Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями
Приведены результаты исследований возможности повышения эффективности использования энергии ветра и улучшения динамических характеристик ветроротора Дарье
 с прямыми лопастями. Основная идея работы заключается в том, чтобы путем регулирования ориентации лопастей ротора относительно набегающе...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96789 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями / В.Т. Гринченко, В.П. Каян // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 6. — С. 37-45. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860099958879813632 |
|---|---|
| author | Гринченко, В.Т. Каян, В.П. |
| author_facet | Гринченко, В.Т. Каян, В.П. |
| citation_txt | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями / В.Т. Гринченко, В.П. Каян // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 6. — С. 37-45. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Приведены результаты исследований возможности повышения эффективности использования энергии ветра и улучшения динамических характеристик ветроротора Дарье
с прямыми лопастями. Основная идея работы заключается в том, чтобы путем регулирования ориентации лопастей ротора относительно набегающего потока оптимизировать величину крутящего момента на валу ротора. Численное решение двухмерной
задачи аэродинамики позволило получить исходные данные для разработки механизма
регулирования положения лопастей. Возможность практической реализации подтверждена обширными экспериментальными исследованиями на нескольких моделях ветроротора. Показаны способность ротора с управляемыми лопастями самозапускаться при
весьма низких скоростях ветрового потока, а также значительное увеличение коэффициентов использования энергии потока и крутящего момента на валу ветроротора по сравнению с аналогичным ротором с жестко фиксированными лопастями.
Наведено результати дослiджень можливостi пiдвищення ефективностi використання
енергiї вiтру й полiпшення динамiчних характеристик вiтроротора Дар’є з прямими лопатями. Основна iдея роботи полягає в тому, щоб шляхом регулювання орiєнтацiї лопатей
ротора щодо потоку, що набiгає, оптимiзувати величину крутного моменту на валу ротора. Чисельне розв’язання двовимiрної задачi аеродинамiки дозволило одержати вихiднi данi
для розробки механiзму регулювання положення лопатей. Можливiсть практичної реалiзацiї пiдтверджена широкими експериментальними дослiдженнями на декiлькох моделях вiтроротора. Показано здатнiсть ротора з керованими лопатями самозапускатися при досить низьких швидкостях вiтрового потоку, а також значне збiльшення коефiцiєнтiв
використання енергiї потоку й крутного моменту на валу вiтроротора порiвняно з аналогiчним ротором з жорстко фiксованими лопатями.
The possibility of increasing the energy efficiency of a Darrieus wind turbine with straight blades is
considered. The basic idea is, by controlling the orientation of the blades relative to the oncoming
flow, to optimize the magnitude of torque on the rotor shaft. The numerical solution of the twodimensional problem of aerodynamics allowed us to obtain basic data for developing a mechanism for adjusting the position of the blades. The possibility of a practical realization is confirmed by the
extensive experimental studies on several wind turbine models. The wind turbine with controlled blades is self-starting at a rather low speed of wind. The energy efficiency of such turbine is one and a half time higher than that of a turbine with fixed blades.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:28:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 629.5.015.26
Академик НАН Украины В.Т. Гринченко, В.П. Каян
Оптимизация характеристик ветроротора Дарье
с прямыми управляемыми лопастями
Приведены результаты исследований возможности повышения эффективности исполь-
зования энергии ветра и улучшения динамических характеристик ветроротора Дарье
с прямыми лопастями. Основная идея работы заключается в том, чтобы путем регу-
лирования ориентации лопастей ротора относительно набегающего потока оптимизи-
ровать величину крутящего момента на валу ротора. Численное решение двухмерной
задачи аэродинамики позволило получить исходные данные для разработки механизма
регулирования положения лопастей. Возможность практической реализации подтвер-
ждена обширными экспериментальными исследованиями на нескольких моделях ветро-
ротора. Показаны способность ротора с управляемыми лопастями самозапускаться при
весьма низких скоростях ветрового потока, а также значительное увеличение коэффи-
циентов использования энергии потока и крутящего момента на валу ветроротора по
сравнению с аналогичным ротором с жестко фиксированными лопастями.
Ключевые слова: ротор Дарье, управление лопастями, эффективность.
Программы развития энергетики ведущих стран мира и значительное число уже реализо-
ванных проектов свидетельствуют о возрастающей роли возобновляемых источников энер-
гии в общем энергетическом балансе. При создании устройств, использующих различные
природные источники энергии, возникает значительное число научных и инженерных проб-
лем. Одна из них — повышение эффективности преобразования энергии природного исто-
чника в механическую или электрическую энергию. Эта проблема появляется и при соз-
дании энергетических установок, преобразующих кинетическую энергию ветра или потока
жидкости в механическую или электрическую энергию. В данной работе представлены ре-
зультаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение
эффективности таких устройств, как ветророторы с вертикальной осью вращения (типа
ротора Дарье с прямыми лопастями).
В настоящее время для утилизации ветровой энергии широко используются ветроэнер-
гетические установки (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения ветроротора с установленной
мощностью от сотен ватт до нескольких мегаватт. Обязательными компонентами конструк-
ции таких ВЭУ являются вертикальные башни высотой от 10 до 150 м, механизмы для
ориентирования площади вращения ветроротора перпендикулярно направлению ветра. Для
размещения установки необходим участок поверхности, превосходящий в несколько раз пло-
щадь, ометаемую ветроротором. Ветроустановки с вертикальной осью вращения не нуж-
даются в специальных механизмах ориентации относительно направления ветра и допус-
кают двухопорную систему крепления ротора. Генератор может размещаться в основании
установки, что упрощает ее конструкцию. Важным достоинством установки с вертикальной
осью вращения является также относительная простота конструкции лопастей и относи-
тельно малая площадь, необходимая для размещения ВЭУ [1]. Одним из главных недостат-
ков ветророторов Дарье с жестко фиксированными относительно горизонтальных траверс
© В. Т. Гринченко, В.П. Каян, 2015
ISSN 1025-6415 Допов. НАН України, 2015, №6 37
лопастями является высокая скорость ветрового потока, при которой происходит самоза-
пуск ротора во вращение, и большие значения переменной механической нагрузки на валу.
Как оказалось, оба эти недостатка могут быть устранены при использовании специальных
способов управления положением лопастей в процессе вращения ветроротора.
При движении по круговой траектории лопасть ротора Дарье работает в периодически
изменяющемся нестационарном потоке. Проекция результирующей аэродинамической си-
лы, возникающей при обтекании профиля лопасти, на касательную к круговой траектории
лопасти и дает ту силу, которая создает крутящий момент на валу ветроротора. Посколь-
ку при конструировании лопастей используются типичные крыльевые профили, основным
параметром, определяющим величину и направление действующей на профиль силы, яв-
ляется угол атаки. Характер движения лопасти в роторе с фиксированным положением
лопастей таков, что на весьма большой части ее траектории углы атаки становятся закри-
тическими. Это приводит к срыву потока и резкому снижению величины полезной состав-
ляющей аэродинамической силы так, что на некоторых участках траектории лопасть даже
тормозит ветроротор [2]. Однако, если иметь возможность поворачивать лопасть таким
образом, чтобы обтекание профиля лопасти происходило под оптимальным углом атаки,
можно значительно увеличить величину момента, развиваемого на оси ротора.
Следует отметить, что за последние 30 лет в мире были зарегистрированы десятки па-
тентов на механизмы управления лопастями ротора Дарье, однако нигде не упоминалось
о законах управления лопастью и практической реализации этих устройств. Целью на-
ших исследований являлось определение возможных законов управления лопастью рото-
ра, разработка энергетически эффективных механизмов, позволяющих реализовать такие
законы, и проверка предложенных решений с использованием экспериментальной ветро-
установки. При решении задачи использованы результаты компьютерного моделирования,
различные конструктивные решения механизма управления лопастями и обширные данные
экспериментальных исследований моделей в различных условиях [3].
С начала 2000-х годов в Институте гидромеханики НАН Украины исследования моделей
ветророторов с управляемыми лопастями на первом этапе проводились в гидролотке на спе-
циальной экспериментальной установке, модели роторов отличались длиной лопастей и их
количеством, а также величиной радиуса установки лопастей на траверсах модели ветроро-
тора [3, 4]. У ветророторов с жестко фиксированными относительно траверс лопастями угол
установки хорды профиля лопасти к касательной к ее окружности вращения был выбран
равным +4◦, профиль лопасти — осесимметричный типа NACA-0015 [5].
Механизм изменения угла установки лопасти относительно траверсы состоял из управ-
ляющей дорожки, с которой была связана лопасть, имевшая возможность поворота отно-
сительно траверсы. В исследованиях применялись два типа механизма управления лопа-
стями. В механизме управления № 1 управляющая дорожка была круговой и она имела
возможность перемещаться относительно оси вращения модели ветроротора вдоль направ-
ления продольной оси гидролотка, в результате чего появлялся некоторый эксцентриситет e
между центром вращения ветроротора и центром управляющей дорожки, что обеспечивало
изменение угла установки лопасти в каждой точке ее круговой траектории. В механизме
управления № 2 дорожка была выполнена профилированной таким образом, что задавался
определенный закон поворота лопастей так, чтобы на большей части как наветренной, так
и подветренной частях круговой траектории на лопасти выдерживался определенный угол
атаки, величина которого зависела от формы профиля и числа Рейнольдса [5]. В дальней-
шем на такую конструкцию ветроротора был получен патент Украины [6].
38 ISSN 1025-6415 Dopov. NAN Ukraine, 2015, №6
Основным параметром, характеризующим эффективность работы ветроротора, являе-
тся коэффициент использования энергии потока Cp, обычно представляемый в зависимости
от величины коэффициента быстроходности λp. Коэффициент быстроходности характери-
зует быстроходность ветроротора и показывает соотношение окружной скорости лопасти
Voкp = 2πnR и скорости набегающего на ветроротор потока V и определяется как
λp =
2πnR
V
, (1)
где n — число оборотов ветроротора в секунду; R = const — радиус окружности, по которой
движется центр давления на хорде лопасти; V — скорость набегающего на модель ветро-
ротора потока, измеренная в момент записи рабочего режима. Этот коэффициент важен
при проектировании электрогенератора, использующего механическую энергию вращения
ветроротора. Чем выше величина коэффициента λp, при которой достигается максимум
коэффициента Cp, тем более быстроходным считается ветроротор и тем менее габаритным
будет электрогенератор.
Коэффициенты использования энергии потока Cp и крутящего момента на валу ветро-
ротора Cm определялись как
Cp = 2P/ρV 3S, Cm = Cp/λp, (2)
где P = 2πnM — полезная мощность, развиваемая моделью ветроротора; ρ — плотность
воды (или воздуха); S = 2Rlлоп — ометаемая площадь модели ветроротора.
Результаты исследований модели ветроротора показали преимущество способа управле-
ния механизмом № 2 над способом управления механизмом № 1, при этом эффективность
ротора (величина коэффициента Cp) возросла на 40–70%, а величина как средней аэро-
гидродинамической нагрузки на вал ротора, так и амплитуды ее пульсации была снижена
в несколько раз [4]. Это определялось тем, что при использовании механизма № 2 оптималь-
ный угол атаки на лопасти удавалось сохранять на значительно большей части круговой
траектории лопасти, чем при использовании механизма № 1.
Для подтверждения результатов, полученных на малых моделях ветроротора, и прове-
дения более масштабных исследований ветроротора такого типа уже в воздушном потоке
в Институте гидромеханики НАН Украины в 2006–2007 гг. был разработан, создан и в 2007 г.
испытан в аэродинамической трубе Киевского Национального авиационного университе-
та макет трехлопастного ветроротора (ИГМ-1) с механизмом № 1 управления лопастями
с ожидаемой выходной мощностью на валу ветроротора величиной около 1 КВт. Ветроро-
тор (рис. 1, а) имел следующие параметры: длина лопасти — lлоп = 1,95 м, длина хорды
лопасти — b = 0,41 м, профиль лопасти NACA — 0015, удлинение лопасти — λ = 4,77, радиус
кругового вращения лопасти — R = 0,8 м, диаметр управляющей окружности D = 1,45 м,
ометаемая площадь — S = 3,13 м2, коэффициент заполнения — σ = 3b/2R = 0,77, макси-
мальная достигаемая величина относительного эксцентриситета — ε = e/b = 0,12. Исследо-
вания работы ветроротора проводились при скорости воздушного потока от 5 до 13 м/с.
Для создания нагрузочного момента на валу ветроротора использовались тормозные
муфты типа INTORQ с тормозными моментами на валу M = 7,5 15; 30 и 60 Нм соот-
ветственно. Муфты располагались на верхнем конце дополнительного опорного вала выше
потолка рабочей части аэродинамической трубы. Размеры поперечного сечения рабочего
участка аэродинамической трубы были B × H = 4 × 2,5 м. Отметим, что ветроротор са-
ISSN 1025-6415 Допов. НАН України, 2015, №6 39
Рис. 1. Ветроротор ИГМ-1 (2007 г.) с механизмом управления № 1 (а) и ветроротор ИГМ-3 (2012 г.) с меха-
низмом управления № 2 (б ) в аэродинамической трубе НАУ
Рис. 2. Зависимости величины числа оборотов ветроротора n в секунду от величины нагрузочного момен-
та M на валу (а) и зависимости величин коэффициента использования энергии потока Cpnet ветророто-
ра ИГМ-1 от величины коэффициента быстроходности λp (б ) при различных величинах относительного
эксцентриситета ε при скорости ветрового потока V = 12 м/с
мозапустился при скорости потока V = 4 м/с, относительный эксцентриситет ε при этом
был равен 0,08.
Зависимость скорости вращения ветроротора n (об/с) от величины полезного момен-
та M (Нм) на валу при скорости ветрового потока V = 12 м/с и различных величинах
относительного эксцентриситета ε представлена на рис. 2, а. Когда эксцентриситет ε = 0
или достаточно мал, увеличение нагрузочного момента на валу приводит к быстрому сни-
жению величины скорости вращения ветроротора n. Когда же величина относительного
эксцентриситета близка к оптимальной (ε = 0,04–0,06), это снижение достаточно плавное
и зависимость n от M практически линейная.
Зависимости коэффициента использования энергии потока Cpnet , характеризующего по-
лезную (чистую) энергию на выходе вала ветроротора, представлены на рис. 2, б. Невысокие
значения коэффициента Cpnet обусловлены большими потерями энергии, связанными с не-
которыми конструктивными и технологическими особенностями ветроротора (подробно об
этом см. в [7]). Однако даже в этом случае эффективность ветроротора с управляемыми
40 ISSN 1025-6415 Dopov. NAN Ukraine, 2015, №6
Рис. 3. Ветроротор ИГМ-2 (2010 г.) с механизмом управления № 2 в аэродинамической трубе НАКУ “ХАИ”
(а) и зависимости величин коэффициента Cp ветроротора от коэффициента быстроходности λp (b = 0,2 м,
V = 9 м/с) (б )
лопастями (когда ε = 0,05–0,06) более чем в 1,5 раза выше, чем у ветроротора с жестко
установленными лопастями (ε = 0). Измерения нагрузки на вал ротора от воздействия на-
бегающего потока также показали возможность снижения как средней аэродинамической
нагрузки, так и динамического коэффициента пульсации этой нагрузки, почти в пять раз.
Следующий трехлопастный ветроротор ИГМ-2 был спроектирован для испытаний в
аэродинамической трубе Национального аэрокосмического университета “ХАИ” и соответст-
венно его геометрические параметры были следующими: длина лопасти lлоп = 0,7 м, лопа-
стей было два комплекта с длиной хорды b 0,125 и 0,2 м, профиль лопасти NACA 0015, удли-
нение лопастей λ = 5,6 и 3,5 соответственно, радиус кругового вращения лопасти R = 0,5 м,
средний диаметр управляющей канавки D = 0,2 м, площадь рабочего сечения S = 0,7 м2,
коэффициент заполнения σ = 0,375 и 0,6 соответственно (рис. 3, а). Основные параметры
аэродинамической трубы Т-3, в которой проходили исследования, были следующие: диа-
метр выходного сечения соплаDc = 1,5 м; длина открытой рабочей части аэродинамической
трубы L = 2,05 м; диапазон скоростей — 0,5–45 м/с.
Измерение скорости потока в рабочей части аэродинамической трубы производилось
при помощи стандартного микроманометра ММН250 № 1912 с классом точности 0,5, по-
лезный момент на валу ветроротора измерялся с помощью измерительного нагрузочного
устройства ИНУ-5, которое представляет собой асинхронную магнитную муфту. Исследо-
вания проводились при скоростях потока на срезе сопла рабочей части аэродинамической
трубы 7, 9 и 11 м/с [8].
Управляющий механизм № 2 представлял собою диск, расположенный под нижними
траверсами ветроротора (см. рис. 3, а), в котором имелась специальным образом спро-
филированная канавка, внутри которой двигались ролики, оси которых были соединены
с тягами, расположенными внутри нижних траверс. Другим концом тяги были соединены
с управляющими осями на торце лопастей. Диск крепился на нижней опоре жестко. Одна-
ко такая конструкция управляющего механизма оказалась нерациональной, поскольку, как
было определено экспериментально, в ней были весьма велики потери энергии, производи-
мой лопастями ветроротора. На рис. 3, б кривая (Cpfull-упр) соответствует полной энергии,
производимой управляемыми лопастями, а кривая (Cpnet-упр) — полезной энергии на ва-
лу ветроротора. Кривая (Cpnet-фикс) относится к этому же ветроротору, когда управляю-
ISSN 1025-6415 Допов. НАН України, 2015, №6 41
Рис. 4. Зависимости скорости вращения ветроротора n от величины нагрузочного момента Mnet на валу при
различных скоростях ветрового потока V (а) и зависимости величин коэффициента использования энергии
потока Cp ветроротора от величины коэффициента быстроходности λp (б ) при скорости ветрового потока
V = 9 м/c
щий механизм отсутствует и лопасти установлены на траверсах жестко, а угол установки
лопасти (т. е. угол между хордой лопасти и касательной к круговой траектории в месте
крепления поворотной оси лопасти) составляет 10◦ [8].
С учетом опыта проектирования и испытаний двух описанных выше ветророторов в Ин-
ситуте гидромеханики НАН Украины в 2011–2012 гг. был создан ветроротор ИГМ-3 (см.
рис. 1, б ), который в 2012–2013 гг. прошел несколько испытаний в аэродинамической трубе
Национального авиационного университета. Ветроротор имел следующие параметры: дли-
на лопасти lлоп = 1,6 м, длина хорды лопасти b = 0,25 м, профиль лопасти NACA 0015,
удлинение лопасти λ = 6,4, радиус кругового вращения лопасти R = 0,7 м, средний диаметр
управляющей дорожки D = 0,4 м, площадь рабочего сечения S = 2,24 м2, коэффициент за-
полнения σ = 0,54. Лопасти были выполнены из углепластика и одна лопасть весила 2,7 кг.
Использовался механизм управления № 2, который представлял собой цилиндрическую
дорожку специальной формы в плане и толщиной 8 мм, расположенную под нижними
траверсами ветроротора (см. рис. 1, б ), по обеим сторонам которой двигались три пары ро-
ликов, соединенных специальными каретками, которые шарнирно были соединены с тяга-
ми, расположенными внутри нижних траверс. Другим концом тяги шарнирно соединялись
с управляющими осями на торце лопастей. Управляющая дорожка крепилась на нижней
опоре жестко. Существенным отличием конструкции ветроротора ИГМ-3 от предыдущих
конструкций было консольное крепление вала. Нижний конец вала уходил под пол аэро-
динамической трубы, где на валу размещался диск с 60-тью отверстиями для измерения
скорости вращения ветроротора, и вал через редуктор с коническими шестернями соеди-
нялся с электромагнитной порошковой тормозной муфтой (мод.14.512.08.1.2). Диапазон за-
даваемых муфтой тормозных моментов составлял 3–80 Нм с шагом 2 Нм. Во время работы
ветроротора скорость воздушного потока измерялась в двух точках — перед ветроротором
на расстоянии 2,5R от вертикальной оси ветроротора и за ветроротором на расстоянии 1,5R
от оси. При начальной нагрузке на валу в 3 Нм (сопротивление муфты с отключенным эле-
ктропитанием) ветроротор самозапускался при скорости ветрового потока V = 2,5÷2,8 м/с,
без нагрузки (т. е. при снятой муфте) — при V = 1,8 ÷ 2 м/с.
Зависимость скорости вращения ветроротора n от величины полезного момента Mnet
на валу при различных скоростях ветрового потока V представлена на рис. 4, а. Макси-
42 ISSN 1025-6415 Dopov. NAN Ukraine, 2015, №6
мальные мощности на валу получены при наименьших скоростях вращения ветроротора.
Управление лопастями позволяет получить на валу вращающий момент, почти в три раза
превосходящий момент, создаваемый ротором с жестко фиксированными лопастями, при
этом почти вдвое снижается скорость вращения ветроротора (см. рис. 4, а). Это хорошо ви-
дно на рис. 4, б, где максимум эффективности ротора с управляемыми лопастями получен
при коэффициенте быстроходности λp = 1,1, а максимум эффективности ротора с жестко
фиксированными лопастями получен при коэффициенте λp = 2,1, в то же время величина
коэффициента Cpnet у ротора с управляемыми лопастями почти в 1,5 раза выше, чем у то-
го же ветроротора с жестко фиксированными лопастями (т. е. механизм управления снят).
При жестком креплении лопастей угол установки лопастей составлял 8◦, что согласуется и
с данными, полученными в Институте МакМастер в Канаде [9] при продувке ветроротора
с размерами H ×D = 3× 2,5 м (экспериментально Cpfull был получен там не более 0,33).
Следует отметить также, что если поддерживать на круговой траектории движения
лопасти оптимальный угол атаки профиля, полученный в статике продувками в аэродина-
мической трубе [5], увеличение эффективности ротора практически нет. Еще в 80-х годах
прошлого века была высказана гипотеза о том, что при периодически нестационарном обте-
кании профиля происходит затягивание отрыва на поверхности крыла и оптимальный угол
атаки, при котором обтекание профиля еще безотрывное, становится больше [10]. Углы,
задаваемые управляющей дорожкой ветроротора ИГМ-3, были значительно больше, чем
те, которые следовало бы выбрать, используя результаты работы [5]. Кроме того, на подве-
тренной части траектории углы атаки на профиле задавались меньшей величины, чем на
наветренной части траектории. Это связано с тем, что на лопасть, движущуюся по подве-
тренной части траектории, ветровой поток приходит заторможенный на 20–40% (в зависи-
мости от скорости вращения ветроротора), что подтверждается как нашими измерениями,
так и данными работы [11].
Однако при всех положительных эффектах, полученных во время испытаний роторов
с управляемыми лопастями, отрицательным последствием наличия механизма управления
является то, что необходимо ориентировать управляющую дорожку (но не ротор) к направ-
лению действия ветрового потока. Для малых роторов это легко осуществить с помощью
флюгера, а для роторов больших размеров (мощностью 50–300 кВт) необходимо предусмо-
треть отдельный привод поворота дорожки). Отметим, что этот недостаток сразу исчезает
там, где поток однозначно ориентирован (реки, морские или приливные течения).
В итоге, применение у роторов с вертикальной осью вращения простого в конструктив-
ном и технологическом плане механизма управления (№ 2) лопастями даст возможность
эффективно использовать его при малых (6–8 м/с) скоростях ветра, снизить величину ве-
тровой нагрузки на вал ветроротора, значительно улучшить эффективность ротора. Это
позволяет надеяться, что энергоустановки с роторами описанной конструкции будут весьма
эффективными при использовании как воздушных, так и водных потоков (речных, морс-
ких) в качестве генераторов энергии мощностью 5–10 КВт для индивидуальных хозяйств
либо в качестве насосных или энергетических установок мощностью 20–50 КВт для добычи
и перекачки нефти или воды.
Таким образом, результаты проведенных исследований указывают на возможность прак-
тической реализации способов существенного повышения коэффициента использования ки-
нетической энергии потока ветроротором с контролируемым движением лопастей. Даль-
нейшее совершенствование ветроротора возможно на основе оптимизации его конструкции
по более комплексному критерию, включающему не только эффективность преобразова-
ISSN 1025-6415 Допов. НАН України, 2015, №6 43
ния энергии, но и контроль динамической уравновешенности, улучшение износостойкости
и долговечности механизма управления. Это может быть важно с точки зрения длитель-
ной и надежной работы ветроустановки.
Цитированная литература
1. Avallone E.A., Baumeister T., Sadegh A.M. Marks standard handbook for mechanical engineers. – New
York: McGraw Hill, 2006. – 685 p.
2. Дзензерский В.А., Тарасов С. В., Костюков И.Ю. Ветроустановки малой мощности. – Киев: Наук.
думка, 2011. – 590 с.
3. Довгий С.А., Каян В.П., Кочин В.А., Лебедь А. Г. Исследование влияния активного управления
прямыми лопастями на рабочие характеристики ветроротора Дарье // Прикл. гидромех. – 2010. –
12, № 3. – С. 12–23.
4. Кayan V. Darrieus turbine with controlled blades: the perspective converter of hydrokinetic energy //
Open J. Renewable Energy and Sustainable Development. – 2014. – 1, № 2. – P. 9–23.
5. Sheldahl R.E., Klimas P.C. Aerodynamic characteristics of seven symmetrical airfoil sections through
180-degree angle of attack for use in aerodynamic analysis of vertical axis wind turbines // Tech. rep.
SAND 80–2114. – Sandia National Labs., Albuquerque, N M, USA, 1981. – 120 p.
6. Пат. 84319С Україна, МПК F03D 3/00, F03D 7/06. Вiтросилова установка / В. В. Гребенников,
В.П. Каян, С. О. Довгий, В. А. Кочин. – Опубл. 17.07.2008. – Бюл. № 19.
7. Каян В.П., Лебедь А. Г. Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора
Дарье с прямыми управляемыми лопастями // Прикл. гидромех. – 2010. – 12, № 4. – С. 26–35.
8. Каян В.П., Лебедь А.Г., Чмовж В.В. Оптимизация рабочих характеристик ветроротора Дарье с
прямыми лопастями // Вiдновлювальна енергетика. – 2011. – № 1. – С. 43–54.
9. Fiedler A. J., Tullis S. Blade offset and pitch effects on a high solidity vertical axis wind turbine // Wind
Engineering. – 2009. – 33, No 3. – P. 237–246.
10. Гребешов Э.П., Коврижных Л.Д. Пропульсивные характеристики крыла-движителя, работающего
вблизи экранирующих поверхностей // Тр. ЦАГИ. – 1983. – Вып. 2211. – С. 6–20.
11. Horiuchi K., Ushiyama I., Seki K. Straight wing vertical axis wind turbines: A flow analysis // Wind
Engineering. – 2005. – 29, No 3. – P. 243–252.
References
1. Avallone E.A., Baumeister T., Sadegh A.M. Marks standard handbook for mechanical engineers, New
York: McGraw Hill, 2006.
2. Dzenzerski V. А., Таrаsоv S. V., Коstiuкоv I. Ju. Wind power plants with small capacity, Kiev: Naukova
dumka, 2011 (in Russian).
3. Dovgy S. А., Kayan V. P., Kochin V. А., Lebid А. G. Appl. hydromech., 2010, 12, No 3: 12–23 (in Russian).
4. Кayan V. Open J. of Renewable Energy and Sustainable Development, 2014, 1, № 2: 9–23.
5. Sheldahl R. E., Klimas P.C. Tech. rep. SAND 80–2114, Sandia National Labs., Albuquerque, N M, USA,
1981. – 120 p.
6. Patent 84319С of Ukraine, МПК F03D 3/00, F03D 7/06. Wind power plant, V.V. Grebenikov, V.P. Каyan,
S.О. Dovgy, V.А. Коchin, Publ. 17.07.2008. – Bul. No 19. – (in Ukrainian).
7. Kayan V. P., Lebid А. G. Appl. Hydromech., 2010, 12, No 4: 26–35 (in Russian).
8. Каyan V.P., Lebid А. G., Chmovdg V.V. Renewable energy, 2011, № 1: 43–54 (in Russian).
9. Fiedler A. J., Tullis S. Wind Engineering, 2009, 33, No 3: 237–246.
10. Grebeshov E. P., Коvridjnyh L.D. TsAHI Reports, 1983, Iss. 2211: 6–20 (in Russian).
11. Horiuchi K., Ushiyama I., Seki K. Wind Engineering, 2005, 29, No 3: 243–252.
Поступило в редакцию 30.01.2015Институт гидромеханики НАН Украины, Киев
44 ISSN 1025-6415 Dopov. NAN Ukraine, 2015, №6
Академiк НАН України В.Т. Грiнченко, В.П. Каян
Оптимiзацiя характеристик вiтроротора Дар’є з прямими
керованими лопатями
Iнститут гiдромеханiки НАН України, Київ
Наведено результати дослiджень можливостi пiдвищення ефективностi використання
енергiї вiтру й полiпшення динамiчних характеристик вiтроротора Дар’є з прямими лопа-
тями. Основна iдея роботи полягає в тому, щоб шляхом регулювання орiєнтацiї лопатей
ротора щодо потоку, що набiгає, оптимiзувати величину крутного моменту на валу рото-
ра. Чисельне розв’язання двовимiрної задачi аеродинамiки дозволило одержати вихiднi данi
для розробки механiзму регулювання положення лопатей. Можливiсть практичної реалi-
зацiї пiдтверджена широкими експериментальними дослiдженнями на декiлькох моделях
вiтроротора. Показано здатнiсть ротора з керованими лопатями самозапускатися при
досить низьких швидкостях вiтрового потоку, а також значне збiльшення коефiцiєнтiв
використання енергiї потоку й крутного моменту на валу вiтроротора порiвняно з анало-
гiчним ротором з жорстко фiксованими лопатями.
Ключовi слова: ротор Дар’є, керування лопатями, ефективнiсть.
Academician of the NАS of Ukraine V.T. Grinchenko, V. P. Каyan
Performance optimization of a Darrieus wind turbine with straight
controlled blades
Institute of Hydromechanics of the NAS of Ukraine, Kiev
The possibility of increasing the energy efficiency of a Darrieus wind turbine with straight blades is
considered. The basic idea is, by controlling the orientation of the blades relative to the oncoming
flow, to optimize the magnitude of torque on the rotor shaft. The numerical solution of the two-
dimensional problem of aerodynamics allowed us to obtain basic data for developing a mechanism
for adjusting the position of the blades. The possibility of a practical realization is confirmed by the
extensive experimental studies on several wind turbine models. The wind turbine with controlled
blades is self-starting at a rather low speed of wind. The energy efficiency of such turbine is one
and a half time higher than that of a turbine with fixed blades.
Keywords: Darrieus turbine, blades control, efficiency.
ISSN 1025-6415 Допов. НАН України, 2015, №6 45
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96789 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:28:02Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гринченко, В.Т. Каян, В.П. 2016-03-20T14:29:45Z 2016-03-20T14:29:45Z 2015 Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями / В.Т. Гринченко, В.П. Каян // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 6. — С. 37-45. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96789 629.5.015.26 Приведены результаты исследований возможности повышения эффективности использования энергии ветра и улучшения динамических характеристик ветроротора Дарье
 с прямыми лопастями. Основная идея работы заключается в том, чтобы путем регулирования ориентации лопастей ротора относительно набегающего потока оптимизировать величину крутящего момента на валу ротора. Численное решение двухмерной
 задачи аэродинамики позволило получить исходные данные для разработки механизма
 регулирования положения лопастей. Возможность практической реализации подтверждена обширными экспериментальными исследованиями на нескольких моделях ветроротора. Показаны способность ротора с управляемыми лопастями самозапускаться при
 весьма низких скоростях ветрового потока, а также значительное увеличение коэффициентов использования энергии потока и крутящего момента на валу ветроротора по сравнению с аналогичным ротором с жестко фиксированными лопастями. Наведено результати дослiджень можливостi пiдвищення ефективностi використання
 енергiї вiтру й полiпшення динамiчних характеристик вiтроротора Дар’є з прямими лопатями. Основна iдея роботи полягає в тому, щоб шляхом регулювання орiєнтацiї лопатей
 ротора щодо потоку, що набiгає, оптимiзувати величину крутного моменту на валу ротора. Чисельне розв’язання двовимiрної задачi аеродинамiки дозволило одержати вихiднi данi
 для розробки механiзму регулювання положення лопатей. Можливiсть практичної реалiзацiї пiдтверджена широкими експериментальними дослiдженнями на декiлькох моделях вiтроротора. Показано здатнiсть ротора з керованими лопатями самозапускатися при досить низьких швидкостях вiтрового потоку, а також значне збiльшення коефiцiєнтiв
 використання енергiї потоку й крутного моменту на валу вiтроротора порiвняно з аналогiчним ротором з жорстко фiксованими лопатями. The possibility of increasing the energy efficiency of a Darrieus wind turbine with straight blades is
 considered. The basic idea is, by controlling the orientation of the blades relative to the oncoming
 flow, to optimize the magnitude of torque on the rotor shaft. The numerical solution of the twodimensional problem of aerodynamics allowed us to obtain basic data for developing a mechanism for adjusting the position of the blades. The possibility of a practical realization is confirmed by the
 extensive experimental studies on several wind turbine models. The wind turbine with controlled blades is self-starting at a rather low speed of wind. The energy efficiency of such turbine is one and a half time higher than that of a turbine with fixed blades. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Механіка Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями Оптимiзацiя характеристик вiтроротора Дар’є з прямими керованими лопатями Performance optimization of a Darrieus wind turbine with straight controlled blades Article published earlier |
| spellingShingle | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями Гринченко, В.Т. Каян, В.П. Механіка |
| title | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями |
| title_alt | Оптимiзацiя характеристик вiтроротора Дар’є з прямими керованими лопатями Performance optimization of a Darrieus wind turbine with straight controlled blades |
| title_full | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями |
| title_fullStr | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями |
| title_full_unstemmed | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями |
| title_short | Оптимизация характеристик ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями |
| title_sort | оптимизация характеристик ветроротора дарье с прямыми управляемыми лопастями |
| topic | Механіка |
| topic_facet | Механіка |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96789 |
| work_keys_str_mv | AT grinčenkovt optimizaciâharakteristikvetrorotoradarʹesprâmymiupravlâemymilopastâmi AT kaânvp optimizaciâharakteristikvetrorotoradarʹesprâmymiupravlâemymilopastâmi AT grinčenkovt optimizaciâharakteristikvitrorotoradarêzprâmimikerovanimilopatâmi AT kaânvp optimizaciâharakteristikvitrorotoradarêzprâmimikerovanimilopatâmi AT grinčenkovt performanceoptimizationofadarrieuswindturbinewithstraightcontrolledblades AT kaânvp performanceoptimizationofadarrieuswindturbinewithstraightcontrolledblades |