МЕТОДЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЭУ

Мирошник В.Ю.¹, Подберезкин Д.А ¹, Копейкин Д.А.¹, Соколов П.С.¹, Артамонова Е.Ю.²

¹Студент, ²аспирант,

Омский государственный технический университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

МЕТОДЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЭУ

Аннотация

В статье приведены основные методы и методики, начиная с первоначального этапа аэродинамического проектирования ветроэнергетических установок до предсерийного выпуска. Проведен литературный обзор методов и методик аэродинамического проектирования, по результатам которого представлены, наиболее перспективные методики, такие как аналитический, инженерный и аналитический с применением ЭВМ. Приведены уравнения для нахождения необходимых аэродинамических характеристик. Промоделирована наглядная модель и её часть в современных программах ANSYS CFX и SALOME. По результатам исследования сделан вывод, что приведенные методы удовлетворяют как экономическим, так и техническим требованиям для внедрениях их на производстве.

Ключевые слова: Возобновляемые источники энергии, ветроэлектрическая установки, аэродинамическое проектирование.

Miroshnik V.Y.¹, Sokolov P.S.¹, Podberezkin D.A.¹, Kopeykin D.A.¹, Artamonova E.Y.²

¹Undergraduate student, ²postgraduate student,

Omsk State Technical University

This work was supported by grant RFBR and №16-08-00243

THE METHODS OF AERODYNAMIC PROJECTING WIND-ELECTRICAL INSTALLATIONS

Abstract

The main methods and techniques, since an initial stage of aerodynamic designing of wind power installations to pre-series release. The literary overview of methods and techniques of aerodynamic designing by results of which are provided the most perspective techniques, such as analytical, engineering and analytical with the use of computers. The equatios for finding the necessary aerodynamic characteristics are given. Visual model is simulated and its part in modern programs ANSYS CFX and SALOME. By results of a research the conclusion is drawn that the given methods satisfy to both economic, and technical requirements for implementations on production.

Keywords: renewable energy sources, wind turbine, aerodynamic projecting.

 

В настоящее время в мире наблюдается развитие электроэнергетики основанной на возобновляемых ресурсах – возобновляемые источники энергии (ВИЭ) [2]. Одним из перспективных видов ВИЭ в России является ветроэнергетика (ВЭ). Потенциальное развитие ВЭ, как замена основным не возобновляемым источникам электроэнергии, возможна на территории Крыма и других перспективных районах, это обуславливает необходимость разработки инженерных методов проектирования, оптимизации и управления ветроэнергетического комплекса [2].

Для рассмотрения методов проектирования приведем классификацию ветроэлектрических установок (ВЭУ) [2]:

Рис. 1 – Классификация ветроэлектрических установок (ВЭУ)

Проведя анализ литературы и тенденций развития ВЭ, выяснилось, что в настоящее время, из-за увеличения мощностей, развиваются ВЭ мегаваттного класса[2].

Приведем методы проектирования аэродинамического проектирования ВЭУ:

Рис. 2 – Методы аэродинамического проектирования ВЭУ

Рассмотрим подробно наиболее перспективные и универсальные методы проектирования ВЭУ.

• Аналитический метод.

В качестве аналитического метода рассмотрим численный метод аэродинамического проектирования:

Рассмотрим численный метод расчета аэродинамических характеристик ВЭС с концентратором воздушного потока (КВП) [7]:

Для определения мощности турбины  составляем уравнение импульсов для двух контрольных объемов 1-3 (рис. 3):

Рис. 3 – Общий вид КВП с турбиной мошностью 

Учтем, что сила давления на срезе контрольного объема  уравновешивается силой на поверхности спутной струи, воздушное течение в виде вихрей, тогда имеем:

где  атмосферное давление;

площадь турбины;

напряжение трения;

единичная нормаль к внутренней поверхности КВП;

единичный вектор касательной в точках внутренней поверхности КВП;

скорость внутри КВП;

индуктивная скорость в плоскости турбины.

орт оси ох

Для контрольного объема с диффузором:

где  скорость в плоскости оу;

Давление перед и за турбиной.

Сложив оба уравнения и разделив их на  получим,

где 

;

;

;

коффициент давления;

  коффициент трения;

Тогда:

- мощность турбины N_т

Получим:

где ,  – радиус и КПД турбины.

Приведем расчет граничного интегрального уравнения относительно потенциала возмущенных скоростей [6]:

где  расстояние от точки интегрирования до точки, где определяется потенциал ;

поверхность КВП;

 разница потенциалов на плене;

 нормаль к поверхностям , ,

Турбина моделируется активным сечением по аналогии с работой [1].

Параметры пограничного слоя и его коэффициентов определяются в [6]. Затем подставляем их в интегральное соотношение:

полученное уравнение с одним неизвестным решим методом Рунге-Кутта [6].

Таким образом данным аэродинамическим методом можно определить характеристики ВЭУ с концентрированными воздушными потоками: крутящий момент, мощность на валу и диаметр ротора.

• Метод аэродинамического проектирования ВЭУ по известным данным.

Применяется для проектирования маломощных ВЭУ, которые используют энергию малых ветров (2 – 5 м/с). При аэродинамическом проектировании известны следующие параметры: мощность, относительные хорды, скорость ветра, относительные величины половины высоты ветроколеса. С помощью известных параметров найдем: диаметр ветроколеса, частоту вращения, хорду профиля и высоту лопасти [11].

Метод расчета заключается в определении:

- мощностной характеристик , которая является зависимостью коэффициента мощности  от быстроходности Z;

-       моментной характеристики  что является зависимостью коэффициента момента  от быстроходности Z.

По полученным зависимостям определим оптимальное значение быстроходности ветроколеса   при котором обеспечивается наибольшее значение коэффициентов этих зависимостей.

Коэффициент вспомогательной быстроходности находится по формуле:

где  U=wR – окружная скорость ротора; R – радиус; V₁– скорость ветра в миделевом сечении, наибольшее по площади поперечное сечение тела плоскостью.

Промежуточные значения :

где KK = 1, 2, …, ;  – начальное значение вспомогательной быстроходности;  – конечное значение вспомогательной быстроходности;  – количество точек вспомогательной быстроходности.

Вспомогательное выражение:

Переменный азимутальный угол расположения профиля:

где i = 0, 1, 2, …, ;  – шаг по углу;  – количество шагов при численном интегрировании по углу;  относительная скорость ветра на плоскость профиля;  – относительная хорда профиля в долях наружного радиуса, о. е.

Тангенс угла атаки проекции относительной скорости на плоскость профиля для i-го шага по углу:

Угол атаки  определяется ближайший к углу  по таблице аэродинамических характеристик профилей[10].

Пусть номер найденного элемента  будет it. С помощью линейной интерполяции определим коэффициенты  и , соответствующие . Далее будет предложено рассмотреть три варианта номера it.

где 

Точка с номером it соответствет крайней точке массива с номером 1:

где 

Точка с номером it соответствует крайней точке массива с номером :

где 

        Экстраполируем по касательным к точечным кривым, для нахождения крайних точек массива угла атаки α.

Квадрат проекции:

где квадрат скорости ветра в миделевом сечении.

Коэффициенты компонента аэродинамических сил, действующих на профиль в направлении хорды профиля и нормали к ней (в плоскости профиля), такие:

 Коэффициенты вспомогательной быстроходности:

где 

При наклоне лопастей δ=0, т.е. в вертикальные, коэффициент мощности вычисляется по интегралу:

где  – количество лопастей;  – относительная скорость вниз по потоку, о.е.; Z_b – вспомогательная быстроходность;  – относительный радиус;  – коэффициент аэродинамических сил, действующих в направлении хорды профиля;  – азимутальный угол.

Коэффициент момента связан с коэффициентом мощности соотношением:

На данном этапе необходимо определить точку пересечения точечной кривой  с осью абсцисс, при необходимости экстраполируем последний участок кривой с помощью прямой. Назовем абсциссу точки пересечения 

где n и n-1 – номера последней и предпоследней точек кривой  = . Считая, что абсцисса рабочей точки лежит в интервале ( , ), где  – абсцисса максимальной точки кривой , задаем некоторое положительное число , меньшим единицы, и определяем

где  значение в пределах 0,15…0,3. Определяются номера точек кривой , абсциссы которых образуют интервал, содержащий 

Пусть это будут номера k–1 и k. Тогда с помощью линейной интерполяции ордината рабочей точки

Для прямых вертикальных лопастей:

где 

Отсюда

Частота вращения колеса, об/мин,

Хорда профиля лопасти постоянна по высоте лопасти. Задаем относительную хорду в долях радиуса колеса (для изогнутых лопастей – в долях максимального радиуса R):

В результате использования данного алгоритма находим значения вектора геометрического параметра ротора , который обеспечивает заданную мощность N.

Для решения поставленной оптимизационной задачи зададимся высотой лопасти, а на остальные параметры наложены ограничения:  – длина хорды лопасти,  – диаметр, – количество лопастей, p , где    – вид профиля лопасти. Для каждого из этих параметров задается шаг:  С помощью дискретного перебора результатов расчёта выбираем те геометрические параметры, при которых достигается максимальная мощность N [9].

Предложенный алгоритм автоматизированного проектирования обеспечивает построение ВЭУ с наилучшими электрическими характеристиками при эксплуатации ВЭУ в условиях присутствия малых ветров со скоростью менее 5 м/с.

3)    Математическое моделирование с использованием ЭВМ.

Моделирование можно провести с помощью следующих программ, например, ANSYS CFX или SALOME. Программы позволяют получить детальные картины течения воздушного потока вокруг работающей поверхности [9].

В программе ANSYS CFX рассмотрим работу ветроустановки и расчет обтекания и основных аэродинамических сил и моментов, возникающих на промышленной ветроустановке при обдуве ее ветровым потоком [8].

Для начала работы необходимо построить модель. Расчет можно производить как целой модели, так и отдельной её части.

Рис. 4 –­ CAD-модель лопасти

Рис. 5 –­ Полная CAD-модель ветроустановки

В качестве основной схемы расчета была выбрана задача стационарного обтекания равномерным ветровым потоком вращающегося ротора в присутствии неподвижной гондолы. Расчетная область представлена двумя доменами в форме цилиндров: внешний цилиндр радиуса 50 м и длиной образующей 100 м, описывающий стационарное поступательное движение среды, и внутренний, вращающийся с постоянной угловой скоростью цилиндрическая рабочая область - домен, охватывающий лопасти ветроустановки, радиуса 9.5 м и длиной образующей 2.5 м (рис. 6-7).

Рис. 6 –­ Расчетная область

Рис. 7 –­ ­ Вращающийся домен

Генерация сетки проводится в полуавтоматическом режиме в грид-генераторе CFX-Mesh. Генерируется трехмерная гибридная тетраэдральная сетка с призматическими слоями в областях пограничного слоя на твердых поверхностях (рис. 8) (здесь и далее стрелкой указано направление ветра).

Рис. 8 –­ ­ Фрагмент треугольной сетки на поверхности гондолы и лопастей

Далее приведена серия компьютерных визуализаций, позволяющая выявить основные закономерности обтекания ветроустановки и локальные характерные особенности течения [8].

Рис. 9 –­ ­ Линии потока во вращающейся вместе с лопастями системе координат

Рис. 10 –­ ­ Линии потока в абсолютной системе отсчета, показывающие возникновение индуктивного скоса за вращающимися лопастями при отбрасывании ими потока

Рис. 11 –­ ­ Линии потока в плоскости на выходе из вращающейся расчетной области за лопастями

Рис. 12 –­ ­ Визуализация вихря, сходящего с концевого сечения лопасти

Рис. 13 –­ ­ Визуализация вихря, сходящего с торца лопасти в области крепления к своему валу

Рис. 14 –­ ­ Визуализация центрального осевого вихря, сходящего с основного вала

По результатам проведенных циклов методических и параметрических расчетов можно провести верификацию методики расчетов и сделано сопоставление полученных расчетных данных для крутящего момента и механической мощности с натурными экспериментальными данными (рис. 15).

Рис. 15 –­ ­ Мощность и крутящий момент: сравнение расчета и эксперимента

Вторым программным продуктом, рассмотренным нами будет SALOME он предназначен для проведения имитационного моделирования при решении задач вычислительной аэро- и гидродинамики [9]. SALOME представляет собой открытую интегральную программную платформу для выполнения численных расчетов и имитационного моделирования.

Рассмотрим применение этой программы на примере проектирования дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна. Эта задача схода с задачей по проектированию формы лопасти ветроустановки.

Работа в этой программе аналогична работе в программе ANSIS CFX, оно начинается с построения 3D-модели объекта проектирования [4]:

Рис. 16 –­ ­ Диалоговое окно системы CATIA, в которой представлена 3D модель ДАП крыла.

Следом задается расчетная область и в нее помещается объект проектирования.

Рис. 17 –­ ­ Расчетная область

После этого производится расчет.

                                            

Рис. 18 –­ ­ Результаты имитационного моделирования для ДАП крыла ВС:

а – изменение скорости распределения текучей среды по поверхности ДАП крыла;

б – распределение давления в сечении ДАП

• Инженерный метод.

Данный метод представляет собой заключительный этап проектирования ВЭУ перед выпуском в серию. На данном этапе производится:

- уточнение нагрузок, действующих на элементы ВЭУ; выявление нежелательных резонансных явлений; оценка механических взаимодействий элементов ВЭУ с использованием параметров, полученных на этапе разработки и расчѐта механических узлов и компонентов;

-       модернизация механических узлов и компонентов. Цель данногоэтапа проектирования заключается во внесении необходимых изменений и окончательной доработки механических частей, узлов и конструкций, а также в производстве и сборке опытного образца. Производятся основные производственные процедуры и процедуры контроля качества;

-       электрическая часть ВЭУ. Разрабатывается электрическая часть ВЭУ, схемы и алгоритмы управления, производится проектирование основных органов управления электрическими цепями, а также проектируется основное электротехническое оборудование;

-       написание руководства. Итогом выполнения данного этапа является создание руководство оператора и эксплуатационное руководство;

-       техническая экспертиза проектной документации. Проект подвергается всесторонней технической экспертизе на предмет соответствия условиям и требованиям выполнения проекта, изложенным в действующих в стране фирмы производителя стандартам;

-       техническая экспертиза опытного образца. Опытный образец ВЭУ проверяется на устойчивость к наихудшим возможным природно-климатическим условиям, и в целом на работу в пределах рабочего диапазона скоростей ветрового потока. Измерения проводятся для выработки мощности на контактных щѐтках, основном вале, и т. д. Измеряются электромагнитные помехи и уровень шума ВЭА. Техническая экспертиза проводится сторонней организацией, обладающей соответствующим сертификатом.

-       внесение исправлений. После выявления в ходе технической экспертизы опытного образца ошибок и несоответствий вносятся необходимые исправления и изменения;

-       оценка производственных условий. Проводится с целью получения гарантий, что производственный процесс будет проходить согласно техническим требованиям;

-       получение сертификата. В результате удовлетворительных оценок, полученных на этапах технической экспертизы проектной документации, технической экспертизы опытного образца и оценки производственных условий фирме выдаѐтся сертификат типа, дающий право на серийное производство и продажу ВЭУ [5].

Выводы: в данной работе показаны наиболее перспективные методы и методики аэродинамического проектирования ВЭУ. Представлено: моделирование ВЭУ по заданным параметрам в современных программах, например ANSYS, SALOME; расчет параметров численным методом и расчет по известным данным для ВЭУ использующие энергию малых ветров (математические методы). Результатом исследования стало, что приведенные методы удовлетворяют как экономическим, так и техническим требованиям для внедрениях их на производстве.

Список литературы / References

1. Гайдаенко В.И. Метод расчета стационарного и нестационарного обтекания летательного аппарата с работающей силовой установкой / В.И. Гайдаенко, В.В. Гуляев, А.К. Калганов // Применение ЭВМ для исследования аэродинамических характеристик летательных аппаратов: труды ВВИА им. Н.Е. Жуковского. — Вып. 1313. — М., 1986. — С. 23 – 32.
2. Гончаров А.А. К вопросу классификации и основные требования к проектированию ветроэлектрических установок / Гончаров А.А. // Научный журнал КубГАУ. —2014. — №97(03
3. Григораш О.В. Возобновляемые источники электроэнергии / О.В. Григораш, Ю. П. Степура, Р. А. Сулейманов и др. Краснодар, —.2012, с. 272.
4. Горбунов А. А. Применение имитационного моделирования при проектировании дополнительных аэродинамических поверхностей крыла воздушного судна, автореф. дис…. канд. тех. наук 24.10.2013 / Горбунов Александр Алексеевич. Оренбургский государственный университет. — Оренбург, 2013. — 17 с.
5. Елистратов В.В. Проектирование и эксплуатация установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Ветроэлектрические установки: учебное пособие / В.В. Елистратов, А.А. Панфилов. – СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2011. – С. 35–37.
6. Лебедь В.Г. Оценка целесообразности использования концентраторов воздушного потока в ветроэнергетических установках / В.Г. Лебедь, С.А. Калкаманов, А.Л. Сушко // Интегрированные технологии в энергосбережении: ежеквартальный научно-технический журнал.—Харьков: НТУ «ХПИ». – №4. – Харьков, 2011. – С. 73 – 88.
7. Лебедь В.Г. Метод аэродинамического расчета ветроэнергетической установки с концентратором воздушного потока / В.Г. Лебедь, С.А. Калкаманов, // Авиационно-космическая техника и технология: сб. научных трудов Нац. Аэрокосм. Ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ» — Вып. 5(92). – Харьков, 2012. – С. 31 – 42.
8. О компьютерном моделировании обтекания ветроустановки [Электронный ресурс]. — Электрон. дан. — Москва Режим доступа: http://www.t-services.ru/ru/solutions/windpower.html. (24.02.2010).
9. Синеглазов В. М. Автоматизированное проектирование ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения / В.М. Синеглазов, С.С. Алёшкин, Кульбака А.В. // Научно технический журнал Електроніка та системи управління – Вып. 5(30). – Киев, 2011. – С. 84 – 89.
10. Справочник авиационных профилей [Электронный ресурс]. – Казань: Казанский нац. исслед. тех. университет им. А.Н. Туполева. – Режимдоступа: http://kipla.kai.ru/liter.html.
11. CFD Analysis - Guidance for Good Practice [Электронный ресурс] / NAFEMS Ltd. – 2013. – Режим доступа: http://www.nafems.org/about/

Список литературы латинскими символами / References in Roman script

1. Gajdaenko V.I. Metod rascheta stacionarnogo i nestacionarnogo obtekanija letatel'nogo apparata s rabotajushhej silovoj ustanovkoj [The method of calculation of steady and unsteady flow around the aircraft with a working power plant] / V.I. Gajdaenko, V.V. Guljaev, A.K. Kalganov // Primenenie JeVM dlja issledovanija ajerodinamicheskih harakteristik letatel'nyh apparatov: trudy VVIA im. N.E. Zhukovskogo. [Application of the computer for research of aerodynamic characteristics of aircraft: the works VVIA them. N.E. Zhukovsky]— R. 1313. — M., 1986. — P. 23 - 32. [in Russian]
2. Goncharov A.A. K voprosu klassifikacii i osnovnye trebovanija k proektirovaniju vetrojelektricheskih ustanovok [The problem of classification and basic requirements for projecting wind-electrical installations], Goncharov A.A. // Nauchnyj zhurnal KubGAU [Science journal KubGAU] —2014. — №97(03). —[in Russian]
3. Grigorash O.V. Vozobnovljaemye istochniki jelektrojenergii [Renewable energy sources] / O.V. Grigorash, Ju. P. Stepura, R. A. Sulejmanov i dr. Krasnodar, —.2012, P. 272. [in Russian]
4. Gorbunov A. A. Primenenie imitacionnogo modelirovanija pri proektirovanii dopolnitel'nyh ajerodinamicheskih poverhnostej kryla vozdushnogo sudna [Application of simulation in the design of the additional aerodynamic surfaces of an aircraft wing], avtoref. Dis. … kand. teh. Nauk 24.10.2013 / Gorbunov Aleksandr Alekseevich; Orenburg State University. — Orenburg, 2013. — P. 17. [in Russian]
5. Elistratov V.V. Proektirovanie i jekspluatacija ustanovok netradicionnoj i vozobnovljaemoj jenergetiki. Vetrojelektricheskie ustanovki: uchebnoe posobie [Design and operation of non-traditional and renewable energy plants. Wind power plants] / V.V. Elistratov, A.A. Panfilov. – SPB.: Pub. Polytechnic University, 2011. – P. 35–37. [in Russian]
6. Lebed' V.G. Ocenka celesoobraznosti ispol'zovanija koncentratorov vozdushnogo potoka v vetrojenergeticheskih ustanovkah [The estimation of expediency of using concentrators air flow in wind power plant] / V.G. Lebed', S.A. Kalkamanov, A.L. Sushko // Integrirovannye tehnologii v jenergosberezhenii: ezhekvartal'nyj nauchno-tehnicheskij zhurnal [The integrated technology to save energy: a quarterly scientific-technical journal], —№4.— Kharkiv: NTU «HPI», 2011. —P. 73 - 88. [in Russian]
7. Lebed' V.G., Kalkamanov S.A. Metod ajerodinamicheskogo rascheta vetrojenergeticheskoj ustanovki s koncentratorom vozdushnogo potoka [Method of cakculating aerodynamic wind power plants with concentrators of air flow] V.G. Lebed', S.A. Kalkamanov, [Aerospace Engineering and Technology: Proc. scientific papers Nat. Aerokosm. Zap them. N.E. Zhukovsky "HAI"] — R. 5(92).— Kharkiv, 2012. – P. 31 – 42. [in Russian]
8. O komp'juternom modelirovanii obtekanija vetroustanovki [Jelektronnyj resurs] [Сomputer simulation of flow around wind turbines [electronic resource]. — Moscow. –Аccess mode: http://www.t-services.ru/ru/solutions/windpower.html. (24.02.2010).
9. Sineglazov V. M. Avtomatizirovannoe proektirovanie vetrojenergeticheskih ustanovok s vertikal'noj os'ju vrashhenija [Automated design of wind turbines with a vertical axis of rotation [Text]] / V.M. Sineglazov, S.S. Aljoshkin, Kul'baka A.V. // Nauchno tehnicheskij zhurnal Elektronіka ta sistemi upravlіnnja [Scientific and technical journal: Electronics and control systems] — R. 5(30).—Kiev, 2011.—P. 84 -89. [in Russian]
10. Spravochnik aviacionnyh profilej [Directory of Aircraft profiles [electronic resource]]. – Kazan: Kazanskij nac. issled. teh. universitet im. A.N. Tupoleva [Kazan National Research Technical University A.N. Tupoleva] – Аccess mode: http://kipla.kai.ru/liter.html.
11. CFD Analysis - Guidance for Good Practice [electronic resource] / NAFEMS Ltd. – 2013. – Аccess mode: http://www.nafems.org/about/