Исследование аэродинамики и энергетических характеристик ротора Савониуса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Омский государственный технический университет

Исследование аэродинамики и энергетических характеристик ротора Савониуса

Бубенчиков А.А., кандидат технических наук

Белодедов А.Е., магистрант

Булычев И.С., магистрант

Шепелев А.О., магистрант

Аннотация

Исследование аэродинамики и энергетических характеристик ротора Савониуса.

Ветроэлектрическая установка типа Савониуса - это вертикально-осевой ветрогенератор, который характеризуется высоким стартовым моментом, относительно низкой скоростью эксплуатации и способностью работать при любом направлении ветра. В данной работе изучены энергетические и аэродинамические характеристики ветрогенераторов типа Савониуса, а также подробно рассматриваются основные пути их улучшения. Выделены основные направления исследований по улучшению характеристик роторов Савониуса, такие как создание математических моделей, использование горячего воздуха, использование потока воды вместо ветра, а также изменение конструкции ротора. Наиболее эффективным направлением улучшения энергетических характеристик ротора Савониуса является добавление к конструкции аэродинамических труб.

Ключевые слова: ветроэнергетика, энергосбережение, ветроэлектрическая установка, ротор Савониуса

Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8

Abstract

The study of aerodynamics and power characteristics of Savonius rotor.

Bubenchikov A.A.¹, Belodedov A.E.², Bulychev I.S.², Shepelev A.O.²

¹PhD in Engineering, ²Undergraduate student, Omsk State Technical University

Savonius type wind turbine is a vertical axis wind turbine, which has a high starting torque, a relatively low speed of operation and the ability to work in any direction of the wind. In this paper we studied the energеtic and the aerodynamic characteristics of the Savonius type wind turbine and focused on the main ways of their improving. The basic areas of researches on the improvement of the characteristics of Savonius rotors are the creation of mathematical models, the usage of hot air, the usage of water flows instead of the wind, as well as the changing the rotor design. The most efficient way of improvement the energy performance of the Savonius rotor is to add wind tunnels to the construction.

Keywords: wind power, energy saving, wind turbine, Savonius rotor.

This work was supported by grant number MK-5098.2016.8

В настоящее время, почти девяносто процентов мировой энергии получают из ископаемого источников топлива таких как, уголь, нефтяные масла, природный газ и т.д. Люди используют ископаемые виды топлива для удовлетворения практически всех своих энергетических потребностей. Однако, энергетические ресурсы ископаемых источников энергии Земли ограничены, а также глобальное производство нефтяных масел выйдет за пределы своего пика в ближайшие десятилетия. Вследствие роста населения потребность в энергии становится выше, а, следовательно, растут цены на ископаемые виды топлива. В то же время существует проблема, связанная с глобальным изменением климата из-за большого количества выбросов двуокиси углерода и двуокиси серы в результате сжигания ископаемого топлива. Использование возобновляемых источников энергии в качестве экономически эффективных и надежных низкоуглеродистых источников энергии становится все более важной задачей мировой энергетической политики. Возобновляемая энергия не оказывает вредного воздействия на климат в связи с отсутствием вредных выбросов в окружающую среду.

Ветер является экологически чистым источником энергии, который имеет огромный потенциал, способный удовлетворить потребность в энергии, а также смягчить последствия изменения климата от выбросов парниковых газов, вырабатываемых при сжигании ископаемого топлива. Установлено, что ветер позволяет получить примерно 10 миллионов МВт энергии. Для преобразования энергии ветра в механическую энергию, а так же выработки электроэнергии используются ветряные турбины.

Ветряные турбины подразделяются на две категории: ветряные турбины с горизонтальной осью вращения (horizontal axis wind turbines, HAWTs) и ветряные турбины с вертикальной осью вращения (vertical axis wind turbines, VAWTs). На данный момент, ветряные турбины с горизонтальной осью вращения играют основную роль в ветроэнергетике. Они могут обеспечивать большие выходные мощности, однако нуждаются в большей скорости ветра и часто создают низкочастотный шум, который может быть вредным. Ветряные турбины с вертикальной осью вращения свободны от этих проблем, вследствие чего они пригодны для использования в городской среде. Существуют различные типы ветряных турбин с вертикальной осью вращения, такие как ротора Савониуса, ротор Дарье и Н-образный ротор Дарье, которые представлены на рис. 1.

Рис. 1 - Ветряные турбины с вертикальной осью вращения: (а) ротор Савониуса; (б) ротор Дарье; (в) Н-образный ротор Дарье

Ветряная турбина Савониуса, также называемая S-образный ротор, была изобретена и запатентована финским инженером Сигурдом Савониусом. Турбина представляет собой две полуцилиндрические поверхности, называемые лезвиями или лопастями, которые установлены на вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Ротор Савониуса имеет простую структуру, хорошие стартовые характеристики, относительно низкую скорость эксплуатации, а также он действует при любом направлении ветра. Однако, он имеет низкую аэродинамическую эффективность.

В настоящее время проводится большое количество исследований, направленных на улучшение эффективности роторов Савониуса. Среди них можно выделить несколько основных направлений, таких как создание программного обеспечения для построения математических моделей и изучения аэродинамических свойств роторов; использование горячего воздуха, полученного от природных источников тепла или промышленного остаточного тепла, для вращения турбины; использование энергии воды вместо энергии ветра; а также изменение конструкции ветроустановки Савониуса.

Математические модели.

Основные методы определения энергетических и аэродинамических характеристик роторов Савониуса можно разделить на два типа: теоретические и экспериментальные. К сожалению, экспериментальные методы часто могут быть ограничены как технически, так экономически, а также ограничены получаемые из них данные. Поэтому создание математических моделей необходимо для понимания принципа действия, а также для расчета аэродинамических и энергетических характеристик роторов Савониуса.

Для исследования процессов аэродинамики ротора Савониуса чаще всего применяются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (1-2) несжимаемой жидкости, для замыкания которых используются алгебраические или дифференциальные модели турбулентности.

(1)

(2)

где , i=1,2 - декартовы координаты; t - время; - декартовы составляющие вектора скорости; p - давление; с - плотность; - эффективный коэффициент кинематической вязкости.

Применение этих уравнений позволяет изучить особенности нестационарного обтекания, структуру поля скоростей, а также процессы появления вихрей вокруг ротора.

Помимо уравнений Навье-Стокса, для создания математических моделей роторов Савониуса также используется метод дискретных вихрей, представленный в статье [3], который позволяет моделировать процесс взаимодействия лопастей ротора с воздушным потоком. Этот метод позволяет создавать симуляцию, рассчитывать скорость воздушного потока в произвольной точке пространства, получать мгновенную картину вихревых структур и многое другое. Для этого ротор Савониуса представляется в виде дискретной системы панелей прямоугольной формы. Затем перейдя к размерным нагрузкам, можно рассчитать крутящий момент на роторе в произвольный момент времени и смоделировать его движение в динамике. В процессе можно изменить саму геометрию ротора и скорость набегающего потока. Это позволяет получить большой диапазон результатов, анализ которых поможет решению поставленных выше задач.

Горячий воздух.

В исследовании [5] предложена недорогая техника, которая позволяет увеличить производительность турбин Савониуса путем использования горячего воздуха, полученного от природных источников тепла или промышленного остаточного тепла. Авторы объединили механизм для создания огненных вихрей с механизмом традиционной ветряной турбины Савониуса путем изменения геометрии лопастей. Эта конструкция была названа вихревым ротором Савониуса. Вихревая турбина Савониуса имеет более высокие угловую скорость и коэффициент мощности.

Экспериментальная установка включает в себя испытательный стенд, на котором установлены вихревой ротор Савониуса и камеру генерации горячего воздуха, аэродинамическую трубу и измерительные приборы. Под стендом была помещена нагревательная камера. Вихревая турбина Савониуса похожа на классическую турбину Савониуса, которая состоит из двух одинаковых полуцилиндрических лопастей, между которыми находится зазор. Модификация заключается в том, что внутренние концы лопастей увеличены для того, чтобы создать вихревую камеру. Для измерения скорости ветра был использован тепловой анемометр, для измерения температуры горячего воздуха использовалась термопара типа К, а для измерения крутящего момента ротора и тормозной нагрузки - динамометр.

Исследование показало, что в сравнении с обычным воздухом производительность турбин Савониуса увеличивается при использовании горячего воздуха. На рис. 2. видно, что коэффициент мощности вихревой турбины неопровержимо улучшается из-за создания вихревого потока, генерируемого внутри турбинной камеры. Однако, при более низких угловых скоростях производительности вихревой турбины и стандартной турбины Савониуса практически идентичны.

Рис. 2 - Зависимость коэффициентов мощности и момента от скорости конца лопасти вихревого и стандартного ротора Савониуса

Вода.

Низкая эффективность ветроустановки Савониуса обусловлена тем, что ветер или движение воздуха не имеет достаточной массы, и вследствие этого объемная сила довольно низка. В исследованиях [6-8] показано, что турбина Савониуса может работать более эффективно в воде при низких скоростях потока, так как вода обладает большей объемной силой. За счет того, что ротор Саовниуса имеет большую площадь поверхности лопастей, появляется возможность поймать большую часть потока воды на вогнутой поверхности лопастей. Таким образом, при увеличении площади поверхности ротора Савониуса может быть получен больший вращающий момент. Момент создается силой, возникающей когда вода ударяет лопасти. Также эта турбина может вращаться при любом направлении потока воды.

В статье [7] показано, что мощность, генерируемая ротором Савониуса в воде может быть рассчитана с помощью уравнения (3). Из этого уравнения можно получить уравнение (4) для оценки оптимальной скорости водного потока.

(3)

(4)

где P - выходная мощность, - коэффициент мощности, с - плотность воды, A - площадь ротора и V - скорость воды. Из этих уравнений можно сделать вывод, что чем выше скорость потока, и, соответственно, скорость вращения ротора, тем большую выходную мощность можно получить.

В статье [6] приведено уравнение (5) для вращающего момента ротора Савониуса в воде

(5)

где - коэффициент вращающего момента. Зависимость коэффициента от коэффициента быстроходности приведена на рис. 3.

Рис. 3 - Зависимость коэффициента крутящего момента от числа быстроходности

Конструкция.

Наиболее широко исследуемым направлением улучшения энергетических характеристик ротора Савониуса является изменение его конструкции. Благодаря простоте классического ротора Савониуса, существует огромное количество возможностей изменить его конструкцию, от добавления дополнительных лопастей до создания комбинированной ветроустановки на основе турбин Савониуса и Дарье.

Исследования [10-11] посвящены изучению энергетических характеристик роторов Савониуса с разными количествами лопастей (рис. 4). Установлено, что ротор с четырьмя лопастями имеет более высокий крутящий момент по сравнению с двух- или трехлопастными конструкциями. Также четырехлопастные ветряные турбины показывают хорошую производительность при низкой скорости конца лопасти, но более высокой скорости конца лопасти трехлопастные ветряные турбины имеет лучшую производительность.

Рис. 4 - Поперечное сечение роторов Савониуса с двумя, тремя и четырьмя лопастями

Помимо этого, в исследовании [10] выявлено, что производительность ротора Савониуса большое влияние оказывают соотношение между высотой ротора и его диаметром и коэффициент перекрытия, который может быть представлен, как

,

где e - ширина зазора между лопастями, а - диаметр вала и d - диаметр лезвия. Установлено, что при увеличении соотношения сторон увеличивается и коэффициент мощности. Также исследование показало, что наибольшую механическую мощность показывают турбины, не имеющие зазора.

Кроме добавления дополнительных лопастей, конструкцию традиционного ротора Савониуса можно изменить, если соединить два ротора на одном валу, что показано в исследованиях [6-7, 10]. Такая конструкция называется двухъярусным ротором Савониуса. Двухъярусная турбина имеет более высокую удельную мощность, чем одноярусная. Для подтверждения этого, в исследовании [10] измерили статический крутящий момент на лопастях одноярусного и двухъярусного роторов при одинаковом угле поворота и при различных скоростях ветра. Видно, что двухъярусная турбина имеет более высокий статический крутящий момент и, следовательно, более высокий коэффициент статического момента, чем одноярусная.

Авторы исследования [8] предложили новый дизайн турбины Савониуса с тандемными диффузорными лопастями (рис. 5). Тандемные лопасти позволяют увеличить тяговое усилие, создаваемое на них. Помимо этого в конструкцию добавлен дефлектор. По результатам можно сказать, что ротор Савониуса с диффузорными лопастями и с подвижным дефлектором улучшает отношение скорости на узком зазоре почти в любом случае и повышает крутящий момент, благодаря силам на ведомых лопастях, которые создаются «струйным эффектом» через зазор в центре ротора. Применение дефлектора позволяет получить положительные значения статического момента при любом диаметре лопасти.

Рис. 5 - Ротор Савониуса с тандемными диффузорными лопастями

Одним из направлений улучшения энергетических показателей роторов Савониуса также является создание комбинированных ветроустановок на основе роторов Дарье и Савониуса [4, 13]. Такие установки имеют более высокий пусковой момент и более высокий КПД, чем традиционный ротор Савониуса. Однако, у таких установок есть существенный недостаток, связанный с разницей в режимах эксплуатации роторов Дарье и роторов Савониуса. Как известно, турбины Савониуса наиболее эффективно показывают себя при коэффициентах быстроходности л ? 1, в то время как роторы Дарье используются при значениях л > 2. Влияние аэродинамики двух роторов друг на друга приводит к затенению подветренного участка траектории ротора Дарье, и, следовательно, крутящий момент будет падать.

Наиболее эффективным направлением улучшения энергетических характеристик ротора Савониуса является добавление к конструкции аэродинамических труб. Дополнительные аэродинамические трубы используются для увеличения скорости ветра и тем самым позволяют увеличить коэффициент мощности турбины. Исследование [14] направлено на изучения влияния углов ветра и скорости ветра на предложенную конструкцию и традиционный ротор Савониуса (рис. 6). Для этого исследования была использована ветряная турбина Савониуса с 2 лопастями толщиной 0.35 мм, диаметром 32 см и высотой 32 см. Каждая аэродинамическая труба имела области входа и выхода ветра, равные 1,980 см² и 782 см², позволяя увеличить скорость ветра перед попаданием на лопасти турбины в 2,5 раза. Ветер создавался двумя электрическими вентиляторами, которые обеспечивали скорость ветра 4,86, 5,63 и 6,41 м / с. Вентиляторы перемещались в сторону на расстояние б (20 и 60 см), создавая углы ветра между 15,9 и 40,6 градусов. Для предлагаемой конструкции также исследовался угол труб (и) в диапазоне от -90 до 90 градусов, чтобы найти лучший угол, при котором получается максимальное выходное напряжение.

Рис. 6 - Диаграммы экспериментальных установок: (а) традиционный ротор Савониуса и (б) ротор Савониуса с аэродинамическими трубами

Результаты проведенного эксперимента представлены на рис. 7 и 8. На рис. 7 видно, что уровни выходного напряжения, генерируемого предложенной конструкцией турбины будет увеличиваться при увеличении скорости ветра (т.е. 6,21 и 9,52 В для скорости ветра 4,86 и 6,41 м / с). Уровни напряжения изменяются в зависимости от угла ветра и достигают высоких значений в диапазоне углов ветра 23-34 градусов и достигают максимума при 32,7 градусах. При фиксировании угла ветра на 32,7 градусах и изменении угла туннеля, можно видеть, что уровни напряжения также варьируются в зависимости от угла туннелей. Предложенная турбина может генерировать высокий уровень напряжения в диапазонах от 0 до 45 и -30 до -75 градусов, что показано на рис. 8.

Рис. 7 - Зависимость напряжения, вырабатываемого предложенной турбиной, от угла ветра при разных скоростях ветра

Рис. 8 - Зависимость напряжения, вырабатываемого предложенной турбиной, от угла турбины при разных скоростях ветра и угле ветра в 32,7 градусов

При сравнении напряжений, генерируемых предложенным и традиционным ротором Савониуса, можно увидеть, что предложенная конструкция создает напряжение с более высоким уровнем при всех углов ветра примерно на 45-68%, в среднем (рис. 9).

Рис. 9 - Сравнение уровней напряжений, вырабатываемых предложенной и традиционной турбинами Савониуса, при разных углах ветра

В ходе работы был проведен обзор различных путей улучшения энергетических характеристик ротора Савониуса, путем изменения конструкции ветроколеса или добавления дополнительных устройств для усиления потока. В целом самым перспективным кажется путь применения концентраторов или ускориетелей потока для лкчшения КПД ветроустановки любого типа. Применение дополнительных ускоряющих конструкций несоменнено увеличит стоимость ветроустановки, но и позволит выработать больше электроэнергии, поэтому усложнение или реконструкия установки должна быть подтверждена экономическим расчетом.

ротор савониус лопасть ветроколесо

Список литературы / References

1. Редчиц Д. А. Аэродинамика трёхлопастного ротора Савониуса /Д.А. Редчиц // Вестник двигателестроения. - 2009. -№ 3. - С. 71-76.

2. Редчиц Д. А. Аэродинамика роторов Дарье и Савониуса / Д. А. Редчиц, А. А. Приходько // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 5. - С. 26-31.

3. Сизов Д. А. Верификация комплекса математических моделей аэродинамики и динамики движения ротора Савониуса / Д.А. Сизов, Ю.П. Онушкин, О.А. Краснова, О.Т. Джанибеков. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2013. - № 1. - С. 148-156.

4. Дзензерский В. О. Математическое моделирование аэродинамики вертикально-осевой ветроэнергетической установки с роторами Дарье и Савониуса / В. О. Дзензерский, С.В. Тарасов, Д. А. Редчиц, Н.М. Хачапуридзе // Проблеми обчислювальної механіки і міцності конструкцій. - 2012. - № 19. - С. 96-111.

5. Al-Faruk А. Geometrical optimization of a swirling Savonius wind turbine using an open jet wind tunnel / Abdullah Al-Faruk, Ahmad Sharifian // Alexandria Engineering Journal. - 2016. - № 3. - С.2055-2064.

6. Горелов Д. Н. Экспериментальное исследование энергетических характеристик двухъярусного ротора Савониуса / Д.Н. Горелов // Теплофизика и аэромеханика. - 2005. - № 4. - С. 693-696.

7. Norzanah Rosmin. Experimental study for the single-stage and double-stage two-bladed Savonius micro-sized turbine for rain water harvesting (RWH) system / N. Rosmin, A. S. Jauhari, H. Mustaamal, F. Husin, M. Y. Hassan // Energy Procedia. - 2015. - № 68. - С.274-281.

8. Wahyudi B. Optimization design of Savonius diffuser blade with moving deflector for hydrokэnetэc cross flow turbэne rotor/ B. Wahyudi, S. Soeparman, H. W. M. Hoeijmakers // Energy Procedia. - 2015. - № 68. - С.244-253.

9. Mahmoud N.H. An experimental study on improvement of Savonius rotor performance/ A.A. El-Haroun, E. Wahba, M.H. Nasef// Alexandria Engineering Journal. - 2012. - № 51. - С.19-25.

10. Wenehenubun F., Saputra A., Sutanto H. An experimental study on the performance of Savonius wind turbines related with the number of blades/ F. Wenehenubun, A. Saputra, H. Sutanto // Energy Procedia. - 2015. - № 68. - С. 297-304.

11. Torresi M. Performance and flow field evaluation of a Savonius rotor tested in a wind tunnel/ Fabio A. De Benedittis, Bernardo Fortunato, Sergio M. Camporeale// Energy Procedia. - 2014. - № 45. - С.207-216.

12. Баев В.И. Повышение эффективности ветроэнергетической установки тип Савониуса / В.И. Баев, Н.В. Прокофьев // Научные основы стратегии развития АПК и сельских территорий в условиях ВТО: материалы международной научно-практической конференции, (Волгоград, 28-30 января 2014 г.) - Волгоград, 2014. -С. 449-503.

13. Шишкин Н. Д. Оценка основных параметров, комбинированных вертикально-осевых ветроэнергоустановок для судов и нефтедобывающих платформ / Н. Д. Шишкин, И. С. Терентьев // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. - 2015. - № 2. - С. 56-63.

14. Promdee С. Effects of Wind Angles and Wind Speedson Voltage Generation of Savonius Wind Turbine with Double Wind Tunnels / Chatchai Promdee, Chonlatee Photong // Procedia Computer - 2016. - № 86. - С. 401-404.

Размещено на Allbest.ru