ПРОЕКТЫ БУНЯКИНА







Ветроэнергетическая установка вихревого
(циклонного) типа.


Патент на полезную модель № RU106920U1 от 30.03.2011, А.В. Бунякин, К.М. Михайлов

Схематичный вид основания – направляющей части

(со специальной установкой заслонок).

Ветроэнергетическая установка вихревого типа представляет собой быстровозводимую каркасную конструкцию, состоящую из цилиндрических стенок и конического купола. Стенки составлены из ряда заслонок типа жалюзи, поставленных по кругу и составляющих цилиндрическую часть. При специальной установке заслонок открывается вход воздуха во внутреннее пространство. Заслонки со встречной стороны для ветрового потока (на рисунке занумерованы 1, 2, 3) должны быть установлены так, чтобы входящего внутрь воздуха было больше, чем выпускаемого наружу через заслонки с подветренной стороны (4, 5). При изменении направления ветра заслонки переустанавливаются. Возможен также вариант с установкой всех заслонок на одинаковый угол, тогда перестроения не требуется – это вопрос оптимизации.

Разность потоков впускаемого и выпускаемого воздуха поднимается в пространство конического купола, где закручивается, причем по мере подъема вверх скорость вращения увеличивается (сохранение момента количества движения), далее вихревой поток направляется на турбину. Основная идея, используемая в этой установке, состоит в том, чтобы до того, как направиться на турбину, поток специально подготавливается (закручивается в вихрь).

Ротор турбины.

 

Турбина – это устройство, предназначенное для отбора энергии от закрученного потока (в отличие от осевых ветровых установок, где энергия отбирается от составляющей скорости потока вдоль оси). Количество лопастей может быть не четыре, а больше. Возникает вопрос о том, в чем преимущество такой ветровой установки по сравнению с существующими конструкциями. Укажем только три из них:

- во-первых, строительная часть (все, кроме турбины) представляет собой обычную легко возводимую конструкцию. Она может быть выполнена на основе металлических каркасных модулей и пластин из сотового поликарбоната. Монтаж такой конструкции может производиться без применения тяжелой техники, а изготовление отдельных модулей возможно из распространенных строительных материалов;

- во-вторых, конструкция довольно прочная с точки зрения статических (тяготение) и динамических (ветровых) нагрузок, поэтому размеры ее могут быть достаточно велики (вплоть до порядков 100 м). Соответственно расход воздуха через турбину может быть достаточно большим, к тому же скорость закрутки тоже увеличится при большей концентрации в вихревой жгут (это эффект образования тайфунов и смерчей). В общем можно сказать, что вместо лопастей большого размаха для осевого потока (как в традиционных ветровых установках) и малой скорости вращения предлагается турбина с вертикальной осью, меньшего диаметра, но скорость вращения больше;

- в-третьих, ветровые установки стандартных конструкций требуют почти постоянного по направлению и по скорости ветра, иначе мощность становится гораздо меньше. Данная схема может работать как при различных направлениях ветра, так и при частом изменении его скорости. Для определенности можно считать, что все заслонки установлены под одним углом (без активного управления), внутренний объем вращающегося воздуха играет роль аккумулятора кинетической энергии потока. Кроме того, данная ветровая установка может работать вблизи крупных преград, создающих препятствие ветру (зданий, деревьев, горных склонов).

В излагаемом ниже материале приведены приближенные оценки мощности и скорости вращения турбины, а также указаны правила масштабного перехода (по критериям физического подобия) на произвольный размер.

Сначала произведем приближенную оценку скоростей потоков. Пусть скорость ветра , давление торможения Предположим, что в области схода вихревой дорожки (после прохода через жалюзи 4, 5 – см. рисунок), которая ликвидируется вдувом из внутреннего пространства, давление равно половине давления торможения (это завышенная оценка, там может быть и разряжение). Движение потока от впускного к выпускному сечению вдоль внутренней поверхности цилиндрической части происходит под перепадом давлений . Это значение соответственно занижено (возможное разряжение не учитывается).

Принимая суммарный коэффициент гидравлического сопротивления при движении воздуха во внутренней цилиндрической части установки равным 3/2 (вход и выход между ветровыми заслонками) запишем следующие равенства то есть . Это приближенная оценка для скорости воздуха на внешней окружности вихревого движения внутри цилиндрической части. Отсюда , это значение будет использовано для оценки мощности (несколько заниженной), отбираемой от потока при выпуске его вверх (через вершину конического купола, где установлена турбина).

Объем воздуха внутреннего пространства получает вращательный импульс (момент количества движения), характеризующийся значением циркуляции по контуру, проходящему вблизи внутренней стенки , а также избыток входящего воздуха (через заслонки на цилиндрической части) по сравнению с воздухом выходящим. Эта разность потоков создается искусственно и обуславливает значение средней скорости воздуха в восходящем потоке внутри конического купола.

По мере восхождения умозрительно выделенного «контрольного» объема воздуха в сужающееся пространство конического купола обе составляющие скорости (вертикальная и вращательная) будут увеличиваться. Увеличение вертикальной составляющей объясняется уменьшением площади сечения конуса (плоскостью, ортогональной его оси) по мере приближения к вершине. Увеличение же вращательной составляющей объясняется законом сохранения момента импульса (его гидромеханический аналог – это теорема о сохранении циркуляции). Остановимся подробнее на этом, и дадим пояснения.

Качественную оценку распределения скорости произведем, используя приближение идеального газа в форме:

Здесь – это вектор скорости, или (последнее при условии несжимаемости), квадратные скобки обозначают векторное произведение.

Взяв интеграл от этого уравнения по замкнутому контуру, получим (треугольными скобками обозначено смешанное произведение):

Рассмотрим в качестве контура интегрирования окружность с осью симметрии, совпадающей с осью конического купола (интегрирование ведется против часовой стрелки при взгляде сверху). Поле скорости в пространстве под куполом, на качественном уровне, может быть аппроксимировано функциями следующего вида (ось направлена вертикально вверх, система координат декартова),

Положительные значения параметров соответствуют потоку, закрученному по часовой стрелке при взгляде сверху, с сужающимися и восходящими спиралевидными траекториями (эти параметры в рассматриваемом приближении считаются постоянными).

Тогда смешанное произведение в левой части интегрального равенства имеет вид:

Учитывая, что , где – радиус окружности интегрирования, при интегрировании против часовой стрелки:

Ввиду того, что для течения под куполом получается, что по мере приближения к вершине конуса абсолютное значение циркуляции убывает (то есть, , тогда . Это явление известно под названием «формирование вихревого жгута» (встречается в природе в виде водоворотов, смерчей, тайфунов). Качественно характерно, что слои, ближайшие к оси вращения, начинают двигаться быстрее, циркуляция стремится к постоянной (не зависящей от . Суммарный же «интегральный» момент количества движения остается тем более постоянным, чем ближе течение к идеальному (невязкому) пределу. Давление уменьшается при приближении к оси вихревого жгута (в рассматриваемом случае это означает, что воздух снизу будет подтягиваться разряжением в верхнее пространство купола) – еще одна причина, свидетельствующая об эффективности предлагаемой аэродинамической схемы.

Исходя из закона сохранения циркуляции, скорость на подходе к вершине купола (недооцененную) можно приближенно оценить из равенства , то есть , и это равенство тем точнее, чем острее угол конуса. Действительно, уменьшение угла при вершине конуса до нуля соответствует уменьшению параметра (см. выше) также до нуля.

Устройство, предназначенное для отбора механической энергии от вращающегося потока – турбина (см. рисунок выше) состоит из ротора с лопастями специальной формы, качественно подобной той, какова эта форма у турбин высокого дросселирования, снабженных сопловым аппаратом. Турбина устанавливается в верхнем основании конуса в цилиндрическом статоре с минимально возможными зазорами. Количество лопастей подлежит оптимизации по критерию максимизации мощности. Это соответствует минимизации гидравлического сопротивления в межлопастных каналах.

Ротор может иметь различные соотношения геометрических параметров (внешний и внутренний диаметры, высота, угол при «острой» кромке лопасти и т.д.). Это угол пересечения лопасти с плоскостью, ортогональной оси вращения, на входе и выходе в межлопастные пространства. Данные параметры являются оптимизационными по критерию максимальной мощности на валу при определенном (наиболее вероятном) режиме работы турбины. Не останавливаясь подробно на различных постановках оптимизационных задач для нахождения параметров турбины, укажем лишь основные параметры и способы их приближенной оценки.

Основными параметрами ветровой турбины являются угол острой кромки и оптимальная угловая скорость вращения . Угол связан с составляющими скорости осевой и окружной (вращательной) соотношением , что соответствует условию плавного (почти безотрывного) натекания потока на кромку лопастей. Данное условие может быть точно выполнено лишь на каком-то одном радиусе , согласно принятым правилам для расчета рабочих лопастей ветровой турбины, расчетное значение берется приближенно соответствующим 2/3 от радиального размера лопасти (дальше от оси). Оптимальная скорость вращения находится как

Принимая условно (для оценки порядка величин) скорость закручивания потока во внутреннем пространстве установки (см. выше) равной скорости течения через входное сечение. Площадь входного сечения взята условно (высота цилиндрической части 10 м, ширина заслонки 1 м). Радиус цилиндрической части , получаем расход , циркуляция

Принимая площадь проходного сечения турбины (внешний диаметр конического купола около 6 м, внутренний около 1,5 м), расчетный радиус берется , тогда скорость вращения потока на этом радиусе приближенно оценивается как

Считая условно, что лишь 1/4 часть расхода воздуха направляется на турбину , найдем , тогда угол кромки лопастей

Оптимальная скорость вращения (около 5 оборотов в секунду). Мощность, отбираемая от потока на валу, при этом будет иметь порядок , плотность воздуха

Действительно, удельный по объему момент количества движения (кинетический момент) аналогичен циркуляции вектора скорости, умноженной на плотность, то есть . Энергия вращения (для материальной точки) связана с кинетическим моментом уравнением , которое является верным и для твердого тела и для нашего случая потока с кольцевыми линиями тока и постоянной циркуляцией вектора скорости. Поэтому соотношение для удельной по объему энергии дает выше написанное выражение мощности, пригодное для оценки порядка величин.

Мощность возрастает (исходя из соображений физического подобия) пропорционально кубу скорости ветра, и квадрату линейного размера установки.

Есть еще одна причина, по которой данную аэродинамическую схему можно считать более эффективной, чем в стандартных конструкциях. Даже при полном безветрии, если вихревая установка находится под воздействием солнечного излучения, то температура воздуха во внутреннем пространстве будет больше внешней. Более теплый воздух будет подниматься в верхнюю часть конического купола, подтягивая воздух извне через заслонки, которые будут придавать ему вращение. То есть за счет тепловой вытяжки установка может выдавать малую мощность даже при безветрии. Этот эффект тем более существенный, чем больше размеры установки.

Кроме того, при выборе направления вращения потока в цилиндрической части надо отметить то, что в северном полушарии следует вращать по часовой стрелке, а в южном – наоборот (при взгляде сверху). Объясняется это тем, что даже при отсутствии ветра эффект вращения воздуха будет работать в северном, полушарии именно по часовой стрелке (из-за ускорения Кориолиса при вращении Земли). Возможно описанный эффект не будет заметно проявляться на фоне ветровой нагрузки, но с увеличением размера установки он будет становиться все более существенным, так как объем воздуха, поставляемый внутрь (хотя бы за счет тепловой вытяжки) будет становиться все большим.

 

Планируется проведение экспериментов с установкой общей высотой около 15 м (6 м диаметр цилиндрической части с заслонками). Самый необычный элемент – это ротор ветровой турбины (прилагается фото того варианта исполнения, который пока представляется наиболее технологичным – металлический каркас и кусочки поверхности из сотового поликарбоната, внешний диаметр 1,75 м), его изготовление достаточно просто и недорого.


Контакты.
e-Mail: