Статья опубликована в №63 (ноябрь) 2018
Разделы: Физика
Размещена 11.11.2018. Последняя правка: 11.11.2018.
Просмотров - 1557

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОЗДАНИЯ БЕЗЛОПАТОЧНОЙ ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ЗАТОПЛЕННЫЕ ЗАКРУЧЕННЫЕ ПОТОКИ

Куницын Сергей Александрович

кандидат технических наук

Владимирский государственный университет

доцент

УДК 53.533

Введение

Основными факторами, сдерживающими развитие ветроэнергетики, являются непостоянство силы ветра и значительные габариты силовых установок. Очевидно, что первая проблема должна решаться за счет совершенствования аккумулирующих устройств. Решение второй проблемы представляется более сложной задачей, поскольку это противоречит основному принципу получения высокой мощности – вырабатываемая энергетической установкой мощность тем выше, чем больше площадь охвата потока рабочими лопастями. Вместе с тем, именно решение задачи уменьшения габаритов ветроустановок и повышения удобства их обслуживания может стать решающим фактором для увеличения доли энергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками и более широким использованием энергии ветра. Если сделать такую установку компактной, то ее можно будет использовать в тех местах, где раньше это было невозможным: например, на крышах домов, на приусадебных участках и т.д. Соответственно, появилась бы возможность отапливать помещения, особенно в сельской местности, и таким образом можно было бы достигнуть существенной экономии топлива.

По мнению автора, существующий в настоящее время способ использования энергии ветра является «пассивным». Предлагается «активный» способ, при котором нужно затратить определенную энергию для создания возмущений в потоке, чтобы затем вернуть эту энергию с приростом, полученным от ветра.

Для иллюстрации «активного» способа использования энергии ветра можно привести следующий пример. Если в отсутствие ветра подбросить вверх предмет (например, мяч), то, пройдя путь превращения энергии, мяч вернется на землю, обладая первоначально сообщенной ему энергией минус потери. Если проделать то же самое при наличии ветра, то в течение полета мяча он будет получать энергию от соприкасающихся с ним воздушных масс, и может вернуться, обладая энергией, большей, чем затраченная. В этом случае энергия, полученная от ветра, будет тем большей, чем выше от земли взлетает мяч.

Для практической реализации данного принципа вместо запускаемого в поток твердого тела можно использовать затопленные потоки. При этом твердая лопасть турбины заменяется неким «агентом», внедряемым в поток, и размеры ветроустановки уменьшаются. При этом такие затопленные струи должны обладать следующими свойствами: а) взаимодействовать с потоком (ветром), заставляя его передавать часть своей энергии затопленному потоку; б) передавать полученную от ветра энергию источнику затопленного течения (обладать своего рода «упругостью»).

Исследование

Автором данной статьи проводились эксперименты с незакрученными и закрученными затопленными потоками. Был сделан вывод о том, что наиболее целесообразно использовать закрученные потоки, т.к. они обладают указанными свойствами, и для их создания требуются минимальные затраты энергии.

Затопленные закрученные потоки, как известно, могут создаваться при помощи различных устройств. Среди них вихревые камеры, вращающиеся роторы (крыльчатки).

Первоначально проводились эксперименты с вихревой камерой. Воздух нагнетался в камеру при помощи центробежного вентилятора. Подобный способ создания закрученного затопленного потока широко распространен в конструкциях газовых горелок [1]. В этом случае область течения имеет значительную длину, однако при этом поток не обладает свойством «упругости». Это подтверждается результатами пневмометрических исследований с использованием пневматического зонда [2]. На рис. 1 показано распределение статического давления на стенке конфузора вихревой камеры с обдувом и без обдува ветром затопленной струи. Для моделирования ветра использовался осевой вентилятор. Как можно видеть, при обдуве струи характер распределения статического давления не изменяется. 

Рис. 1. Сравнение эпюр статических давлений в выходном сечении конфузора вихревой камеры при наличии и отсутствии обдува выходного сечения крнфузора набегающим потоком

Геометрическая точка, соответствующая минимуму статического давления, остается в том же месте, изменяется только величина давления. Это означает, что при обдуве затопленной струи не появляется какой-либо боковой силы, и такая струя не может замещать собой лопасть турбины. 

Можно предположить, что струя будет обладать «упругостью» в том случае, если градиент статического давления вдоль оси закрученной струи будет направлен от ее источника. Такое течение может, например, быть получено на входе в вихревую камеру, если не нагнетать, а протягивать воздух через нее. Последующие эксперименты подтвердили правильность данного предположения, однако при таком способе создания затопленного потока затраты энергии достаточно велики.

 
Рис. 2. Ротор, используемый в данном исследовании

Закрутка затопленной струи при помощи вращающегося ротора была впервые предложена Н.Жуковским [3], который использовал крыльчатку для моделирования торнадо в лабораторных условиях. Ротор располагался над резервуаром с водой, и, при возрастании скорости вращения ротора, воздушные слои между крыльчаткой и поверхностью воды получали закрутку. Вода начинала поступать в зону разрежения по центру вихря, и мини-торнадо визуализировался.

В рамках данного исследования для создания вихря использовался 6-лопастной ротор диаметром 100 мм (рис. 2). Он приводился во вращение электродвигателем мощностью 4 Вт при частоте вращения 2450 мин^-1. Набегающий поток (ветер) создавался при помощи осевого вентилятора.

Исследование силовых взаимодействий потоков с использованием рычажных весов

Для изучения возникающих силовых взаимодействий при обдуве затопленной вихревой струи (ЗВС) набегающим потоком (НП) электродвигатель с ротором подвешивался на рычажных весах. Схема эксперимента показана на рис. 3. При вращении ротора ЗВС создавалась в пространстве между ротором и ограничивающей плоскостью (ОП). Через это пространство пропускался НП, создаваемый вентилятором. Для исключения влияния эффекта Магнуса непосредственно на ротор, перед последним устанавливался экран, препятствующий обдуву ротора. В процессе эксперимента расстояние l между краем экрана и ОП изменялось.

Рис. 3. Схема измерений возникающей силы при наличии экрана


Были получены следующие результаты. Когда экран отсутствовал (l=L₂), при включении вентилятора обдува на ротор начинала действовать дополнительная сила (ДС), имеющая составляющую, перпендикулярную НП, и направленная вверх. Для определения составляющей ДС, действующей вдоль НП, вентилятор обдува перемещался в соответствующее положение. Было выявлено, что продольная составляющая ДС направлена навстречу ветру. Это означает, что, в противовес традиционной твердой лопасти, ЗВС имеет отрицательное лобовое сопротивление.

Зависимость перпендикулярной к НП составляющей ДС от расстояния l (рис. 3) показана на рис. 4 для случаев наличия и отсутствия ограничивающей плоскости. Как можно видеть, в зависимости от расстояния между краем НП и ротором, перпендикулярная НП составляющая ДС изменяет свой знак и относительное значение. Также можно видеть, что наличие ограничивающей плоскости незначительно влияет на возникающую силу.


Рис. 4. Зависимость ДС/ДС_max от l/L₂ при наличии и отсутствии ОП

Как было установлено позднее, существует сложная зависимость между скоростями ротора и НП, с одной стороны, и направлением ДС, с другой стороны. В зависимости от ряда факторов, данная сила может быть направлена и по направлению НП и против него.

Пневмометрические исследования структуры потока 

Исследования структуры потока проводились при помощи ориентируемого одноканального пневматического зонда [2]. Электродвигатель с ротором располагался вертикально над поверхностью стола, который в данном случаю являлся ограничивающей плоскостью. Пространство под ротором делилось по высоте на 4 уровня (сечения), каждое из которых разбивалось на сетку в декартовой системе координат. Пневматический зонд устанавливался вдоль линий сетки, в узлах которой замерялось статическое давление и составляющие скорости потока.

Результаты измерения статического давления показаны на рис. 5 в виде полей, где синий и фиолетовый цвета соответствуют зонам наибольшего разрежения.

 

Без НП	С НП (обдувом)
l=7 мм
l=27 мм
l=47 мм
l=67 мм
Рис. 5. Поля статического давления в сечениях, отстоящих от ротора на расстояние

 

Как можно видеть, при появлении НП (ветра) абсолютные значения статического давления понижаются, и положение минимума смещается в направлении, имеющем составляющую, перпендикулярную НП. Таким образом, на ротор начинает действовать боковая сила, обусловленная нарушением симметрии поля давлений, имеющей место в невозмущенном закрученном потоке.

Векторные поля проекций скорости потока на плоскости сечений показаны на рис. 6. Длины стрелок на рис. 6 в масштабе соответствуют значениям скорости в конкретной точке. Можно видеть, что скорости потоков (ЗВС и НП) складываются в левой части полей, обусловливая понижение статического давления в данной зоне. По мере удаления от ротора, влияние закрутки довольно быстро уменьшается, и, наконец, НП становится невозмущенным.

 

Без НП	С НП (обдувом)
l=7 мм
l=27 мм
l=47 мм
l=67 мм
Рис. 6. Векторные поля проекций скорости потока на плоскости, соответствующие l=const

 

Макетный образец безлопаточной ветряной турбины

Поскольку на вращающийся ротор, создающий ЗВС, при появлении НП (ветра) начинает действовать боковая сила, можно попытаться создать безлопаточную турбину, в которой ротор установлен на валу отбора мощности и вращается вместе с последним. Однако на практике создать такое устройство невозможно, поскольку при отклонении оси вращающегося ротора на него начинает действовать инерционная сила, препятствующая этому отклонению. Вместе с тем, было экспериментально установлено, что если поместить ротор вовнутрь прямолинейного или криволинейного участка трубы, то при обдуве выходного сечения последней также возникает ДС, которая, в этом случае, воздействует уже на трубу. Наиболее удобно использовать загнутую трубу (дефлектор).

Рис. 7. Схема устройства макетного образца безлопаточной турбины

Схема предлагаемой конструкции безлопаточной турбины представлена на рис. 7. Ротор 1 вращается перед входным сечением дефлектора 2 и приводится в движение электродвигателем 3. Дефлектор через кронштейн 6 установлен на валу отбора мощности 8 и может вращаться вместе с валом в шарикоподшипниковом узле 7. И электродвигатель 3, и дефлектор 2 смонтированы на едином основании 4. Валы электродвигателя и дефлектора могут вращаться независимо друг от друга и расположены вдоль одной оси. Обтекатель 5 установлен на пути набегающего потока и не позволяет НП контактировать с ротором.

Электродвигатель вращает ротор с частотой 1450 мин^-1. В отсутствие НП вращения дефлектора не происходит. При включении вентилятора обдува (появлении НП) возникает крутящий момент на валу 8, и дефлектор начинал вращаться с частотой 92 мин^-1. Обдув производился вентилятором при скорости НП 4,8 м/с. Полезной нагрузкой при этом являлось преодоление момента сопротивления в подшипниках. Было получено значение выходной (полезной) мощности, равное Ne=0.004 Вт, при затраченной мощности 4 Вт.

Рис. 8. Фото макетного образца безлопаточной турбины с доработанным ротором (обтекатель снят)

Для увеличения полезной мощности принято решение изменить конструкцию ротора (рис. 8). Лопасти ротора устанавливаются на диске и имеют загиб верхней кромки по направлению вращения для предотвращения перетекания воздуха в пространство за лопастью. Таким образом повышается интенсивность закрутки воздуха в дефлекторе и увеличивается осевая составляющая скорости потока в нем. По сути, ротор такой конструкции представляет собой рабочее колесо центробежного вентилятора, и можно дополнительно увеличить эффективность установки за счет частичного использования энергии потока, отбрасываемого лопастями ротора.

После изменения конструкции ротора была получена полезная мощность на валу, равная 0,014 Вт при частоте вращения 250 мин^-1. Скоростные характеристики полученного устройства представлены на рис. 9.

 Рис. 9. Скоростные характеристики макетного образца безлопаточной турбины

Выводы

 

1) Подтверждена принципиальная возможность использования энергии ветра при помощи «активного» метода, при котором некоторое количество энергии затрачивается на создание в потоке ветра возмущений, замещающих собой традиционные лопасти ветряной турбины. При этом габариты турбины снижаются.

2) Создан макетный образец безлопаточной турбины, позволяющий использовать энергию ветра при отсутствии непосредственного контакта между потоком ветра и твердыми частями турбины.

3) При отсутствии рекуперации затраченной энергии энергетическая эффективность безлопаточной турбины при данных параметрах мала, и затраченная мощность значительно превышает полезную.

4) При параметрах установки, использованных в данном исследовании, затопленная закрученная струя слабо возмущает поток ветра, что приводит к низким значениям коэффициента использования энергии ветра (меньше 1 %).

5) Очевидно, что для создания энергоэффективной безлопаточной ветряной турбины требуется проведение дальнейших исследований, направленных на увеличение размеров и интенсивности области возмущения над выходным сечением дефлектора.

---

Использованные сокращения 

НП – набегающий поток;

ЗВС – затопленная вихревая струя;

ОП – ограничивающая плоскость;

ДС – дополнительная сила

1. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. - 588 с.
2. Янович Ю.В. Одноканальный пневматический зонд для измерения давления в вихревых течениях // Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития: Тезисы докладов Межд. науч.-практич. конф. – М.: МАДИ, 2000. – С. 68-71.
3. Казневский В.П. Аэродинамика в природе и технике. – 3-е изд., доп. и перераб. – М.: Просвещение, 1985. – 127 с.

Рецензии:

12.11.2018, 1:12 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Статья интересная, с элементами новизны и идеями полезной модели. Пример в начале статьи показался не очень показательным, т.к. подкидывая объект против ветрового потока, получаешь лишь компенсацию к закону сохранения (может, превращения) энергии без интегрального выигрыша. А в случае вихревой среды возможно что-то получить, но не обязательно. Хотя пример к статье отношения не имеет. Рецензент уходит на операцию, будет перерыв, поэтому в срочном порядке даёт положительную рекомендацию для публикации и приглашения к дискуссии, т.к. никакого значимого кпд автор пока не декларирует. Надо разбираться совместно. Наверное А. Лобанов в этом более профессионален.в



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий