НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ВІДНОВЛЮВАНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

ШЕВЧЕНКО Юрій Валер’янович

УДК 621.548

ГРАНИЧНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ВІТРОУСТАНОВОК ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ ДЛЯ

РОЗРОБКИ ЗАПОБІЖНИХ ПРИСТРОЇВ

Спеціальність 05.14.08 “ Перетворювання відновлюваних

видів енергії”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики

Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник доктор технічних наук, с.н.с.

Головко Володимир Михайлович,

Інститут відновлюваної енергетики НАН України,

провідний науковий співробітник відділу вітроенергетики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Яковлєв Олександр Іванович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

МОН України, професор кафедри енергетики та

електротехніки;

кандидат технічних наук, с.н.с.

Таурит Тетяна Георгіївна,

Національний технічний університет України “Київський

політехнічний інститут” МОН України, старший науковий

співробітник кафедри прикладної гідроаеромеханіки і

механотроніки.

Захист дисертації відбудеться 11. 03. 2008 р. об 11-00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.249.01 Інституту відновлюваної енергетики

НАН України за адресою: 02094, м. Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20А. Тел. 537-26-57

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту відновлюваної енергетики НАН України (02094, Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20а).

Автореферат розіслано 08. 02. 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Т.В. Суржик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Успішний розвиток вітроенергетики в Україні передбачає створення вітроенергетичних установок з високими техніко-економічними показниками, що можливо лише при наявності методологічної бази, зокрема більш точних методик розрахунку робочих параметрів роторів вітродвигунів та параметрів запобіжних пристроїв. Запропоновані нові теоретичні та практичні підходи до визначення параметрів вітродвигунів та запобіжних пристроїв, що дозволяють здійснити енергетичне вдосконалювання існуючих роторів вітродвигунів, підвищити їх надійність а також провести прогнозування основних показників на стадії попереднього проектування.

Актуальність теми. Напружена ситуація в Україні з постачанням паливних енергоресурсів спонукає до більш широкого впровадження енергетичних установок, що працюють на відновлюваних джерелах енергії. Зараз це один з найважливіших принципів національної енергетичної політики, оскільки процес приєднання до європейської співдружності передбачає поступову відмову від використання атомної енергетики. Відповідно з планами інтеграції в Євросоюз Україна розробила стратегію розвитку відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), згідно якого доля ВДЕ в загальному енергопостачанні країни збільшиться з 3% до 15,5% в 2030 році. Ця стратегія розвитку зафіксована Постановою Кабінету Міністрів №1505 “Програма державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики” і міститься у Постанові Кабінету Міністрів №111-р “Про засоби реалізації пріоритетних положень Програми інтеграції України в Євросоюз” від 2005 р.

Розрахунки “Комплексної програми будівництва вітроелектростанцій в Україні” передбачають вже у 2010 році замістити 2306,0 тис. т умовного палива. Тому постає задача суттєвого покращення техніко-економічних показників роторів вітродвигунів, за рахунок підвищення їх енергетичних показників при одночасному вдосконалюванні конструкції.

Вирішення цієї задачі в значній мірі залежить від подальшого вдосконалювання методологічної бази розрахунку роторів вітродвигунів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наукові дослідження за темою дисертації проводились у відповідності з Постановами Ради Міністрів УРСР №427 від 15.07.80 р., №250 від 11.07.86 р., Президії АН УРСР № 2182 від 17.10.86 р., і програмою науково-дослідних робіт ДКНТ України 04.10.93 р. “Нетрадиційні і відновлювані джерела енергії та ефективні системи їх використання” за темою “Розроблення ефективних методів і засобів перетворювання, акумуляції та використання енергії вітру” (проблема 1.213.14.08 відновлювані джерела енергії від 08.04.2004) і наведені у 3-х науково-технічних звітах, що мають номери державної реєстрайцї № ДР 0251.10548.879, № ДР 0182.10003.678 та № ДР 0104U003588, в яких автором розроблені аеродинамічні розрахунки роторів вітроустановок.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є визначення граничних енергетичних характеристик горизонтально-осьового ротора вітроустановки шляхом розробки удосконаленої математичної моделі ідеального ротора вітроустановки з урахування аеродинамічної якості профілю лопаті, та застосування граничних енергетичних характеристик при розробці нових технічних рішень запобіжних пристроїв роторів.

Для досягнення мети вирішені наступні задачі:

– розробка математичної моделі ідеального ротора вітроустановки з урахуванням аеродинамічної якості безпосередньо в планах сил та швидкостей на елементі активної поверхні ротора при різних режимах його роботи;

– розробка методики визначення граничних енергетичних характеристик горизонтально-осьових роторів на основі математичної моделі ідеального ротора з урахуванням аеродинамічної якості профілю лопатей;

– розробка методики визначення параметрів запобіжних пристроїв на основі граничних енергетичних характеристик роторів;

– розробка та дослідження експериментальних зразків роторів вітродвигунів з запобіжними пристроями, проведення експериментальної перевірки запропонованих теоретичних положень, провести аналіз та розробити рекомендації.

Об’єкт дослідження – горизонтально-осьовий ротор вітроустановки, що перетворює енергію вітру в механічну енергію, та його запобіжні пристрої.

Предмет дослідження – процес перетворення кінетичної енергії вільного потоку в механічну енергію в роторі вітроустановки та процес скидання зайвої потужності ротора за рахунок запобіжних пристроїв.

Методи досліджень – вирішення поставлених задач проводились методом удосконалення математичної моделі ідеального ротора вітродвигуна (теорія А.Бетца-Н.Є.Жуковського, розширеної теорії ротора У.Хюттера), з використанням законів фізики та аеродинаміки (3-й закон Ньютона, закон збереження імпульсу, закон Бернуллі, теорема Фруда-Фінстервальдера та ін.).

При визначенні граничних характеристик роторів, були застосовані чисельні методи інтерполяції та інтегрування методом Симпсона. При визначенні номінальних значень відносних параметрів ротора використовувались методи оптимізації шляхом дослідження функціональних залежностей на екстремум.

Отримані теоретичні дані порівнювалися з експериментальними даними аеродинамічних продувок та натурних випробувань експериментальних та серійних зразків горизонтально-осьових роторів вітродвигунів.

На основі даних граничних енергетичних характеристик аналітично визначались параметри запобіжних пристроїв, що використовують сили Коріоліса та аерогідродинамічного тертя.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна досліджень і одержаних результатів полягає в наступному:

– удосконалено математичну модель ідеального ротора шляхом урахування аеродинамічної якості безпосередньо в планах сил та швидкостей на елементі активної поверхні ротора;

– розроблений метод визначення вдосконалених граничних енергетичних характеристик елементу лопаті горизонтально-осьового ротора та ротора вцілому, що дозволяє визначити його граничні характеристики та підвищити точність розрахунку ротору та його запобіжних пристроїв у різних режимах роботи;

– удосконалені рівняння визначення параметрів запобіжних пристроїв, що використовують сили Коріоліса та аерогідродинамічного тертя, за даними граничних енергетичних характеристик роторів вітроустановок, що дозволяє підвищити надійність вітроустановок.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

Розроблено математичну модель ідеального ротора та метод визначення граничних енергетичних характеристик роторів вітроустановок за заданою аеродинамічною якістю профілю лопаті, дозволяють:

– визначити характеристики навантаження, трансмісії та передаточного числа мультиплікатора;

– визначити параметри запобіжних пристроїв ротора вітродвигуна;

– визначити резерви підвищення енергоефективності існуючого ротора і можливі шляхи її досягнення;

– визначити номінальну аеродинамічну характеристику ротора на основі його граничної енергетичної характеристики, що призводить до суттєвої економії часу за рахунок уникнення рішення рівнянь зв’язку.

– визначити за запропонованими методиками параметри запобіжних пристроїв, що використовують сили Коріоліса та гідроаеродинамічного тертя.

Розроблений ряд нових технічних рішень запобіжних пристроїв роторів дозволяє збільшити надійність роботи вітроустановок.

Результати роботи впровадженно у вигляді методик, розрахунків, рекомендацій, робочих креслень та експериментальних зразків вітроустановок в НТУУ “Київський політехнічний інститут”, Інституті електродинаміки НАН України, Пермському науково-дослідному технологічному інституті (Росія), ДержНДІ нетрадиційної енергетики та електротехніки Мінпаливенерго України, Інституті відновлюваної енергетики НАН України, Державному конструкторському бюро “Південне” (м. Дніпропетровськ), ВАТ “Українська гірничо-металургійна компанія” (м. Київ).

Результати впровадження підтверджені відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи, які виносяться на захист, отримані автором особисто (без співавторів).

Апробація результатів дисертації. Про основні результати роботи доповідалось на П’ятій науково-практичній конференції з питань розвитку й впровадження техніки і технології використання нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії (смт. Миколаївка, 1996 р.), П’ятій Міжнародній конференції “Нетрадиційна енергетика XXI віку” (смт. Миколаївка, 2004 р.), Шостій Міжнародній конференції “Нетрадиційна енергетика ХХІ віку” (смт. Миколаївка, 2005 р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 14-ти публікаціях: 3 статті у фахових наукових виданнях (без співавторів); 1 стаття у

профільному журналі (без співавторів); 1 теза доповіді на науково-практичній конференції (без співавторів); 8 авторських свідоцтв на винаходи (без співавторів); 1 патент на винахід (без співавторів).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з переліку умовних позначень та скорочень, вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел (167 найменувань) і додатку. Загальний обсяг дисертації становить 148 сторінок, у тому числі 124 сторінки основного тексту, 55 рисунків, 9 таблиць і один додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, її зв’язок з науковими програмами. Показано актуальність роботи, визначені об’єкт та предмет досліджень.

У першому розділі виконано аналіз існуючих теорій розрахунку характеристик горизонтально-осьових роторів вітроустановок та наведена загальна класифікація запобіжних пристроїв роторів вітроустановок. З’ясовано зв’язок параметрів запобіжних пристроїв з граничними енергетичними характеристиками роторів. Визначена мета та поставлені задачі досліджень.

Визначено, що від вибору теорії ідеального ротора залежить точність розрахунку робочих та граничних характеристик роторів. Зокрема, чим більше змінних параметрів містить теорія ідеального ротора, тим більш точним є результат рішення рівнянь зв’язку при визначенні граничних енергетичних характеристик та аеродинамічних характеристк роторів. Доведено, що існуючі математична модель роторів за У.Хюттером визначає аеродинамічну якість лопатей, як нескінченність, що обумовлює завищені дані при визначенні граничних характеристик реальних роторів та параметрів запобіжних пристроїв. Сформульовано основні напрямки досліджень дисертаційної роботи, спрямовані на розробку більш точних методик з визначення граничних енергетичних характеристик роторів та параметрів запобіжних пристроїв з урахуванням аеродинамічної якості профілю лопатей, які забезпечують підвищення надійності вітроустановок та їх ефективності.

У другому розділі розроблено на основі теорії У.Хюттера математичну модель ротора з урахуванням аеродинамічної якості активної поверхні. Це урахування робилось шляхом визначення аеродинамічної сили , що діє на активну поверхню, як векторной суми аеродинамічних сил: підйомної та сили аеродинамічного опору D (рис. 1). Аеродинамічна якість в планах сил та швидкостей визначалась через кут :

(1)

Коригування плану швидкостей відбувається шляхом повороту вектора сумарної швидкості на кут (рис. 1б), що призводить до зменшення швидкості руху елемента лопаті в активній поверхні.

Нове значення швидкохідності z при цьому визначатиметься, як:

, (2)

де , – коефіцієнті гальмування та тангенціального прискорення потоку. Звідки постає можливість розгляду режимів роботи елементу лопаті ротора вітродвигуна з урахуванням аеродинамічної якості .

В робочому режимі коефіцієнт потужності визначається, як:

(3)

В режимі холостого ходу на елементі лопаті ротора вітродвигуна відсутня тангенціальна сила S, при цьому і формула (2) матиме вигляд:

(4)

Максимальне значення швидкохідності холостого ходу досягає величини при . В той же час величина коефіцієнта лобового тиску також досягає максимуму .

У пусковому режимі ротор вітродвигуна являє собою нерухому систему лопатей, тобто ,

(5)

Величини коефіцієнтів робочого зусилля та лобового тиску не перевищують 1,3.

а) б)

Рис. 1. Плани сил та швидкостей на активній поверхні: а) при ; б) при

У третьому розділі проведено розробку методики для визначення граничних енергетичних характеристик роторів на основі математичної моделі, розробленої у другому розділі, яка вперше дозволяє враховувати аеродинамічну якість безпосередньо у планах сил та швидкостей на елементі лопаті ротора. Наведені приклади застосування граничних характеристик для визначення параметрів запобіжних пристроїв, що використовують сили Коріоліса та аерогідродинамічного тертя.

Визначенню граничних характеристик горизонтально-осьових роторів вітродвигунів передує визначення граничних характеристик елементу лопаті на поточному радіусі ротора.

Для побудови граничних характеристик елементу лопаті ротора необхідно попередньо задатися рядом величин коефіцієнту тангенціального прискорення швидкості потоку та величиною аеродинамічної якості профілю лопаті . За отриманими даними будується графік граничної характеристики елемента лопаті (рис. 2).

Для визначення граничних характеристик горизонтально-осьових роторів вітродвигунів використані граничні характеристики елементів лопатей роторів , графіки яких наведені на рис.3. Нова функціональна залежність матиме вигляд , де – швидкохідність ротора, яка визначається за швидкохідністю зовнішнього кінця лопаті.

Рис.2. Граничні характеристики елементу лопаті ротора

Звідки визначається сумарна величина коефіцієнта потужності для ротора при заданих і :

(6)

В інтегралі (6) межа інтегрування пролягає від до , де – швидкохідність внутрішнього кінця пера лопаті ротора, розташованого на нульовому радіусі .

Вираз (6) дозволяє побудувати графік інтегральної функції , яка визначає граничні значення коефіцієнту потужності при фіксованих і для роторів, лопаті яких мають досконалу геометрію (хорду та гвинтову крутку) при заданій аеродинамічної якості профілю лопаті.

Графіки залежності для наведені на рис. 3.

Якщо порівняти графіки рис. 2 та рис. 3, отримаємо, що швидкохідність холостого ходу ротора перевищує швидкохідність холостого ходу елементу лопаті. Це пояснюється тим, що в роторі комелева частина лопаті продовжує утворювати позитивний робочий момент і обертати ротор, коли вже значна частина кінця лопаті увійшла в вентиляторний режим. Стає очевидним, що швидкісні ротори не спроможні забезпечувати високі значення коефіцієнту потужності, навіть при високих значеннях аеродинамічної якості .

Фактично, кожна лінія граничної характеристики є огинаючою сімейства аеродинамічних характеристик досконалих роторів, які мають лопаті з однаковою аеродинамічною якістю .

Рис. 3. Граничні енергетичні характеристики роторів

Таким чином, наведена послідовність аналізу дозволяє оцінити номінальні параметри роторів , та швидкохідність холостого ходу без проведення розрахунку аеродинамічної характеристики. Стає можливим визначення максимально досяжних значень коефіцієнту потужності при заданій номінальній швидкохідності, і навпаки, за вибраним значенням коефіцієнту потужності визначити необхідну номінальну швидкохідність ротора. Запобіжні пристрої роторів вітроустановок повинні відповідати характеристикам роторів з тим щоб гарантовано забезпечити обмеження критичних значень сил, що діють на ротор, з метою підвищення його надійності та термінів роботи вітроустановки вцілому.

Якщо задатися аеродинамічною якістю профілю лопаті та номінальною швидкохідністю , то завдяки граничним енергетичним характеристикам є можливість визначити максимальні значення швидкохідності холостого ходу, номінального аеродинамічного моменту, коефіцієнта потужності та коефіцієнта лобового тиску на ротор вітроустановки.

Запропоновано ряд запобіжних пристроїв, що використовують силу Коріоліса, яка виникає при русі рідини чи повітря в радіальному каналі, що обертається, і спрямована в напрямку, протилежному обертанню канала, таким чином, сила Коріоліса утворює момент навантаження, протилежний робочому моменту ротора вітроустановки, у склад якого входить такий канал.

Завдяки цьому ефекту стало можливим створення запобіжних пристроїв, що здатні навантажити ротор вітроустановки у випадку аварійного вимикання навантаження (електрогенератора, насосу та ін.).

Площа перерізу каналу S, що достатня для гальмування ротора, визначається з урахуванням граничних енергетичних характеристик ротора , як:

, (7)

де – швидкість руху рідини у каналі;

– кут гнахилу канала до горизонталі;

– густина робочої рідини.

Наведену вище залежність (7) запобіжного пристрою зручно застосовувати у випадках, коли робочою рідиною слугує атмосферне повітря і коли канал розташований перпендикулярно вісі обертання ротора. В цьому випадку наведена вище залежність спрощується:

(8)

де – площа активної поверхні ротора вітроустановки.

Така схема запропонована в горизонтально-осьовому роторі (рис. 4) (у надшвидкохідному однолопатевому роторі). Перевага такого роду запобіжних пристроїв роторів полягає у відносній конструктивній простоті каналу з клапанами, та у відсутності тертя і важконавантажених рухомих з’єднань.

Рис. 4. Однолопатевий ротор з полою лопатею-каналом

Для обмеження швидкості обертання ротора, величини робочого моменту при раптовому посиленні вітру, запобіжні пристрої розвивають момент навантаження, обумовлений силами аерогідродинамічного тертя на лопатях мішалок або вітрянок, а також силами лобового аерогідродинамічного супротиву на гальмівних щитках (спойлерах).

Визначення необхідних параметрів мішалки, розташованої у баку з робочою рідиною, здійснюється з урахуванням значень та , заданих граничною енергетичною характеристикою ротора за допомогою формули (9):

, (9)

де – радіус ротора;

– щільність повітря;

– коефіцієнта форми (k);

– діаметр мішалки.

Важливим є те, що рівняння (9) не містить величини швидкості вітру V0, що дозволяє на створення основі мішалки ефективного теплогенератора, здатного працювати з максимальним ККД у всьому діапазоні робочих швидкостей вітру, а також виконувати функцію запобіжного пристрою для обмеження швидкості обертання ротора.

При цьому, завдяки здатності мішалки змінювати свій діаметр, досягається ефективне гальмування ротора при швидкості вітру, що перевищує номінальну. Такого роду запобіжний пристрій запропонований в [9] (рис. 5), в якому мішалка розташована у термоізольованому баці-теплогенераторі і виконана у вигляді шарнірного паралелограма, що при збільшенні швидкості обертання здатний збільшувати свій діаметр, гальмуючи, таким чином, ротор вітроустановки.

Рис. 5. Схема мішалки з теплобаком

Мішалка може сполучатися з валом ротора через мультиплікатор, відцентрову муфту, конічну зубчату передачу – при цьому вона надає вітроустановці характерні нові якості – здатність паралельного виробництва теплоти, аварійне скидання потужності, примусове виведення ротора з-під вітру за рахунок реактивного моменту на вертикальному валу мішалки (А.с. 1553757).

При введенні мішалки, або вітрянки в склад механізму орієнтації ротора на вітер, отримуємо механізм демпфування коливань поворотної головки вітроустановки в азимутальній площині, що дозволяє зменшити навантаження на ротор від гіроскопічного моменту, який виникає при повороті ротора, що обертається (А.с. 1557350).

Таким чином за даними граничних енергетичних характеристик ротора визначаються параметри запобіжних пристроїв різного типу, наприклад тих, що застосовують силу Коріоліса та аерогідродинамічного тертя, без побудови аеродинамічних характеристик ротора.

У четвертому розділі наведені результати експериментальної та виробничої реалізації досліджень. Результати проведеної роботи були впроваджені при розрахунку та розробці ряду експериментальних зразків вітродвигунів. Об’єктами експериментальних досліджень являються горизонтально-осьові ротори вітродвигунів, експериментально отримані дані яких, порівнюються з аналітично визначеними граничними та аеродинамічними характеристиками, отриманими шляхом застосування математичної моделі ротора з урахуванням аеродинамічної якості лопатей. При випробуваннях здійснювались поточні виміри робочих параметрів: швидкості вітру V0, потужності P та швидкості обертання ротора n. За визначеними робочими параметрами здійснювався перерахунок відносних аеродинамічних параметрів: коефіцієнту потужності ротора та його швидкохідності при різних значеннях кутів установки лопатей та параметрів навантаження.

За визначеними величинами та здійснювалось порівняння з відповідними значеннями, визначеними аналітично в граничних та аеродинамічних характеристиках роторів вітродвигунів.

Оцінка ефективності прогнозування граничних значень параметрів роторів оцінюється здатністю відповідної граничної характеристики обмежувати їх максимальні значення.

Ротор вітроелектричної установки АВЕ 20-15 складається з шести поворотних лопатей від гелікоптера Ми-2, що мають аеродинамічний профіль NACA-23012 з постійною хордою м та від’ємною гвинтовою круткою –5є. Найбільша величина аеродинамічної якості становить 57,5. Експериментальні натурні дослідження проводились на полігоні “Десна” (Чернігівська обл., с. Крехаєв). Отримані дані наведені на графіку (рис.6), чорна крапка відповідає куту установки лопатей ротора 2. Звідки видно суттєву розбіжність з теоретичними даними, заданими аеродинамічною характеристикою, визначеною за допомогою традиційної програми (WINDP). Але, згідно граничної характеристики для , ступінь відповідності експериментальних даних з теоретичними підвищується майже в 1,5 рази.

Вітроелектрична установка АВЕ-2-4 “Парма” була розроблена. в рамках г/д №2001-8 між Інститутом електродинаміки НАНУ та Пермським науково-дослідним технологічним інститутом, виготовлена на Мотовиліхінському промисловому об’єднанні (м. Перм, Росія) та випробувана в аеродинамічній трубі Центрального аерогідродинамічного інституту (ЦАГІ, м. Москва, Росія).

Рис.6. Порівняння аеродинамічних та граничних характеристик АВЕ 20-15 з експериментальними даними

Був здійснений попередній аеродинамічний розрахунок ротора за програмою WINDP та розроблений технічний проект ротора з пневматичним відцентровим регулятором. Ротор АВЕ-2-4 “Парма” являє собою перше вітчизняне концептуальне конструктивне рішення однолопатевої схеми горизонтально-осьового ротора радіусом 2 м і постійною хордою полої лопаті 0,22 м з косим шарнірним кріпленням до маточини. Лопать не має гвинтової крутки, а її зовнішній кінець виконаний без округлення і містить вихідний отвір. Скидання надмірної потужності здійснюється за рахунок гальмування силами Коріоліса, що виникають при русі повітря в порожнині лопаті ротора. Випробування здійснювалося при діючому регуляторі без жорсткої фіксації кута установки лопаті. З графіку (рис. 7) видно, що ротор має резерв (близько 13%) для збільшення коефіцієнту потужності за рахунок зменшення кінцевих втрат та оптимізації геометричних параметрів лопаті. Величини експериментально визначених коефіцієнтів потужності не перевищують значень, заданих граничною характеристикою (для ), що підтверджує достовірність граничної характеристики.

В конструкції вітроелектричної установки УВГ-5 була застосована розробка трьохлопатевого ротора з відцентровим регулятором [14], параметри якого визначались за методикою, вхідними даними якої слугували значення відповідних граничних характеристик ротора.

Рис.7. Експериментальні дані роторів вітроустановок з лопатями, що мають К=176 та гранична характеристика для К=176: (1) - АВЕ -2-4 “Парма”; (2) – УВГ-5; (3) – УГМК-3

Лопать має трапецевидну форму (2010ммхЧ300ммЧ105мм) і аеродинамічний профіль FX-67-К-170. Гвинтова крутка відсутня. В програму випробувань входило визначення залежності коефіцієнту потужності ротора від швидкості вітру при різних навантаженнях На графіку (рис. 8) показана експериментальна відмітка, що відповідає максимальному значенню та відповідна крива граничної характеристики при =176.

Ротор вітродвигуна УГВ-5 має високий ступінь аеродинамічної досконалості: експериментальна позначка майже досягла кривої граничної характеристики. Ротор демонструє високе значення коефіцієнта потужності, який забезпечений використанням високоякісного аеродинамічного профілю з полірованою поверхнею (Ra=1,5-2,5) та зменшенням кінцевих аеродинамічних втрат (в порівнянні з АВЕ 2-4 “Парма”).

Вітроелектрична установка УГМК-3, має трьохлопатевий ротор діаметром 4,6 м з відцентровим регулятором, параметри яких визначались з урахуванням граничних енергетичних характеристик ротора. Лопать має постійну хорду 200 мм, гвинтова крутка відсутня. Лопать має профіль FX-67-К-170. Характерною особливістю ВЕУ УГМК-3 та УВГ-5 є конструкція обмежувача кутової швидкості лопаті, розташованого в маточині ротора. Застосування пакету пластинчатих пружин замість традиційних циліндричних, дає можливість регулювання їх жорсткості шляхом зміни їх кількості. Крім того, пакет пластинчастих пружин (ресора) має збільшене внутрішнє тертя, що запобігає аеропружним коливанням лопатей.

Натурні випробування вітроустановки УГМК-3 здійснювалися за методикою, аналогічною попередній. Заміри виконувались при діючому відцентровому регуляторі, тобто без фіксації кутів установки лопатей. Швидкість обертання ротора оцінювалась за величиною напруги заздалегідь відтарированого електрогенератора. Максимальна величина коефіцієнта потужності досягає 0,35 при швидкохідності 7 ( рис. 7).

Розроблена методика побудови граничних характеристик для різних значень аеродинамічної якості надає можливість порівняння відповідності теоретичних та експериментальних даних параметрів інших горизонтально-осьових роторів вітродвигунів. Зокрема, за результатами їх експериментальних продувок в аеродинамічних трубах з відкритою робочою частиною (для запобігання аеродинамічного впливу стін труби), та за результатами натурних випробувань, проведених в різний час різними авторами на різному обладнанні. Результати продувок відображаються на графіку відповідної граничної характеристики і оцінюється ступінь аеродинамічної досконалості ротора та здатність граничної характеристики виконувати роль точного обмежування аеродинамічних характеристик ротора, тобто здатність слугувати огинаючою аеродинамічних характеристик сімейства досконалих роторів з визначеним аеродинамічним профілем лопаті.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача – визначення граничних енергетичних характеристик роторів та параметрів запобіжних пристроїв вітроустановки, шляхом створення математичної моделі ідеального ротора вітроустановки з урахуванням аеродинамічної якості профілю лопаті. При вирішенні поставленої задачі отримані наступні наукові та практичні результати:

1. Зроблений критичний аналіз існуючих математичних моделей ідеального ротора, встановлено, що не врахування втрат від обертання супутнього струменю та профільних втрат призводять до похибок при визначенні аеродинамічних характеристик реальних роторів.

2. Удосконалено математичну модель ідеального ротора вітроустановки з урахуванням аеродинамічної якості безпосередньо в планах сил та швидкостей на елементі активної поверхні ротора в різних режимах його роботи, що дозволяє формувати рівняння зв’язку при визначенні реальних аеродинамічних характеристик роторів.

3. Створена методика для аналітичного визначення граничних енергетичних характеристик елемента лопаті у складі ротора, та ротора вцілому, що дозволяє здійснити попередню оцінку ефективності роторів та визначати параметри запобіжних пристроїв роторів.

4. Розроблені методики визначення за граничними енергетичними характеристиками параметрів запобіжних пристроїв, що використовують сили Коріоліса та аерогідродинамічного тертя.

5. Розроблений ряд нових технічних рішень запобіжних пристроїв роторів вітроустановок для обмеження швидкості обертання ротора, робочих зусиль та моментів на елементах їх конструкції.

6. Розроблені та досліджені експериментальні зразки вітродвигунів та запобіжних пристроїв, проведено експериментальну перевірку запропонованих теоретичних положень, проведений аналіз даних експериментальних роторів та роторів серійних зразків вітродвигунів. Застосування математичної моделі ідеального ротора при побудові граничних характеристик дозволяє на 25...35% зменшити граничну відносну похибку при визначенні величини коефіцієнта потужності реального ротора в порівнянні з відомими методиками, заснованими на теорії Бетца–Жуковського;

7. Розроблені рекомендації для досягнення високих енергетичних та експлуатаційних показників горизонтально-осьових роторів вітродвигунів при розробці та виробництві ВЕУ.

8. Результати роботи застосовані при розробці та виробництві ВЕУ в ДКБ “Південне” та ВО “Південний машинобудівний завод ім.. О.М.Макарова (м. Дніпропетровськ); при проектуванні ВЕУ в організаціях ВАТ “ Українська гірничо-металургійна компанія” (м. Київ),та рекомендовані для застосування в начальному процесі при підготовці інженерів на кафедрі “Відновлювані джерела енергії” Національного технічного університету України “КПІ” (м.Київ).

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шевченко Ю.В. Торможение и ограничение скорости вращения ротора ветродвигателя силами Кориолиса // Энергетика и электрификация.- 1990.- № 4.- С.46-49.

2. Шевченко Ю.В. Оптимизация геометрических параметров горизонтально – осевых ветроколес //Проблемы создания и использования возобновляемых источников энергии: Сб. науч. труд. Ин-та электродинамики АН УССР.- 1991.- С.13-17.

3. Шевченко Ю.В. Теорія ідеального вітроколеса з врахуванням профільних втрат // Вітроенергетика України. – 2002.- №3,4.- С.21-24.

4. Шевченко Ю.В. Граничні характеристики оптимізованих горизонтально – осьових роторів вітродвигунів // Відновлювана енергетика НАН України: Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України, Інститут відновлюваної енергетики НАН України. - 2006.- №2.- С.56-59.

5. Ветроустановка: А.с. 1224439. СССР. МКИ F03D 9/00 / Ю.В. Шевченко. – № 3760985/25; Заявл. 06.07.84; Опубл. 15.04.86; Бюл. № 14.- 2с.:ил.

6. Ветроаэрационная установка: А.с. 11321904. СССР. МКИ F03D 9/00 /

Ю.В.Шевченко. - №4043585/06; Заявл. 17.02.86; Опубл. 07.07.87; Бюл. № 25.- 2с.:ил.

7. Ветродвигатель: А.с. 1242636. СССР. МКИ F03D 1/00 / Ю.В. Шевченко.- №3803704/25; Заявл. 22.10.84; Опубл. 07.07.86; Бюл.№ 25.- 4с.:ил.

8. Ветродвигатель: А.с. 1250698. СССР. МКИ F03D 7/02 / Ю.В. Шевченко. -№3866125/25; Заявл. 14.03.85; Опубл. 15.08.86; Бюл. № 30.- 2с.:ил.

9. Ветроустановка для производства тепла: А.с. 1252535. СССР. МКИ F03D 9/00 / Ю.В. Шевченко. - №3886338/25; Заявл. 29.03.85; Опубл. 23.08.86; Бюл. № 31.- 3с.:ил.

10. Ветроагрегат: А.с. 1262092. СССР. МКИ F03D 5/02 / Ю.В. Шевченко. -№3916858/25; Заявл. 21.06.85; Опубл.07.10.06; Бюл. № 37.- 3с.:ил.

11. Ветродвигатель: А.с. 1437567. СССР. МКИ F03D 7/00 / Ю.В. Шевченко. - №4121357/25; Заявл.19.09.86; Опубл. 15.11.88; Бюл. № 42.- 3с.:ил.

12. Ветродвигатель: А.с. 1409775. СССР. МКИ F03D 11/00 / Ю.В.Шевченко.- №4150992/25; Заявл. 24.11.86; Опубл. 15.07.88; Бюл. № 26.- 3с.:ил.

13. Вітроколесо з регулятором: Пат. 28175 Україна, МПК F03D 7/02 / Ю.В.Шевченко. - № 95041875/2328; Заявл. 25.04.95; Опубл. 16.10.2000; Бюл. № 5-11.- 4 с.:іл.

14. Шевченко Ю.В Енергетика рухомих роторів // Материалы VІ Международной конференции: Нетрадиционная энергетика XXI века: (19-23 сентября 2005г).- АР Крым, пгт. Николаевка, 2005. - С. 31-34.

АНОТАЦІЇ

Шевченко Ю.В. Граничні енергетичні характеристики вітроустановок та їх використання для розробки запобіжних пристроїв. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 – перетворювання відновлюваних видів енергії. – Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена визначенню граничних енергетичних характеристик роторів вітроустановок та їх застосуванню при розробці запобіжних пристроїв роторів для підвищення ефективності та надійності вітроустановок.

Розроблено математичну модель ідеального ротора з урахуванням аеродинамічної якості профілю лопатей в планах сил та швидкостей, завдяки чому стало можливим більш точне визначення граничних енергетичних характеристик елементів лопатей та ротора вітроустановки вцілому. Розроблено ряд технічних рішень запобіжних пристроїв, що використовують сили Коріоліса та аерогідродинамічного тертя, розроблені методики визначення їх параметрів за граничними енергетичними характеристиками ротора.

Розроблені та досліджені експериментальні зразки вітроустановок з запобіжними пристроями, визначено що розроблені відповідні граничні енергетичні характеристики точно обмежують максимальні значення коефіцієнта потужності при відповідній швидкохідності ротора. Визначені резерви енергетичної ефективності роторів. Основні результати роботи були застосовані при розробці вітроустановок малої потужності.

Ключові слова: ротор вітроустановки, коефіцієнт потужності, швидкохідність, аеродинамічна якість, запобіжні пристрої.

Shevchenko J.V. Limit energy characteristics of the windmills and it’s application for elaboration of the rotor’s protection devices.- Manuscript.

The dissertation for a candidate of engineering sciences degree, speciality 05.14.08 – Renewable Energy Conversion. – The Institute of Renewable energy of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted to the determination limit energy characteristics of the windmills and it’s application for elaboration of the rotor’s safety devices for increasing efficiency and safety.

The mathematical model of the ideal rotor with account blades L/D ratio in the force – speed planes is developed for determination limit energy characteristics of rotor. The row of the safety devices with application Koriolis force and hydrofriction force are investigated. Determined parameters of safety devices by rotor’s limit characteristics. Experimental windmills were erected and investigated with safety devices. The obtained results demonstrative that maximum rotor efficiency not exceed according limit characteristics. There are formed efficiency reserves of the rotors. Results of investigation used for development of windmills of small power.

Key words: windmill, efficiency, tip speed ratio, L/D – ratio, mathematical modeling.

Шевченко Ю.В. Граничные енергетические характеристики ветроустановок и их использование для розработки предохранительных устройств. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 – преобразование возобновляемых видов энергии. – Институт возобновляемой энергетики НАН Украини, Киев, 2008.

Диссертация посвящена решению задачи по определению максимальных значений аэродинамических характеристик, то есть - граничных энергетических характеристик роторов ветроустановок, являющихся огибающими для семейства аэродинамических характеристик при заданном аэродинамическом качестве профиля лопасти, и их применению при разработке предохранительных устройств роторов для повышения эффективности и надежности ветроустановок.

За основу была взята математическая модель идеального ротора У.Хюттера, учитывающая аэродинамические потери на вращение спутной струи и быстроходность. В результате анализа было доказано, что математическая модель Хюттера предполагает наличие активной поверхности, образованной движущимися лопастями с бесконечным аэродинамическим качеством К профиля лопасти, что приводит к завышенной величине быстроходности холостого хода и максимально возможного значения коэффициента мощности из-за пренебрежения профильными аэродинамическими потерями.

Разработана математическая модель элемента активной поверхности идеального ротора с учетом аэродинамического качества профиля лопастей в планах сил и скоростей. Были рассмотрены режимы работы элемента активной поверхности – пуск, рабочий режим, режим холостого хода, и определены максимально возможные соответствующие значения коэффициентов мощности, быстроходности холостого хода, рабочего усилия (момента).

Благодаря этому стало возможным путем интегрирования определить более точные граничные энергетические характеристики элементов ротора ветроустановки в целом.

На основании полученных результатов предложены новые уравнения связи для расчета аэродинамических характеристик реальных роторов ветроустановок. При этом предлагается учитывать неравномерность торможения потока в межлопастном пространстве ротора через коэффициент неравномерности, а величину коэффициента заполнения ометаемой поверхности считать функцией от быстроходности.

Сделан вывод, что предлагаемая математическая модель ротора ветроустановки позволяет повысить точность прогнозирования максимальной величины коэффициента мощности при заданной быстроходности, и более точно определять быстроходность холостого хода, что важно при предварительном проектировании роторов и определении действующих на них загрузок.

Совокупность полученных граничных энергетических характеристик для заданных значений аэродинамического качества К может служить номограммой, позволяющей разработчику на стадии предварительного проектирования задаваться параметрами ротора, трансмиссии, нагрузки, предохранительных устройств без громоздкого расчета аэродинамических характеристик, а также определять степень энергетического совершенства реального ротора по критерию коэффициента мощности.

Проведенный анализ экспериментальных данных реальных роторов подтвердил способность построенных граничных энергетических характеристик эффективно определять предельные значения их рабочих параметров.

Сделан вывод о бесперспективности увеличения номинальной быстроходности роторов ветроустановок выше 10…13 из-за нарастающих профильных потерь, снижающих величину коэффициента мощности. А также о бесперспективности использования роторов с цилиндрами Флеттнера из-за значительных потерь на кручение спутной струи, обусловленных низкими значениями аэродинамического качества и низкой быстроходности.

Разработан ряд технических решений предохранительных устройств, которые используют силы Кориолиса и аэрогидродинамического трения, разработаны методики определения их параметров по граничным энергетическим характеристиками ротора без расчета аэродинамических характеристик.

Сделан вывод о перспективности использования такого рода предохранительных устройств из-за отсутствия износа и независимости их параметров от скорости ветра.

Разработаны и исследованы экспериментальные образцы ветроустановок с предохранительными устройствами, определено, что предлагаемые граничные энергетические характеристики точно ограничивают максимальные значения коэффициента мощности при соответствующей быстроходности ротора. Определены резервы энергетической эффективности роторов.

Основные результаты работы были использованы при разработке ветроустановок малой мощности.

Полученные теоретические результаты могут быть использованы при расчете параметров всего класса свободнопоточных лопастных машин – винтов, парусов, водяных колес и пр.

Ключевые слова: ротор ветроустановки, коэффициент мощности, быстроходность, аэродинамическое качество, предохранительные устройства.