Шишкин Н.Д., Ильин Р.А., Лепский А.С.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК *
Аннотация:
дается краткая характеристика ветроэнергоустановок использующих вихревые потоки. Описана лабораторная вихревая ветротепловая энергоустановка с модернизированным ротором Н-Дарье, лопатки которого имеют оптимальные параметры лопастей и концевые элементы с зубцами. Экспериментально определены зависимости скорости вращения ротора Н-Дарье от скорости горизонтального воздушного потока, от скорости воздушного потока в вихревой трубе и от скорости воздушного потока с подогревом. Показано, что мощности ротора Н-Дарье в вихревой трубе и в вихревой трубе с подогревом будут соответственно в среднем 3,76 и 4,97 раза больше, чем в свободном воздушном потоке за счет больших частот вращения ротора.
Ключевые слова:
вихревая энергетика, ветроэнергоустановка, ротор Н-Дарье, частота, вращение, мощность
Одним из альтернативных видов возобновляемой энергетики является вихревая энергетика, которая представляет собой технологии использования закрученных потоков жидкости и газа для преобразования в тепловую энергию и работу [1]. Одним из практических применений ветровой энергетики является создание различного рода вихревых ветроэнергоустановок (ВВЭУ). В соответствии с [2-5] они обеспечивает преобразование низкопотенциальных воздушных потоков (ветра) и термоиндуцированных восходящих потоков в электрическую энергию. Вихревая ветроэнергоустановка в своем составе обязательно содержит вихревую систему, создаваемую башней.В 2021 году в Лаборатории нетрадиционной энергетики в АГТУ была разработана вихревая ветро-солнечная энергоустановка (ВВСЭУ) и была выполнена предварительная оценка ее параметров [6] по методике [5]. Однако для более точного определения основных ее параметров требовались экспериментальные исследования.Для исследований основных параметров ВВСЭУ была разработана лабораторная вихревая ветротепловая энергоустановка (ВВТЭУ) с ротором Н-Дарье, лопатки которого имеют оптимальные параметры лопастей и концевые элементы с зубцами [7]. Общий вид лабораторной ВВТЭУ показан на рисунке 1а, а измерительная схема установки на рисунке 1б.абРисунок 1. Лабораторная ВВТЭУ с ротором Н-Дарье и плоским теплоэлектронагревателем.Ветер в лабораторной установке моделировался потоком воздуха от осевого промышленного вентилятора, а солнечный водонагреватель для подогрева воздуха в нижней части вихревой трубы имитировался с помощью плоского цилиндрического теплоэлектронагревателя (ТЭН). Установка состоит из параболоидный конфузора 8 диаметром 280 мм, короткого конического диффузора 7 и цилиндрической вихревой трубы 6 диаметром 350 мм и высотой 500 мм, с квадратным окном для завихрителя воздушного потока 4. Под вихревой трубой располагается плоский ТЭН 9, в качестве которого используется электроплитка 9 с нагревательным элементом в форме диска диаметром 190 мм. На этой установке были исследованы вихревые потоки, возникающие над плоским подогревателем 9 и поднимающиеся через параболоидный конфузор 8 и конический диффузор 7 в вихревую трубу 6 и в ней взаимодействуют модернизированным ротором Н-Дарье 3.В настоящей работе будут представлены лишь некоторые новые результаты, полученные в 2024 году по определению основных энергетических параметров. Были проведены эксперименты по измерению частоты вращения ротора Н-Дарье с помощью лазерного тахометра Victor DM 6234 P с абсолютной погрешностью 1 об/мин., дающего гораздо более точные результаты по сравнению с ранее использовавшимися механическими тахометрами. Средняя скорость воздушного потока v = vL в каждом из сечений на расстоянии L от вентилятора определялась на основе осреднения скоростей потока в 9-ти точках с помощью цифрового анемометра 5 с погрешностью не более 0,1 м/с. Для сопоставления полученных результатов с ранее полученными при исследовании ротора Н-Дарье [18] были построены (см. рисунок 2): график зависимости частоты вращения ротора Н-Дарье от скорости горизонтального воздушного потока n1 (кривая 1), от скорости воздушного потока в вихревой трубе n2 (кривая 2) и от скорости воздушного потока в вихревой трубе с подогревом n3 (кривая 3).Рисунок 2. Графики зависимости скорости вращения ротора Н-Дарье: n1 от скорости горизонтального воздушного потока, n2 от скорости воздушного потока в вихревой трубе и n3 от скорости воздушного потока с подогревом.Как видно из рисунка 2 все 3 графики частот вращения n1 , n2 и n3 с помощью лазерного тахометра Victor DM 6234 P имеют единообразный вид параболических зависимостей в отличие от ранее полученных в 2023 году линейных зависимостей в вихревой трубе и в вихревой трубе с подогревом. Из рисунка 2 также видно, что при повышении скорости воздушного потока от 4,1 до 6,3 м/c частота вращения модернизированного ротора Н-Дарье с оптимальным углом установки лопастей и закрылками с треугольными зубьями при ортогональном ветровом потоке увеличилась со 130 до 310 об/мин, т.е. в 2,4 раза. При повышении окружной скорости воздушного потока в вихревой трубе, практически равной скорости воздушного потока снаружи вихревой трубы, в диапазоне скоростей от 2,0 до 5,2 м/c частота вращения ротора Н-Дарье увеличилась со 140 до 370 об/мин, а при тех же условиях с дополнительным подогревом потока снизу частота вращения ротора Н-Дарье увеличилась с 220 до 420 об/мин. Вращение ротора Н-Дарье начиналось лишь при скорости 4,1 м/c, а в круговом потоке в вихревой трубе с 2,0 м/c, а при подогреве с 1,5 м/c. В диапазоне скорости воздушного потока от 4,1 до 5,2 м/c частота вращения ротора Н-Дарье в вихревой трубе будет в 1,61 – 1,71 раза, в среднем в 1,66 раза больше, а частота вращения ротора Н-Дарье в вихревой трубе с подогревом в 1,91-2,46 раза, в среднем в 2,14 раза больше, чем для ротора Н-Дарье в горизонтальном воздушном потоке. Можно сделать вывод, что наиболее эффективно использование ротора Н-Дарье в вихревой трубе при малых скоростях. Это объясняется тем, что в вихревой трубе возникает вихревой, почти круговой поток воздуха, в котором все лопасти ротора Н-Дарье все время находятся в воздушном набегающем потоке. Поэтому для раскрутки ротора Н-Дарье не требуется ротор Савониуса, как это было использовано в КРДС при горизонтальном воздушном потоке [7]. Зависимость мощности ротора Н-Дарье от скорости воздушного потока показана на рисунке 3.Рисунок 3. Зависимость мощности ротора Н-Дарье от скорости воздушного потока: 1 – в свободном потоке, 2 – в вихревой трубе, 3 – в вихревой трубе с подогревом.Графики зависимости мощности ротора Н-Дарье в свободном потоке 1 в вихревой трубе 2 и в вихревой трубе с подогревом 3 имеют параболический характер. Анализ полученных значений показывает, что мощности ротора Н-Дарье в вихревой трубе и в вихревой трубе с подогревом будут соответственно в среднем 3,76 и 4,97 раза больше мощностей ротора Н-Дарье в свободном воздушном потоке за счет больших частот вращения ротора. Такой мультипликативный эффект можно объяснить особенностями аэродинамики и энергетики роторов Н-Дарье, помещенных в круговой поток в вихревой трубе. Наблюдается постоянное пребывание крыловидных лопастей роторов Н-Дарье в почти вращающихся потоках, в отличие от периодического пересекающего ротор Н-Дарье свободного горизонтального прямолинейного потока, как это было показано в работе Горелова [8]. Дополнительный нагретый ТЭН воздушный поток, поступающий снизу в вихревую трубу, приносит дополнительный импульс за счет дополнительной массы воздуха, а также за счет прямого превращения тепловой энергии в механическую, как было показано Надировым Н.К. и Низовкиным В.М. в работе [5]. В конечном итоге это приводит к существенному росту скорости вихревого потока и соответственно его мощности, что наблюдается в природных торнадо и вихревых установках других авторов [2-5].Таким образом, экспериментально определены основные параметры ВВЭУ. Мощности ротора Н-Дарье в вихревой трубе и в вихревой трубе с подогревом будут соответственно в 3,76 и 4,97 раза больше мощностей ротора Н-Дарье в свободном воздушном потоке за счет больших частот вращения ротора. Это объясняется особенностями аэродинамики и энергетики роторов Н-Дарье, помещенных в круговой поток, возникающий в вихревой трубе с постоянным пребыванием в нем крыловидных лопастей роторов. Полученные результаты смогут быть использованы при проектировании вихревых ветроэнергоустановок для автономного электроснабжения объектов.
Номер журнала Вестник науки №6 (75) том 3
Ссылка для цитирования:
Шишкин Н.Д., Ильин Р.А., Лепский А.С. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК // Вестник науки №6 (75) том 3. С. 2161 - 2168. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/16195 (дата обращения: 15.12.2025 г.)
Вестник науки © 2024. 16+