Статья поступила в редакцию 04.01.10. Ред. рег. № 681 The article has entered in publishing office 04.01.10. Ed. reg. No. 681
УДК 621.548.5
ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОРТОГОНАЛЬНЫХ ВЕТРОКОЛЕС
Ю.В. Грахов
ОАО «Государственный ракетный центр им. акад. В. П. Макеева» (ОАО «ГРЦ Макеева») 456300 г. Миасс, Челябинская обл., Тургоякское шоссе, д. 1 Тел./факс: 8 (3513) 53-33-15, 8 (919) 35-35-875, e-mail: src@makeyev.ru; grahov@chel.surnet.ru;
ООО «ГРЦ-Вертикаль» 456300 г. Миасс, Челябинская обл., Тургоякское шоссе, д. 1 Тел. 8 (912) 317-1805, факс (351) 264-7694, e-mail: src-vertical@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 15.01.10 Заключение совета экспертов: 20.01.10 Принято к публикации: 25.01.10
Представленная статья описывает инженерный метод расчета аэродинамических характеристик ортогональных ветро-колес. Метод основывается на введении индуктивных скоростей и использовании аэродинамических характеристик профилей при круговом обдуве. Даются результаты параметрических расчетов и оптимальные параметры ветроколес. Инженерный метод обеспечивает исходными данными, необходимыми для проведения прочностных, динамических расчетов ветроколес и для разработки системы управления ветровой энергетической установки.
Ключевые слова: инженерный метод расчета, аэродинамические характеристики ортогональных ветроколес, индуктивные скорости, аэродинамические характеристики профилей при круговом обдуве, параметрические расчеты, оптимальные параметры ветроколес.
ENGINEERING METHOD OF CALCULATION OF ORTHOGONAL WIND TURBINES AERODYNAMIC CHARACTERISTICS
Yu.V. Grakhov
Open Joint Stock Company "Academician V.P. Makeyev State Rocket Centre" 1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel./fax: 8 (3513) 53-33-15, 8 (919) 35-35-875, e-mail: src@makeyev.ru; grahov@chel.surnet.ru;
"SRC-Vertical" Ltd. 1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel. (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694, e-mail: src-vertical@mail.ru
Referred: 15.01.10 Expertise: 20.01.10 Accepted: 25.01.10
Presented article describes an engineering method of calculation of orthogonal wind turbines aerodynamic characteristics. The method is based on introduction of inductive speeds and use of the airfoils aerodynamic characteristics at all-round angles of attack. Results of parametrical calculations and optimum turbines parameters are yielded. The engineering method provides with the initial data necessary for carrying out strength and structural turbines calculations and for control system development of wind power units.
Юрий Васильевич Грахов
Сведения об авторе: открытое акционерное общество «Государственный ракетный центр им. акад. В.П. Макеева», начальник группы. Награды: медали В.П. Макеева и С.П. Королева Федерации космонавтики РФ, Знак Гагарина Российского космического агентства. Премия В.П. Макеева за разработку и тестирование вычислительного кластера.
Образование: Московский физико-технический институт.
Основной круг научных интересов: применение суперкомпьютерных систем в аэротермо-газодинамике.
Публикации: 7 публикаций в закрытых изданиях, 12 А. с. СССР (закрытые), 1 патент РФ, 8 статей в открытой печати, из них 5 по аэродинамике ветровых установок.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Введение
Среди ветроколес, используемых для ветровых энергетических установок (ВЭУ), преобладают горизонтально-осевые ветроколеса пропеллерного типа. Они имеют несколько больший коэффициент использования энергии ветра: 40-45% против 35-40% у вертикально-осевых ветроколес. Вертикально-осевые ветроколеса, в свою очередь, имеют ряд преимуществ: это отсутствие необходимости ориентации на ветер, малая шумность. А в местах расположения с ветрами вихревого типа, постоянно меняющими свое направление, интегральный коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) может быть значительно выше, чем у горизонтально-осевых. В данной статье рассматриваются только ортогональные ветроко-леса, ось вращения которых вертикальна, а прямые лопасти смонтированы параллельно оси вращения. Ортогональные ветроколеса могут быть одноярусными, двухъярусными и многоярусными. Увеличение количества ярусов в конструкции, например, с одного до двух, приводит к увеличению аэродинамического момента в стояночном положении, к возможности самостоятельной раскрутки ВЭУ, а также к увеличению КИЭВ.
На рис. 1 приведены 3Б модели двухъярусных ортогональных ветроколес, имеющих в сумме шесть и четыре лопасти. Эти ветроколеса запатентованы [1], изготовлены и проходят испытания автономно и в составе ВЭУ в ОАО «ГРЦ Макеева», в ООО «ГРЦ-Вертикаль» совместно с Южно-Уральским государственным университетом (ЮУрГУ).
На ступице в центре ветроколес расположены связанные с ними трехфазные генераторы переменного тока на постоянных магнитах.
На горизонтальных силовых траверсах, идущих от центральной ступицы к силовому кольцу или к лопастям, расположены отклоняемые в противоположные стороны сегменты аэродинамических центробежных ограничителей скорости вращения.
При проектировании новой ВЭУ на первом этапе в кратчайшие сроки должны быть решены следующие задачи в части аэродинамики:
1. Определение основных габаритных соотношений ветроколеса, обеспечивающих заданную расчетную мощность.
2. Выбор оптимального профиля, проведение оптимизационных расчетов с целью получения размеров лопастей и их установочных углов, обеспечивающих максимальную эффективность ветроколеса.
3. Расчет коэффициента использования энергии ветра в зависимости от быстроходности, то есть получение главной аэродинамической характеристики ветроколеса (быстроходность - это отношение линейной скорости лопастей к скорости ветра).
4. Подготовка данных, необходимых для проведения прочностных, динамических расчетов и разработки системы управления.
Рис. 1. 3D модели ортогональных ветроколес Fig. 1. 3D models of orthogonal wind turbines
Для решения аэродинамических задач проектирования вертикально-осевых ВЭУ разработаны методы расчета разного уровня сложности. Первый уровень - это инженерные методы, опирающиеся на различные варианты импульсных методов и экспериментальные данные: однотрубчатые, многотрубчатые, с двумя активными дисками. Имеются в виду, конечно, трубки тока. Второй уровень - это использование уравнений Эйлера для невязкой несжимаемой жидкости. Сюда входят различные вихревые методы, в частности, метод дискретных вихрей. Наконец третий уровень - это адаптация методов и средств вычислительной гидродинамики для прямого численного моделирования работы ветроколеса или ВЭУ в
целом. В обзорной статье [2] рассмотрены различные импульсные и вихревые методы, приведены результаты расчетов для ветроколес типа Дарье. В статье [3] дано описание одного из вариантов импульсных методов, а в статье [4] - описание расчета аэродинамики ВЭУ методом дискретных вихрей. В учебном пособии [5] также рассмотрен ряд методов первого и второго уровней расчета аэродинамики ВЭУ с вертикальной осью вращения.
Прямое численное моделирование и особенно экспериментальные исследования требуют гораздо больших, чем инженерный метод, затрат времени, финансовых и материальных ресурсов. Их роль в настоящее время состоит в подтверждении и уточнении принятых инженерно-технических решений. Кроме того, исследование картины течения вокруг работающего ветроколеса и принятие на основе анализа данных экспериментов, и особенно численного моделирования, новых конструктивных решений позволяет повысить как аэродинамическую эффективность, так и технико-экономические показатели ВЭУ в целом.
Инженерный метод, излагаемый в данной статье, имеет аналогию с импульсным методом, использующим два так называемых активных диска [2]. В этом методе индуктивные скорости, учитывающие влияние на воздушный поток вращающегося ветроколеса, задаются как с наветренной, так и с подветренной стороны ветроколеса. На этом аналогия, собственно, заканчивается, так как в импульсном методе используют закон сохранения импульса и на основе этого получают системы уравнений и их решения. В предлагаемом методе с использованием системы параметров индуктивные скорости задаются так, чтобы максимально учесть влияние быстроходности и коэффициента заполнения, равного отношению суммарной площади лопастей в плане к фронтальной площади ветроколеса, а также хотя бы частично учесть интерференцию верхнего и нижнего ярусов ветроколеса для многоярусных компоновок. Кроме того, рассматриваемый метод напрямую использует в расчете аэродинамические характеристики профилей лопастей при круговом обдуве, полученные в аэродинамических трубах или в пакетах вычислительной гидродинамики, при этом делаются поправки на конечное удлинение лопастей.
Описание метода расчета
На рис. 2 показано, как при некоторых значениях азимутального угла ^ и соответствующего по отношению к вектору возмущенной скорости Уп ветра положению лопасти возникает крутящий момент. Вектор скорости Ж, относительной по отношению к лопасти, складывается из вектора возмущенной скорости ветра Уп и вектора -тЯ, противоположного вектору линейной окружной скорости лопасти. Здесь Уп = У + АУхЛ + АУу^ , где ^ j - орты системы координат, АУх, АУу - компоненты размерной индуктив-
ной скорости, У - вектор скорости ветра, т - угловая скорость вращения. Вектор относительной скорости Ж образует угол в с касательной к окружности с центром на оси вращения и проведенной через точку условного аэродинамического центра профиля лопасти, расположенную на хорде профиля в 30% от его носка. В эту же точку проведен также радиус ветроколеса Я. Если угол атаки лопасти а = в - ф, где ф - установочный угол лопасти, является небольшим, то в этом случае сила сопротивления лопасти X мала, а подъемная сила У, наоборот, большая, и вектор результирующей аэродинамической силы Яа направлен так, что создает положительный момент в сторону вращения ветроколеса. К сожалению, такая картина наблюдается не на всей круговой траектории лопасти.
Рис. 2. Система координат и схема образов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.