Исследования работы

             Ветротурбин на базе Прототипа №2  

           Изобретения «Трубо-винтовой ротор»

 Руководитель 
Денисов Александр Константинович 
Инженеры-исследователи проекта : 
 Бабенко Александр Владиславович
 Корнилов Александр Федорович 
 Синельник Александр Сергеевич 

. (Отчет несет ознакомительную цель и не претендует на истинность результатов)

Оценочное численное моделирование разгонной динамики ветротурбины №1
 Цель расчета:
 • Получение общего понимания процессов формирования потока при динамической работе роторной машины
• Оценка производительности работы ветротурбины и сравнение ее с аналитическим расчетом • Выявление не совершенства конструкции на этапе проектирования
 • Определения концепции дальнейшей модификации/ модернизации конструкции.
• Проверка новой концептуальной конструкции ветротурбины.

1 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1

  Трех лопастная осевая ветряная турбина, спроектированная по принципиальной схеме прототипа №2 изобретения «Трубо-винтовой ротор», представляющего собой трех элементный продольно-винтовой конфузор, обеспечивающий осевой параболический проток. Имеет: Переменный радиус втулки. Меридиональном сечении проточная часть формирует конфузор по типу Кпер= сопві Наружное кольцо жестко зафиксированное с ротором. *отсутствуют галтели на месте стыковки с втулочным и периферийным обводом. За пределы наружного кольца конструктивно введен конус формирующий облик втулки. В процессе адаптации трехмерной геометрии к расчету были введены изменения, поднят обвод втулки на входе до г=10 мм. Профиль лопастей имеет переменную по радиусу S-образность. Лопасть широкохордная с постоянной толщиной. Конструкции присвоена плотность ABS пластика - 1020 кг/м3

Получены следующие массоиннерционные характеристики: • Вес 4,11 кг • Моменты инерции: ( килограммов * квадратные метры ) * Определяются в центре тяжести и выравниваются относительно системы координат вывода. Lxx = 0.09764 Lxy = 0.00000 Lxz = 0.00000 Lyx = 0.00000 Lyy = 0.09764 Lyz = 0.00000 Lzx = 0.00000 Lzy = 0.00000 Lzz = 0.07172

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1
Допущения, вводимые при расчете.
1. Течение симметричной с условий окружной периодичности во всех трех межлопаточных каналах.
2. Стенки ротора абсолютно гладкие.
 3. Не учитывается межмолекулярное требование (идеальный газ).
 4. Скорость набегающего потока постоянная, без порывов.
5. Отсутствует фактор влажности.
 6. Атмосферное давление постоянно и равно 101.3 кПа
 7. Вращение без трения в механическом приводе.

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1
Граничные условия: Вход - торцевая граница сектора лопастной машины.
Скорость на входе 6 м/с. Вектор скорости строго директивный по оси Z.
 Для исключение влияния выходных границ введен дополнительный домен с свободнопронзаемыми границами. Подпорное давление 1 атм.
 Выход - торец и радиальная грань удаленной противоположной стороны. Газовая область ротора была выделена в качестве субдомена с свободным вращением вокруг оси Z. Для определения динамических характеристик

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1
 был подключен Кі§і(і Ьосіу 80іуег. Решатель позволяет решать задачи мультифизики (аэродинамика/динамика твердых тел). Заданы инерционные хар-ки ротора согласно изложенных в разделе Конструкция. Модель турбулентности к-лу (88Т). Процесс изотермический Т=соші Т=300К Размерность сетки: о Узлов: 171139 о Элементов: 352555 Шаг по времени адаптивный в пределах 0,005… 0,2 с. Добавлено значение Земного гравитационного ускорения против оси У.

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1
Результаты расчета. На графике темп набора оборотов за время начала раскрутки. В процессе расчета не было достигнуто окончания. Исследование конструкции проекта ветротурбины №1 К сожалению, штатные средства предсказания функции не дали единой картины по выходу ротора на постоянное значение оборотов. Были использованы полиномные, степенные, экспоненциальные способы описания функции. На графике тенденция роста генерируемого механического момента на валу.

 Картину полного течения в нестационарной постановке можно просмотреть по ссылкам: Видео 1
https://youtu.be/Ql__nvsTpqA
Видео 2
https://youtu.be/WPTSrMQ6FnU

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1
Выводы Ввиду конструктивной принципиальной простоты, имеется рад не совершенных мест. Изъяном данной конструкции является формирование вихревого жгута в месте стыка периферийного кольца и пера лопасти. Это следствие аэродинамической интерференции между прилагающими поверхностями. Это привело к изменению траектории линии Тока.

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1
Часть эффективной площади лопасти слабо включилась в работу генерации вращательного момента. На подветренной стороне лопасти нарушено течение в направлении потока. Скос векторов скорости обусловлен не расчетным углом натекание потока на периферийную зону лопасти. Это следствие переходного режима.

 Оценочное численное моделирование разгонной динамики ветротурбины №1

(другими аппаратными средствами и методиками симуляции) 

1 1Исследование конструкции проекта ветротурбины №1 

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1 

 Граничные условия: Вход - торцевая граница сектора лопастной машины. Скорость на входе 6 м/с. Вектор скорости строго директивный по оси Z. Для исключение влияния выходных границ введен дополнительный домен с свободнопронзаемыми границами. Подпорное давление 1 атм. Выход - торец и радиальная грань удаленной противоположной стороны. Газовая область ротора была выделена в качестве субдомена с свободным вращением вокруг оси Z. Размерность сетки: 0,69138 м 

 Результаты расчета. 

 Эпюра 1. Распределение давления по поверхности лопасти. Давление распределено неравномерно, разность не превышает 40 Ра. 

 Эпюра 2. Траектория и скорость потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с.

 Эпюра 3. Траектория и давление потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

При заданных параметра и скорости вращения турбины 0,12 об/мин, крутящие моменты составили: 

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №1

 Выводы Ввиду конструктивной принципиальной простоты, имеется неполное использование поверхности лопасти. На эпюре давления видно области с максимальным и минимальным давлением на поверхности одной лопасти. 

 Оценочное численное моделирование динамики ветротурбины №2. 

Цель расчета: • Получение общего понимания процессов формирования потока при динамической работе роторной машины 

• Оценка производительности работы ветротурбины и сравнение ее с аналитическим расчетом • Выявление не совершенства конструкции на этапе проектирования

 • Определения концепции дальнейшей модификации/ модернизации конструкции. 

• Проверка новой концептуальной конструкции втротурбины.

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №2 Конструкция 

 Трехлопастная осевая ветряная турбина. спроектированная по принципиальной схеме прототипа №2 изобретения «Трубо-винтовой ротор», представляющего собой трех элементный продольно-винтовой конфузор, обеспечивающий полный осевой вход и тангенциальный 90 градусный угловой выход потока. Имеет: Переменный радиус втулки. Меридиональном сечении проточная часть формирует конфузор по типу Кпер= сопві Наружное кольцо жестко зафиксированное с ротором. *отсутствуют галтели на месте стыковки с втулочным и периферийным обводом. В процессе адаптации трехмерной геометрии к расчету, были введены изменения в профиле лопастей. Исследование конструкции проекта ветротурбины №2 Профиль лопастей имеет переменную по радиусу S-образность. Лопасть широкохордная с постоянной толщиной. Конструкции присвоена плотность ABS пластика - 1070 кг/м3 

Получены следующие массоиннерционные характеристики: • Вес 3,443 кг • Моменты инерции: ( килограммов * квадратные метры ) * Определяются в центре тяжести и выравниваются относительно системы координат вывода. Lxx = 0.02969 Lxy = 0.00000 Lxz = 0.00000 Lyx = 0.00000 Lyy = 0.02969 Lyz = 0.00000 Lzx = 0.00000 Lzy = 0.00000 Lzz = 0.03014

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №2 

Допущения, вводимые при расчете. 15. Течение симметричной с условий окружной периодичности во всех трех межлопаточных каналах. 16. Стенки ротора абсолютно гладкие. 17. Не учитывается межмолекулярное требование (идеальный газ). 18. Скорость набегающего потока постоянная, без порывов. 19. Отсутствует фактор влажности. 20. Атмосферное давление постоянно и равно 101.3 кПа 21. Вращение без трения в механическом приводе.

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №2 

Граничные условия: Вход - торцевая граница сектора лопастной машины. Скорость на входе 6 м/с. Вектор скорости строго директивный по оси Z. Для исключение влияния выходных границ введен дополнительный домен с свободнопронзаемыми границами. Подпорное давление 1 атм. Выход - торец и радиальная грань удаленной противоположной стороны. Газовая область ротора была выделена в качестве субдомена с свободным вращением вокруг оси Z. Размерность сетки: 0,69138 м 

 Результаты расчета. Эпюра 1.

 Распределение давления по поверхности лопасти. Давление распределено равномерно, разность не превышает 15 Ра. 

 Эпюра 2. 

Траектория и скорость потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

 Эпюра 3. 

Траектория и давление потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

При заданных параметра и скорости вращения турбины 0,12 об/мин, крутящие моменты составили: 

 Эпюра 4.

 Картина в центральном сечении скорости потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

 Эпюра 5. 

Картина в центральном сечении давления потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. Эпюра 5.

 Картина в центральном сечении завихренности потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

Исследование конструкции проекта ветротурбины №2 Выводы Ввиду конструктивной принципиальной простоты, имеется ряд не совершенных мест. 

 1 - кромка под прямым углом к потоку вызывающая столкновение обтекающего турбину потока. 2 - зона низкого давления.

            Оценочное численное моделирование динамики ветротурбины №3

. 1 Исследование конструкции проекта ветротурбины №3

 Трехлопастная осевая ветряная турбина. Переменный радиус втулки. Меридиональном сечении проточная часть формирует конфузор по типу Кпер= сопві Наружное кольцо жестко зафиксированное с ротором. *отсутствуют галтели на месте стыковки с втулочным и периферийным обводом. В процессе адаптации трехмерной геометрии к расчету, были введены изменения в профиле лопастей. Исследование конструкции проекта ветротурбины №3 Профиль лопастей имеет переменную по радиусу крутку. Лопасть с переменной толщиной. Конструкции присвоена плотность ABS пластика - 1070 кг/м3 Получены следующие массоиннерционные характеристики: • Вес 0,086 кг • Моменты инерции: ( килограммов * квадратные метры ) * Определяются в центре тяжести и выравниваются относительно системы координат вывода. Lxx = 0.0023 Lxy = 0.00000 Lxz = 0.00000 Lyx = 0.00000 Lyy = 0.0023 Lyz = 0.00000 Lzx = 0.00000 Lzy = 0.00000 Lzz = 0.00043

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №3

 Допущения, вводимые при расчете. 1. Течение симметричной с условий окружной периодичности во всех трех межлопаточных каналах. 

2. Стенки ротора абсолютно гладкие. 

3. Не учитывается межмолекулярное требование (идеальный газ).

 4. Скорость набегающего потока постоянная, без порывов. 

5. Отсутствует фактор влажности. 

6. Атмосферное давление постоянно и равно 101.3 кПа 

7. Вращение без трения в механическом приводе.

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №4 

Граничные условия: Вход - торцевая граница сектора лопастной машины. Скорость на входе 6 м/с. Вектор скорости строго директивный по оси Z. Для исключение влияния выходных границ введен дополнительный домен с свободнопронзаемыми границами. Подпорное давление 1 атм. Выход - торец и радиальная грань удаленной противоположной стороны. Газовая область ротора была выделена в качестве субдомена с свободным вращением вокруг оси Z. Размерность сетки: 0,69138 м 

 Результаты расчета. 

 Эпюра 1. 

Распределение давления по поверхности лопасти. Давление распределено неравномерно, разность превышает 100 Ра. 

 Эпюра 2. 

Траектория и скорость потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с.

 Эпюра 3. 

Траектория и давление потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

 При заданных параметра и скорости вращения турбины 0,12 об/мин, крутящие моменты составили: 

Эпюра 4.

  Картина в центральном сечении скорости потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

 Эпюра 5. 

Картина в центральном сечении давления потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

 Эпюра 5. 

Картина в центральном сечении завихренности потока, при скорости на входе испытуемой модели 6 м/с. 

 Исследование конструкции проекта ветротурбины №3 

Выводы Ввиду конструктивной принципиальной простоты, имеется низкое использование энергии потока и неполное использование поверхности лопасти. На эпюре давления видно области с максимальным и минимальным давлением на поверхности одной лопасти.