Анотація до роботи:

Рожкова Л. Г. Нові форми профілів лопатей вертикально-осьових вітроустановок середньої швидкохідності. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 – гідравлічні машини та гідропневмоагрегати, Сумський державний університет, Суми, 2003 р.

У дисертації на основі аналізу літературних даних доведені можливість та доцільність створення нового класу вертикально-осьових вітроустановок - середньої швидкохідності, котрі працюють в зоні значень коефіцієнта швидкохідності 1 < q < 3. До цього часу цей діапазон q практично не використовувався через відсутність відповідних ВУ.

Розглянуто нестаціонарний характер обтікання лопатей у роторі вертикально-осьових ВУ і показано, що традиційні крилові лопаті не можуть бути ефективними в ВУ середньої швидкохідності з огляду на особливості аеродинаміки вітроколеса. Прийнята концепція розробки форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності, згідно з якою одною із основних якостей лопаті повинна бути адаптивність до умов обтікання. Запропоновані нові форми профілів лопатей, що відповідають даній потребі та виконано великий обсяг експериментальних досліджень як одиночних лопатей, так і роторів ВУ.

У результаті експериментів, проведених в аеродинамічній трубі ХАІ, дослідному гідробасейні та гідролотку Інституту гідромеханіки НАН України, на аеродинамічному стенді СумДУ, а також на натурних зразках вітроустановок потужністю 1 кВт і 2 кВт, одержані коефіцієнти С_у і С_х для лопатей КН (з криловим незамкнутим профілем) при круговому обтіканні, картини їх обтікання при різних кутах атаки , характеристики потужності роторів з лопатями КН і двохелементними лопатями та відібрані найбільш ефективні лопаті для ВУ середньої швидкохідності: модифікація КН.-6 і двохелементні біпрофільні; дані лопаті забезпечують самозапуск ротору та досягнення високих значень коефіцієнта використання енергії вітру як при малих, так і при великих його швидкостях. Для двохелементних лопатей знайдено найбільш сприятливі варіанти геометрії профілів та їх відносного розташування. Запропонована методика розрахунку геометричних параметрів вітроколеса, експлуатаційних характеристик на базі одержаних модельних характеристик потужності ВУ з розробленими лопатями. Визначені критерії вибору кріплення лопатей і рекомендовані найбільш вдалі варіанти з використанням літературних даних та результатів досліджень, виконаних в лабораторії вітроенергетики СумДУ.

Виконана робота містить практично значущі результати для подальшого розвитку вітроенергетики.

1. Докладний аналіз механізму передачі енергії вітру на лопать, а також зміни аеродинамічних і характеристик потужності лопатевої системи і окремої лопаті в залежності від різних кінематичних і динамічних параметрів потоку і геометрії лопатевої системи привів до висновку про можливість, а з урахуванням потреб практики, і необхідність створення нового класу вертикально-осьових ВУ, названого вітроустановками середньої швидкохідності (1.0 < q < 3.0).

2. Експериментами, виконаними в аеродинамічній трубі Т-5 ХАІ, в дослідному гідробасейні Інституту гідромеханіки НАН України, на аеродинамічному стенді СумДУ, а також на натурних зразках вітроустановок потужністю 1 кВт і 2 кВт доведено, що для ВУ середньої швидкохідності в широкому діапазоні швидкостей вітру найбільш ефективними є лопаті типу КН, зокрема лопаті КН-6 і двохелементні. Лопатева система з даними лопатями забезпечує самозапуск ротора і досягнення високих значень коефіцієнта використання енергії вітру, порядку С_р 0.35.

3. Досліджено вплив геометрії двохелементного профілю на його аеродинамічні характеристики; визначені оптимальні розміри щілини між елементами профілю, довжина хорди переднього елемента, співвідношення хорд обох елементів, відносна товщина повного профілю, коефіцієнт заповнення ротора. Таким чином, визначена найбільш сприятлива геометрія всього профілю.

4. Експериментальним шляхом отримані коефіцієнти опору С_х і коефіцієнти піднімальної сили С_у одиночної лопаті з профілем типу КН-4 при круговому обтіканні (0 a 360⁰). За запропонованою автором методикою з використанням цих коефіцієнтів виконані розрахунки тягнучої F_т і радіальної F_r сил для дискретних значень коефіцієнта швидкохідності і проведена оцінка величини коефіцієнта використання енергії вітру С_р.

5. Розглянуто нестаціонарний характер обтікання роторів вертикально-осьових ВУ і установлено визначальне значення характеристик нестаціонарності для вибору форми профілю лопаті. За результатами аналізу прийнята концепція розробки форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності, відповідно до якої однією з основних якостей лопаті повинна бути адаптивність до умов обтікання, що і забезпечується за рахунок оригінальних форм запропонованих нових профілів. ВУ з такими лопатевими системами повинні мало впливати на навколишнє середовище внаслідок малої колової швидкості лопатей.

6. На підставі експериментальних даних автора, а також з використанням літературних джерел рекомендовані найбільш вдалі варіанти кріплення лопатей до вала. Розглянуто питання впливу шорсткості обтічної поверхні лопаті на її аеродинамічні характеристики, а також дана оцінка величини припустимої шорсткості. Запропоновано методику розрахунку геометричних параметрів вітроколеса, експлуатаційних характеристик ВУ і рекомендовані можливі матеріали для обшивання лопатей. Ці результати можуть знайти застосування при розробці конструкції конкретної вітроустановки.

7. В Україні в даний час найбільш необхідними є вітроустановки малої потужності які водопідйомні, теплогенеруючі, борошномельні і інші агрегати. Тому необхідно розробляти і виробляти багатоцільові вертикально-осьові вітроустановки середньої швидкохідності з малою потужністю. Строк окупності вітроустановки, що залежить від багатьох факторів, доцільно визначати за кількостю енергії, що виробляється нею протягом року.

Публікації автора:

1. Коваленко В.М., Волков Н.И., Рожкова Л.Г. Эффективный профиль лопасти ортогональной ВЭУ, обеспечивающей ее самозапуск // Тез. докл. научно-техн. конференции, СФТИ, Сумы. -1991.-С. 98.

2. Лопасть ветроколеса.: А.с. 1733680 СССР, МКИ F03D 1/06 / Коваленко В.М., Волков Н.И., Рожкова Л.Г. и др. - Опубл. 15.05.92, Бюл. №18.

3. Ветроколесо.: А.с. 176549368 СССР, МКИ F03D 3/06 / Коваленко В.М., Волков Н.И., Рожкова Л.Г. и др. - Опубл. 30.09.92, Бюл. №36.

4. Лопасть ветроколеса.: А.с. 1815409 СССР, МКИ F03D 1/06 / Рожкова Л.Г.- Опубл. 15.05.93, Бюл. №18.

5. Коваленко В.М., Королев В.И., Рожкова Л.Г., Савченко В.Т. Исследование аэродинамических и мощностных характеристик элементов ортогональной ветроэнергетической установки // Материалы научно-техн. конференции по прикладной гидромеханике Института гидромеханики, Киев. -1992.-С. 36 – 37.

6. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Аэродинамические характеристики профилей типа КН // Тез. докл. научно-техн. конференции, СФТИ, Сумы. -1993. -С.281

7. Рожкова Л.Г. Способ усовершенствования лопасти типа КН (с крыловым незамкнутым профилем) // Тез. докл. научно-техн. конф., СФТИ, Сумы – 1993. -С.284

8. Рожкова Л.Г. Некоторые результаты исследований роторов ортогональной ВЭУ с усовершенствованными лопастями // Тез. докл. научно-техн. конф., СумГУ, Сумы. -1995. -С.12.

9. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Новая форма лопасти для ротора вертикально-осевой ветроустановки. // Матеріали U науково-практичної конф. Питань розвитку і впровадження техніки і технології використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, АР Крим – 1996.

10. Лопасть ветроколеса. Пат. 12474А України, МКИ F03D 1/06, 3/06 / Рожкова Л.Г., Рожков В.Ф. № 93010062; заявл. 11.11.92; Опубл. 28.02.97, Бюл. №1.

11. Кощиенко И.Н., Рожкова Л.Г. Особенности выбора конструкции подвески вертикально-осевой ВЭУ // Тез. докл. научно-техн. конф., СумГУ, Сумы. -1997. -С. 8.

12. Коваленко В.М., Кощиенко И.Н., Рожкова Л.Г. Конструкция вертикально-осевой ветроустановки мощностью 3 кВт. // Тез. докл. III міжнародної конф. „Enercon – 97”, Київ. -1997; Тез. докл. научно-техн. конф., СумГУ, Сумы. -1997. -С. 7.

13. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Новая форма лопасти для ротора вертикально-осевой ветроустановки. // «Энергетика и электрификация». -. №5 -1997 -С.43 - 46

14. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Мощностные характеристики роторов ортогональных ветроустановок с лопастями, снабженными предкрылками // Тез. докл. научно-техн. конф., СумГУ, Сумы. -1997. -С. 5.

15. Лопасть ветроустановки. Пат. 22467А України , МКИ F03D 1/06, 3/06 / Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. -№ 96062206; заявл. 05.06.96; Опубл. 03.03.98, Бюл. №1.

16. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Вертикально-осевые ветроустановки средней быстроходности. // Сб. праць II Української науково-технічної конф. „Гідромеханіка в інженерній практиці”. -Київ-Черкаси, 1997.-С. 202 - 204.

17. В.М. Коваленко, Л.Г.Рожкова Влияние отделки поверхности подвижных элементов ветроэнергетических установок на ее аэродинамические характеристики. // Тез. докл. научно-техн. конф., СумГУ, Сумы – 1998 – с. 125.

18. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Влияние шероховатости поверхности лопасти вертикально-осевой ветроэнергетической установки на ее аэродинамические характеристики. // „Вісник СумДУ”. -№ 1(9).-1998.-С.38-41.

19. Коваленко В.М., Рожкова Л.Г. Разработка лопастей вертикально-осевых ветроустановок средней быстроходности. // ”Вісник СумДУ”. - №2 (10).-1998.-С. 6 - 11.

20. Рожкова Л.Г. Бипрофильные лопасти для вертикально-осевых энергетических установок. // ”Вісник Сум ДУ”. -№1 (12). -1999. –С. 47 - 51.

21. Рожкова Л.Г. Прогнозируемые эксплуатационные характеристики ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки с лопастями, снабженными предкрылками. // Вестник НТУУ «КПИ», Машиностроение, вып. 35. -1999.-С. 164 - 168.

22. Кощиенко И.Н., Рожкова Л.Г. Основные критерии совершенства конструкции подвески лопастей ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки. // Вестник НТУУ «КПИ», Машиностроение, вып. 35. -1999.-С. 169 – 174.

23. Рожкова Л.Г. Влияние размеров двухэлементных лопастей на мощностную характеристику вертикально-осевой ветроэнергетической установки. // ”Вісник НТТУ „КПИ”, Машиностроение, вып. 36,т. 2. -1999.-С. 379 – 387.

24. Лопасть ветроустановки. Пат. 33214А України, МКИ F03D 1/06, 3/06 / Рожкова Л.Г. -№ 99010296; заявл. 20.01.99, Опубл. 15.02. 2001, Бюл. № 1.

25. Рожкова Л.Г. Адаптивные лопасти для вертикально- осевых ветроустановок средней быстроходности // Материалы научно-техн. конф., Сум ГУ, Сумы .- 2002.-С. 151.

26. Рожкова Л.Г. Особенности определения эксплуатационных характеристик ветроустановок малой мощности, работающих при высоких и низких скоростях ветра // Материалы научно-техн. конф., СумГУ, Сумы. - 2003.-С. 184.

Анотація.

Рожкова Л. Г. Нові форми профілів лопатей вертикально-осьових вітроустановок середньої швидкохідності. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 – гідравлічні машини та гідропневмоагрегати, Сумський державний університет, Суми, 2003 р.

У дисертації на основі аналізу літературних даних доведені можливість та доцільність створення нового класу вертикально-осьових вітроустановок - середньої швидкохідності, котрі працюють в зоні значень коефіцієнта швидкохідності 1 < q < 3. До цього часу цей діапазон q практично не використовувався через відсутність відповідних ВУ.

Розглянуто нестаціонарний характер обтікання лопатей у роторі вертикально-осьових ВУ і показано, що традиційні крилові лопаті не можуть бути ефективними в ВУ середньої швидкохідності з огляду на особливості аеродинаміки вітроколеса. Прийнята концепція розробки форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності, згідно з якою одною із основних якостей лопаті повинна бути адаптивність до умов обтікання. Запропоновані нові форми профілів лопатей, що відповідають даній потребі та виконано великий обсяг експериментальних досліджень як одиночних лопатей, так і роторів ВУ.

У результаті експериментів, проведених в аеродинамічній трубі ХАІ, дослідному гідробасейні та гідролотку Інституту гідромеханіки НАН України, на аеродинамічному стенді СумДУ, а також на натурних зразках вітроустановок потужністю 1 кВт і 2 кВт, одержані коефіцієнти С_у і С_х для лопатей КН (з криловим незамкнутим профілем) при круговому обтіканні, картини їх обтікання при різних кутах атаки , характеристики потужності роторів з лопатями КН і двохелементними лопатями та відібрані найбільш ефективні лопаті для ВУ середньої швидкохідності: модифікація КН.-6 і двохелементні біпрофільні; дані лопаті забезпечують самозапуск ротору та досягнення високих значень коефіцієнта використання енергії вітру як при малих, так і при великих його швидкостях. Для двохелементних лопатей знайдено найбільш сприятливі варіанти геометрії профілів та їх відносного розташування. Запропонована методика розрахунку геометричних параметрів вітроколеса, експлуатаційних характеристик на базі одержаних модельних характеристик потужності ВУ з розробленими лопатями. Визначені критерії вибору кріплення лопатей і рекомендовані найбільш вдалі варіанти з використанням літературних даних та результатів досліджень, виконаних в лабораторії вітроенергетики СумДУ.

Виконана робота містить практично значущі результати для подальшого розвитку вітроенергетики.

Аннотация.

Рожкова Л.Г. Новые формы профилей лопастей вертикально-осевых ветроустановок средней быстроходности. - Рукопись.Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты, Сумский государственный университет, Сумы, 2003 г.

В диссертации доказаны возможность и целесообразность создания нового класса вертикально-осевых ветроустановок – средней быстроходности, работающих в области значений коэффициента быстроходности 1 < q < 3. До настоящего времени этот диапазон q практически не использовался.

Показано, что традиционные крыловые лопасти не могут быть эффективны в ВУ средней быстроходности в силу особенностей аэродинамики ветроколеса. Принята концепция разработки лопастей указанных ВУ и предложены новые формы профилей лопастей. Выполнен большой объем экспериментальных исследований, в результате которых получены коэффициенты С_у и С_х для лопастей КН (с крыловым незамкнутым профилем) при круговой обдувке, картины их обтекания при различных углах атаки, мощностные характеристики роторов с лопастями КН и двухэлементными лопастями и определены наиболее эффективные лопасти для ВУ средней быстроходности: модификация КН-6 и двухэлементные бипрофильные; данные лопасти обеспечивают самозапуск ротора и достижение высоких значений коэффициента использования энергии ветра как при малых, так и при больших его скоростях. Предложена методика расчета геометрических параметров ветроколеса, эксплуатационных характеристик ВУ на базе полученных модельных мощностных характеристик ВУ с разработанными лопастями. Определены критерии выбора крепления лопастей с использованием результатов выполненных исследований.

Выполненная работа содержит практически значимые результаты для дальнейшего развития ветроэнергетики.