Підвищення енергетичних показників ортогональних вітродвигунів для використання вітрових потоків малої потужності

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.17 – гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. – Сумський державний університет, Суми, 201 5. У дисертаційній роботі приведено вирішення питання самозапуску вертикально-осьового вітродвигуна для малих та середніх розмірів вітроколіс при використанні вітрових потоків низької потужності. Розроблено аналітичний метод визначення оптимальних характеристик потоку повітря для продукування максимального тягового зусилля на всій траєкторії руху лопаті. Чисельним моделюванням обтікання лопаті потоком повітря вирішено питання визначення аеродинамічних коефіцієнтів для заданого профілю, що з певним припущенням дозволяє відмовитися від натурного експерименту продувки профілю в аеродинамічній трубі. Запропоновано механізм впливу на ортогональне вітроколесо шляхом уведення допоміжного вектору швидкості, з метою підвищення його аеродинамічних характеристик. Цей механізм випробувано на експериментальному стенді та доведено доцільність його використання під час роботи вітроколеса на нерозрахункових режимах. У результаті досліджень визначено показники крутних моментів на валу ортогональної вітротурбіни з прямими лопатями парусного типу. Доведено підвищення стартового тягового моменту. Для запропонованих конструкцій симетричних гнучких профільованих лопатей наведені інтегральні характеристики при змінних геометричних показниках вітроколеса. Результати дисертаційної роботи дозволяють розробляти високоефективні вітроенергетичні установки, орієнтовані на використання вітрових потоків низької потужності, що є актуальним для території України. Ключові слова: самозапуск вітроколеса, гнучкі лопаті, вертикально-осьова вітротурбіна Дар’є, аеродинамічні характеристики, оптимальний кут атаки.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. - Сумской государственный университет, Сумы, 2015. В диссертационной работе приведены решения вопроса самозапуска вертикально-осевого ветродвигателя для малых и средних размеров ветроколес при использовании ветровых потоков низких мощностей. Разработан аналитический метод определения оптимальных характеристик потока воздуха для возникновения максимального тягового усилия на всей траектории движения лопасти. Численным моделированием обтекания лопасти потоком воздуха решен вопрос определения аэродинамических коэффициентов для заданного профиля, что с определенным предположением позволяет отказаться от натурного эксперимента продувки профиля в аэродинамической трубе. Предложен механизм влияния на ортогональное ветроколесо путем введения вспомогательного вектора скорости с целью повышения его энергетических характеристик. Данный механизм испытано на экспериментальном стенде и доказана целесообразность его использования при работе ветроколеса на нерасчетных режимах. Впервые разработано двухструйную математическую модель ортогонального ветродвигателя для определения кинематических характеристик потока воздуха, которые влияют на повышение мощности ветроколеса. Разработано аналитические зависимости для определения влияния на эффективность работы ветротурбины дополнительного вектора скорости W̅', что приводит к смещению треугольников скоростей в сторону увеличения тяговой силы на поверхности лопасти. В результате исследований определены показатели крутящих моментов на валу ортогональной ветротурбины с прямыми лопастями парусного типа. Доказано повышение стартового тягового момента. Для предложенных конструкций симметричных гибких профилированных лопастей приведены интегральные характеристики при переменных геометрических показателях ветроколеса. Экспериментальным путем определено, что введение вспомогательного вектора скорости путем установки экрана на дуге круговой траектории в области нулевого азимутального угла β=0 позволяет повысить мощность ветроколеса. Плоский экран длинной 120 мм, наклоненный под углом 20° на азимутальном угле 36° повышает генерируемую мощность ветроколеса в 2,5 раза. Определено, что использование гибких парусных лопастей симметричного профиля позволяет получить высокие значения начального крутящего момента на валу ортогональной ветротурбины. При низкой быстроходности θ ˂ 0,5 значение коэффициента крутящего момента составляет Cm = 0,47. При дальнейшем разгоне ветроколеса Cm падает до значения жесткой симметричной лопасти C m = 0,1. Результаты диссертационной работы позволяют разрабатывать высокоэффективные ветроэнергетические установки, ориентированные на использование ветровых потоков низкой мощности, что актуально для территории Украины.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.05.17 - hydraulic machines and hydropneumaticunits. – Sumy State University, Sumy, 2015. The thesis shows the solution to the question of self-start of vertical-axis wind turbine for small and medium-sized windwheels using wind currents low capacity. An analytical method for determining the optimal characteristics of the air flow for the occurrence of maximum power to the entire trajectory of the blade. Numerical simulation of flow around the blade airflow resolved the question of determining the aerodynamic coefficients for a given profile, with certain assumptions eliminates the natural experiment blowing in the wind tunnel profile. The mechanism of the effect of the orthogonal wind wheel, by introducing auxiliary velocity vector, in order to improve its energy performance. This mechanism is tested on experimental stand and prove the feasibility of its use in the operation of the wind wheel on the off-nominal conditions. The studies identify indicators torque of the orthogonal wind turbine with straight blades sailing type. Proven to increase the starting of torque. For the proposed construction of symmetric flexible profiled blades are given integral characteristics with variable geometry have been the propeller. The results of the thesis allow you to develop highly efficient wind turbines focused on the use of wind flows low power, which is important for Ukraine.