1598005519-db2570e1cd069b3f233e2ac13b5f8034 (811225), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Поэтому одной из целей исследования было применение современных технических приемов для радикального уменьшения размеров диффузора. Для получения ВДУ с достаточно низкой стоимостью эту задачу необходимо было ре1пить без ухудшения его характеристик. Аналитически исследовалось применение внутренних опорных стоек, подобных направляющим лопаткам или аппаратам, расположенным перед лопастями ветроколеса.
Оценивалась экономичность производства ВДУ в сравнении с обычными ВЭУ. Рис. 4.10. Общий вид ветродвигателя с диффуаориым устройством (ВДУ) с ветроколесом диаметром 60 м. В небольшой аэродинамической трубе было испытано большое число моделей диффузорных устройств. Исследовано несколько конфигураций каждого из двух эффективных типов днффузора: кольцевое крыло н диффузор с управлением пограничным слоем. Они были приняты в качестве исходных конструкций. При испытаниях аэродинамический эффект от присутствия различных ветроз колес имитировался с помощью сменных сеток.
При исследовании систем управления пограничным слоем (УПС) преимушество отдавалось моделям, уникальным с точки зрения применения диффузоров для ветродвигателей. Они отличаются наиболее полным подводом воздуха с большим запасом энергии непосредственно у внешних стенок диффузора (см. рис. 4.11). Отрыва пограничного слоя можно избежать, если использовать наружный воздух, ооладаюший большой энергией, для создания струи, направленной вдоль потока и внутренней стенки. Сильное струйное течение возникает в силу того, что для образования разрежения внутри диффузора необходим лишь слабый поток, так как струя действует непосредственно там, где необходимо дополнительное количество движения потока.
В диффузорном ус- тройстве поступающий снаружи выдуваемый воздух составляет лишь незначительную долю основного потока через диффузор. В силу этого дополнительные затраты на устройство и их влияние иа характеристики очень малы и метод оказывается в данном случае эффективным. В исходной конструкции используются две на', ружные щели в стенках диффузора. Благодаря им диффузор обес- печивает получение ветродвигателем почти вдвое большей энергии, ' чем в свободном потоке. В дополнение к восстановлению давления и днффузоре быстрое торможение потока наблюдается на значительном расстоянии за расширяющимся патрубком.
Рнс. 4.11, Структура потока н профнлн скорости для ВДУ с управлением пограничным слоем (а) н схема течения в управляемом пограничном слое (б)с т — щель Ва входе; 2 — вспомогательная щель; а — диффузориая секция; 4 — цснтральВос тело; — лопасть негро а лопасть ветроколеса; 6 — пограничный слой с пониженным запасом знергии: е ель; И вЂ” иоличество движения, потерянное пограничным слоем з' — поток через щель; Считается, что главная нерешенная техническая проблема при разработке ветродвигателей для больших энергетических систсм— это динамика лопасти ветроколеса.
Поэтому работе ВЭУ на госу'- дарственную или местную энергосистему препятствует недостаточная надежность встроустановкн большой мощности или малая эф.фективность многих установок меньших размеров с сопоставимой суммарной мощностью. Это определяется экономическими ограничениями, связанными с необходимым сочетанием производимой энергии с аккумулирующей емкостью в условиях изменяющейся скорости ветра. При этом надо учитывать малую плотность энер- 136 гни ветра, высокую степень риска развития принципиально новых систем и необходимость значительных капитальных затрат иа ВЭУ. Многие из этих ограничений по капитальным затратам и характеристикам ВЭУ могут быть сокращены или вообще сняты прч размен(енин встроколеса в соответствующем профилированнов патрубке. Невращающееся устройство с патрубком выполняется в виде компактного диффузорного узла, расположенного за ветроколесом.
Оно обеспечивает значительное (обычно в 1,5 — 2 раза) увеличение мощности, развиваемой встроколесом при заданных его размерах, а также демпфирование порывов ветра, уменьшение значений минимальной рабочей скорости ветра, существенное увеличение осевой скорости потока и устранение следа за башней. Ветродвигатели с патрубками предлагались давно.
Первые исследователи вследствие допускавшихся аналитических или принципиальных ошибок были склонны недооценивать идею. Предположение о понижении давления на выходе из патрубка и допущение о том, что для предотвращения отрыва потока диффузор должен иметь значительную длину и поэтому высокую стоимость, не подтвердилось. В начале 1960 г, были продолжены некоторые экспериментальные исследования характеристик двумерных диффузоров, влияние формы входного патрубка на отклонение потока от осевого направления и характеристик коротких осесимметричных диффузоров с плоскими выходными эжекторами.
Более поздние исследования показали, что плоские выходные устройства ВДУ действительно могут заметно снизить уровень давления, который надеялись достигнуть для получения существенного эффекта повышения мощности. В настоящее время ясно, что снижение давления примерно наполовину динамического давления потока происходит в результате взаимного влияния эффектов вязкой и невязкой жидкости и что этот вид снижения давления существенно повышает эффективность диффузора.
Уникальная особенность таких диффузорных устройств состоит в том, что они обеспечива1от подачу воздуха с большим запасом энергии находящегося непосредственно у наружных стенок диффузора. Однако лучшие аэродинамические свойства ВДУ более существенны, чем недостатки, связанные с высокой стоимостью диффузорных устройств. Поэтому должны проводиться исследования проблемы получения достаточно высоких аэродинамических характеристик с помощью очень компактных диффузоров, сооружение которых должно быть дешевле в сравнении с плавно нарастающей стоимостью ветроколсс большого диаметра с равной расчетной мощностью. Стоимость конструкции таких коротких диффузоров невелика, поскольку они приводят к снижению капитальных затрат на производство электрической энергии путем использования энергии ветра.
137 4.2.1. ТЕОРИЯ ДИФФУЗОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ При применении к ВДУ одномерного метода расчета, основанного на теореме количества движения, мощность, развиваемая идеальным ВДУ, может быть существенно повышена при большой степени расширения и, следовательно, эффективности диффузора, оптимальном соотношении скоростей потока, проходяцгего через ометаемую поверхность, и набегающего потока, при существенно отрицательном коэффициенте давления. Оптимизация значений коэффициента давления и КПД дпффузора при его работе с оптимальной нагрузкой ца ометаемую поверхность приводят к аналитически определяемой предельной степени повышения мощности, равной 4, при бесконечной степени расширения.
Коэффициентом усиления называют отношение мощности, развиваемой идеальным ВДУ, к мощности идеального ветроколеса того же диаметра в свободном потоке при той же скорости ветра. Так как стоимость конструкции быстро растет с увел1вением степени расширения диффузора, то наиболее эффективный по стоимости ВДУ будет работать прн умеренных степенях расширения и соответственно меньших коэффициентах усиления. Для существующих предельных конфигураций оптимальные значения коэффициента усиления, полученные при степени расширения 2,8, достигают значений 1,9. 4.2.2. РАЗРАБОТКА ДИФФУЗОРОВ Разработка диффузоров для ВДУ велась применительно к различным схемам, В качестве конструкционных критериев принимались максимальное разрежение в выходном сечении, большая степень восстановления данлсния в диффузоре, минимально возможная стоимость устройства, необходимая для действия диффузора с эквивалентным полууглом раскрытия, превышающим обычные 3 — 6', определяемые условием отрыва пограничного слоя.
Однако для получения эффективных характеристик ВДУ необходимо применение компактных диффузоров. Для дальнейшего исследования были выбраны две наиболее перспективные конструкции. В первой из них для УПС используется повторно внешний воздух. Он обладает большой энергией и вдувается по касательной к стенке, повышая тем самым осевую составляющую количества движения воздуха в пограничном слое. За счет дополнительного количества движения течение в пограничном слое преодолевает значительный отрицательный градиент давления и потери ца трение, которые возникают в пристенной области прн больших углах раскрытия диффузора.
Это может предотвратить отрыв потока от стенок, от которого в первую очередь зависит нарушение установившегося течения в диффузоре с большим углом раскрытия. Во второй схеме диффузорное устройство выполнено в ниде коротких кольцевых крыльев; каждое из них создает местное аэродинамическое давление н поле скоростей, которые зависят от фор- 138 мы контура.
Благодаря пониженному давлению вдоль внутренней кольцевой поверхности увеличивается количество воздуха, проходящего черсз ветроколесо. Значительное усиление потока может быть получено при использовании кольцевых крыльев с болыцой подъемной силой или закрылков. Испытания проводились в малотурбулентной открытого типа аэродинамической трубе с малыми скоростямн потока. В качестве экспериментального участка, в котором моделировалось равномерное поле скоростей, использовалась область ядра потока свободной струи диаметром около 300 мм.
Скорость потока при испытаниях была 13 и!с. Модель устанавливалась вблизи выходного сечения сопла, вниз по потоку. Исследовано свыше 150 вариантов моделей различной конфигурации, изготовленных из нержавеющей стали и алюминия. В качестве измерительной аппаратуры использовался дифференциальный датчик давления с переменным магнитным сопротивлением. Измерения производились при комбинированном использонанни насадкон статического и полного давления, каждый из которых мог проходить через применявшиеся сетки. Для измерения давления н оссвом и радиальном направлениях насадки устанавливались на механизме с поперечным ходом с приводом от двигателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
