характеристикою ВУ для практики експлуатації не менш важливі такі характеристики:

- залежність потужності Р від швидкохідності і швидкості вітру U;

- залежність обертаючого моменту Моб від і числа обертів n;

- залежність числа обертів від ;

- сумарна енергія, що виробляється ВУ за рік.

При відомих , швидкості вітру U і геометрії ротора вищезгадані параметри завжди можуть бути визначені. Для практики найбільш важливі оптимальні значення Ропт, Моб.опт і nопт (обумовлені при Ср опт), оскільки правильність вибору навантаження і його структура гарантують роботу в оптимальному або близькому до нього режимі. В умовах змінності швидкості вітру величини Ропт, Моб.опт і nопт повинні бути подані у вигляді залежностей від U для конкретної ВУ, що значно спрощує узгодження характеристик ВУ і навантаження при експлуатації.

Коректність розрахунку експлуатаційних характеристик з використанням характеристики потужностї моделі зумовлюється рівністю чисел Рейнольдса для натури і моделі або наявністю режиму автомодельності, що, за даними літературних джерел, настає для ВУ при Re  6. ВУ малої потужності найчастіше працюють при Re 106 і проведення модельних досліджень для великого ряду значень числа Re (для кожної конкретної ВУ) практично нереально. У цьому випадку пропонується прогнозування характеристики потужностї натурної ВУ з використанням модельної особливо якщо число Re для ВУ більше, ніж було в модельних випробуваннях. Принциповий підхід тут полягає у тому, що збільшення Re гарантує підвищення енергетичної характеристики ВУ. Використовуючи за базову характеристику потужності моделі, визначаються орієнтовні розміри ротора натурної ВУ, потім на стадії дослідного зразка характеристика потужності уточнюється і проводиться розрахунок експлуатаційних характеристик за формулами: , тут Р - енергія вітрового потоку, що проходить через площу, яка омітається ротором ВУ; , де ; .

Доцільний також розрахунок обертаючого моменту з використанням коефіцієнта тягнучої сили лопаті , тут , - динамічний тиск потоку, що набігає; Sл – несуча площа лопаті. Знаючи для моделі, легко визначати обертаючий момент для ВУ з лопатями даного типу. На рис. 12 наведені залежності для лопатей КН-6 і двохелементної ( ), що відповідають одержаним в модельних випробуваннях характеристикам потужності роторів з даними лопатями.

Використовуючи відомі загальні вирази для характеристик потужності ВУ (Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн. 1. Ветроэлектрогенераторы. “ХАИ”, 2003.), одержимо наступні апроксимуючі залежності :

для характеристик потужності роторів КН-6: права частина характеристики потужності ; ліва частина ;

для ротора с двохелементними лопатями: права частина ;

ліва частина .

Рис. 12 Коефіцієнт тягнучої сили лопаті і характеристика потужності моделей роторів з лопатями:

КН-6 = 0,75; ; - - ;

двохелементної = 0,44; ;

Характеристики ВУ великої потужності визначаються за методами, які розробив проф. М.І. Волков (докторська дисертація, 1997р., СумДУ)

Сумарна річна енергія визначається за формулою , де tn – сума часу (кількість годин) повторюваності кожної швидкості вітру, що визначена по кривих Поморцева.

Величина сумарної енергії, що виробляється за рік, важлива, насамперед, для оцінки доцільності застосування ВУ в тих або інших умовах і у кінцевому підсумку для визначення її окупності.

ВИСНОВКИ

1. Докладний аналіз механізму передачі енергії вітру на лопать, а також зміни аеродинамічних і характеристик потужності лопатевої системи і окремої лопаті в залежності від різних кінематичних і динамічних параметрів потоку і геометрії лопатевої системи привів до висновку про можливість, а з урахуванням потреб практики, і необхідність створення нового класу вертикально-осьових ВУ, названого вітроустановками середньої швидкохідності (1.0 3.0).

2. Експериментами, виконаними в аеродинамічній трубі Т-5 ХАІ, в дослідному гідробасейні Інституту гідромеханіки НАН України, на аеродинамічному стенді СумДУ, а також на натурних зразках вітроустановок потужністю 1 кВт і 2 кВт доведено, що для ВУ середньої швидкохідності в широкому діапазоні швидкостей вітру найбільш ефективними є лопаті типу КН, зокрема лопаті КН-6 і двохелементні. Лопатева система з даними лопатями забезпечує самозапуск ротора і досягнення високих значень коефіцієнта використання енергії вітру, порядку Ср  0.35.

3. Досліджено вплив геометрії двохелементного профілю на його аеродинамічні характеристики; визначені оптимальні розміри щілини між елементами профілю, довжина хорди переднього елемента, співвідношення хорд обох елементів, відносна товщина повного профілю, коефіцієнт заповнення ротора. Таким чином, визначена найбільш сприятлива геометрія всього профілю.

4. Експериментальним шляхом отримані коефіцієнти опору Сх і коефіцієнти піднімальної сили Су одиночної лопаті з профілем типу КН-4 при круговому обтіканні (0    0). За запропонованою автором методикою з використанням цих коефіцієнтів виконані розрахунки тягнучої Fт і радіальної Fr сил для дискретних значень коефіцієнта швидкохідності і проведена оцінка величини коефіцієнта використання енергії вітру Ср.

5. Розглянуто нестаціонарний характер обтікання роторів вертикально-осьових ВУ і установлено визначальне значення характеристик нестаціонарності для вибору форми профілю лопаті. За результатами аналізу прийнята концепція розробки форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності, відповідно до якої однією з основних якостей лопаті повинна бути адаптивність до умов обтікання, що і забезпечується за рахунок оригінальних форм запропонованих нових профілів. ВУ з такими лопатевими системами повинні мало впливати на навколишнє середовище внаслідок малої колової швидкості лопатей.

6. На підставі експериментальних даних автора, а також з використанням літературних джерел рекомендовані найбільш вдалі варіанти кріплення лопатей до вала. Розглянуто питання впливу шорсткості обтічної поверхні лопаті на її аеродинамічні характеристики, а також дана оцінка величини припустимої шорсткості. Запропоновано методику розрахунку геометричних параметрів вітроколеса, експлуатаційних характеристик ВУ і рекомендовані можливі матеріали для обшивання лопатей. Ці результати можуть знайти застосування при розробці конструкції конкретної вітроустановки.

7. В Україні в даний час найбільш необхідними є вітроустановки малої потужності які водопідйомні, теплогенеруючі, борошномельні і інші агрегати. Тому необхідно розробляти і виробляти багатоцільові вертикально-осьові вітроустановки середньої швидкохідності з малою потужністю. Строк окупності вітроустановки, що залежить від багатьох факторів, доцільно визначати за кількостю енергії, що виробляється нею протягом року.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коваленко В.М., Волков Н.И., Рожкова Л.Г. Эффективный профиль лопасти ортогональной ВЭУ, обеспечивающей ее самозапуск // Тез. докл. научно-техн. конференции, СФТИ, Сумы. 1991.-С. 98.

2. Лопасть ветроколеса.: А.с. 1733680 СССР, МКИ F03D 1/06 / Коваленко В.М., Волков Н.И., Рожкова Л.Г. и др. Опубл. 15.05.92, Бюл. №18.

3. Ветроколесо.: А.с. 176549368 СССР, МКИ F03D 3/06 / Коваленко В.М., Волков Н.И., Рожкова Л.Г. и др. Опубл. 30.09.92, Бюл. №36.

4. Лопасть ветроколеса.: А.с. 1815409 СССР, МКИ F03D 1/06 / Рожкова Л.Г. Опубл. 15.05.93, Бюл. №18.

5. Коваленко В.М., Королев В.И., Рожкова Л.Г., Савченко В.Т. Исследование аэродинамических и мощностных характеристик элементов ортогональной ветроэнергетической установки // Материалы научно-техн. конференции по прикладной гидромеханике Института гидромеханики, Киев. 1992.-С. 36 – 37.

6. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Аэродинамические характеристики профилей типа КН // Тез. докл. научно-техн. конференции, СФТИ, Сумы. 1993. -С.281

7. Рожкова Л.Г. Способ усовершенствования лопасти типа КН (с крыловым незамкнутым профилем) // Тез. докл. научно-техн. конф., СФТИ, Сумы – 1993. -С.284

8. Рожкова Л.Г. Некоторые результаты исследований роторов ортогональной ВЭУ с усовершенствованными лопастями // Тез. докл. научно-техн. конф., СумГУ, Сумы. 1995. -С.12.

9. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Новая форма лопасти для ротора вертикально-осевой ветроустановки. // Матеріали науково-практичної конф. Питань розвитку і впровадження техніки і технології використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, АР Крим – 1996.

10. Лопасть ветроколеса. Пат. 12474А України, МКИ F03D 1/06, 3/06 / Рожкова Л.Г., Рожков В.Ф. № 93010062; заявл. 11.11.92; Опубл. 28.02.97, Бюл. №1.

11. Кощиенко И.Н., Рожкова Л.Г. Особенности выбора конструкции подвески вертикально-осевой ВЭУ // Тез. докл. научно-техн. конф., СумГУ, Сумы. 1997. -С. 8.

12. Коваленко В.М.,