Стартовая >> Архив >> Генерация >> Ветродвигатели с диффузорным усилителем

Ветродвигатели с диффузорным усилителем

Оглавление
Ветродвигатели с диффузорным усилителем
Теория диффузорных усилителей
Разработка диффузоров
Результаты испытаний моделей

В качестве одной из прогрессивных идей, направленных на повышение экономичности преобразования энергии ветра, можно рассматривать использование ветродвигателей с диффузорными усилителями (ВДУ). Цель проекта — повысить выработку и снизить стоимость, время отключения нагрузки и технический риск, связанный с применением ветроустановок. Представляется, что ВДУ наиболее подходят для промышленного получения энергии с помощью больших ВЭУ. Они позволяют существенно повысить выработку энергии установкой без увеличения размеров ветроколеса и других вращающихся механизмов в диапазоне, где из-за динамических нагрузок ветроколеса его стоимость чрезмерно велика.

Схема ВДУ предусматривает установку ветроколеса в расширяющемся диффузорном патрубке (см. рис. 1). При преобразовании кинетической энергии наличие диффузора приводит к большему снижению давления за ветроколесом, чем в свободном потоке. Вследствие этого по мере падения давления за ветроколесом увеличивается масса протекающего через него воздуха. Так как развиваемая мощность пропорциональна расходу воздуха и перепаду давлений, то на ВДУ может быть получена большая мощность, чем у равновеликой ВЭУ обычного типа, при той же скорости ветра. ВДУ обладает также дополнительными эксплуатационными преимуществами и надежностью, связанными с применением невращающегося диффузорного устройства больших размеров.

ветродвигатель Рис. 4.10. Общий вид ветродвигателя с диффузориым устройством (ВДУ) с ветроколесом диаметром 60 м.

Углы раскрытия диффузоров обычного типа ограничиваются очень небольшими значениями вследствие отрыва пограничного слоя на их внутренних стенках при быстром торможении потока. Так как для получения значительного изменения площади обычный диффузор должен иметь большую длину, стоимость его сооружения недопустимо велика. Поэтому одной из целей исследования было применение современных технических приемов для радикального уменьшения размеров диффузора. Для получения ВДУ с достаточно низкой стоимостью эту задачу необходимо было решить без ухудшения его характеристик. Аналитически исследовалось применение внутренних опорных стоек, подобных направляющим лопаткам или аппаратам, расположенным перед лопастями ветроколеса. Оценивалась экономичность производства ВДУ в сравнении с обычными ВЭУ.

В небольшой аэродинамической трубе было испытано большое число моделей диффузорных устройств. Исследовано несколько конфигураций каждого из двух эффективных типов диффузора: кольцевое крыло и диффузор с управлением пограничным слоем. Они были приняты в качестве исходных конструкций. При испытаниях аэродинамический эффект от присутствия различных ветроколес имитировался с помощью сменных сеток.

При исследовании систем управления пограничным слоем (УПС) преимущество отдавалось моделям, уникальным с точки зрения применения диффузоров для ветродвигателей. Они отличаются наиболее полным подводом воздуха с большим запасом энергии непосредственно у внешних стенок диффузора (см. рис. 2). Отрыва пограничного слоя можно избежать, если использовать наружный воздух, обладающий большой энергией, для создания струи, направленной вдоль потока и внутренней стенки. Сильное струйное течение возникает в силу того, что для образования разрежения внутри диффузора необходим лишь слабый поток, так как струя действует непосредственно там, где необходимо дополнительное количество движения потока. В диффузорном устройстве поступающий снаружи выдуваемый воздух составляет лишь незначительную долю основного потока через диффузор. В силу этого дополнительные затраты на устройство и их влияние на характеристики очень малы и метод оказывается в данном случае эффективным. В исходной конструкции используются две наружные щели в стенках диффузора. Благодаря им диффузор обеспечивает получение ветродвигателем почти вдвое большей энергии, чем в свободном потоке. В дополнение к восстановлению давления в диффузоре быстрое торможение потока наблюдается на значительном расстоянии за расширяющимся патрубком. Структура потока и профили скорости

Рис. 2. Структура потока и профили скорости для ВДУ с управлением пограничным слоем (а) и схема течения в управляемом пограничном слое (б):

1 — щель на входе; 2 — вспомогательная щель; 3 — диффузорная секция; 4 — центральное тело; 5 — лопасть ветроколеса; 6 — пограничный слой с повышенным запасом энергии; 1 — поток через щель; 2 — количество движения, потерянное пограничным слоем.

Считается, что главная нерешенная техническая проблема при разработке ветродвигателей для больших энергетических систем — это динамика лопасти ветроколеса. Поэтому работе ВЭУ на государственную или местную энергосистему препятствует недостаточная надежность ветроустановки большой мощности или малая эффективность многих установок меньших размеров с сопоставимой суммарной мощностью. Это определяется экономическими ограничениями, связанными с необходимым сочетанием производимой энергии с аккумулирующей емкостью в условиях изменяющейся скорости ветра. При этом надо учитывать малую плотность энергии ветра, высокую степень риска развития принципиально новых систем и необходимость значительных капитальных затрат на ВЭУ.

Многие из этих ограничений по капитальным затратам и характеристикам ВЭУ могут быть сокращены или вообще сняты при размещении ветроколеса в соответствующем профилированном патрубке. Невращающееся устройство с патрубком выполняется в виде компактного диффузорного узла, расположенного за ветро-колесом. Оно обеспечивает значительное (обычно в 1,5—2 раза) увеличение мощности, развиваемой ветроколесом при заданных его размерах, а также демпфирование порывов ветра, уменьшение значений минимальной рабочей скорости ветра, существенное увеличение осевой скорости потока и устранение следа за башней.

Ветродвигатели с патрубками предлагались давно. Первые исследователи вследствие допускавшихся аналитических или принципиальных ошибок были склонны недооценивать идею. Предположение о понижении давления на выходе из патрубка и допущение о том, что для предотвращения отрыва потока диффузор должен иметь значительную длину и поэтому высокую стоимость, не подтвердилось. Во второй половине прошлого века были продолжены некоторые экспериментальные исследования характеристик двумерных диффузоров, влияние формы входного патрубка на отклонение потока от осевого направления и характеристик коротких осесимметричных диффузоров с плоскими выходными эжекторами.

Более поздние исследования показали, что плоские выходные устройства ВДУ действительно могут заметно снизить уровень давления, который надеялись достигнуть для получения существенного эффекта повышения мощности. В настоящее время ясно, что снижение давления примерно наполовину динамического давления потока происходит в результате взаимного влияния эффектов вязкой и невязкой жидкости и что этот вид снижения давления существенно повышает эффективность диффузора. Уникальная особенность таких диффузорных устройств состоит в том, что они обеспечивают подачу воздуха с большим запасом энергии, находящегося непосредственно у наружных стенок диффузора.

Однако лучшие аэродинамические свойства ВДУ более существенны, чем недостатки, связанные с высокой стоимостью диффузорных устройств. Поэтому должны проводиться исследования проблемы получения достаточно высоких аэродинамических характеристик с помощью очень компактных диффузоров, сооружение которых должно быть дешевле в сравнении с плавно нарастающей стоимостью ветроколес большого диаметра с равной расчетной мощностью. Стоимость конструкции таких коротких диффузоров невелика, поскольку они приводят к снижению капитальных затрат на производство электрической энергии путем использования энергии ветра.



 
« Вертикальные асинхронные электродвигатели АВ, ВАН, ВАЗ, ВДА, ДВДА, ЦВДА2   Взрывозащищенные двигатели »
электрические сети