ПАКПАК » Ротор Савониуса

Друзья!

Мы продолжаем серию публикаций интересных статей из журнала FT:PEDIA, переведённых на русский язык. Сегодня мы познакомимся с ротором Савониуса.

Журнал: FT:PEDIA 2/2018

Оригинальное название статьи: Savonius-Rotor mit Magnetlager

Автор: Rüdiger Riedel

Перевод: Татьяна Селянинова

Мои попытки работы с солнечными батареями оказались неудачными, но к счастью, у нас есть ещё и хороший ветер, поэтому можно попробовать сделать что-нибудь быстрое для его использования.

Ветровые турбины с вертикальной осью и горизонтальной плоскостью вращения лопастей знакомы многим как рекламные объекты или произведения искусства. Иногда они состоят лишь из пары изогнутых листов, медленно поворачивающихся на ветру. Однако для них есть и серьёзные применения. Все знают чашечные анемометры, используемые для измерения скорости ветра – в них на вертикальной оси крутятся четыре лопасти.

Рисунок 1: Ветряной ротор: вертикальная ось с вращающимися лопастями

Рисунок 2: Модель ветряного ротора

Принцип работы ветровых роторов основан на различном сопротивлении лопастей, в отличие от широко распространённых ветровых турбин с горизонтальными осями. Ветряной ротор на рис.1 и 2 состоит из V-образных элементов (детали fischertechnik 37353, 37354 и 37355) и S-образных полос 60 (35771). Подобные модели можно реализовать и с помощью простых элементов конструктора – плоских и угловых. Для уменьшения сопротивления трения я использовал магнит на оси 30 (диаметр 4 мм, длина 10 мм). Аналогичный расположен в блоке 30 так, чтобы они отталкивали друг друга.

Рисунок 3: Трёхлопастной ротор из строительных элементов

 

Рисунок 4: Конструкция с магнитом

Экскаваторный ковш 45 (156104) показал хорошие результаты в качестве материала лопастей. С крылом от трактора (35050) роторы показали куда более скромные результаты.

Немного аэродинамики

Все наблюдали явление сопротивления воздуха во время порывов ветра или катаясь на велосипеде. Чем быстрее вы идёте или едете, тем больше сопротивление. Но для человека пешком и человека на велосипеде это сопротивление будет разным. Воздушное сопротивление F_w зависит, помимо прочего, от площади поперечного сечения тела и от квадрата скорости.

Эта величина может быть рассчитана следующим образом:

Где:

A – площадь поперечного сечения тела

c_w – коэффициент сопротивления

ρ – плотность жидкости (газ или жидкость)

v – скорость газа или жидкости

Интересным для нас является коэффициент сопротивления, который зависит от геометрии тела.

Рисунок 5: Три тела в воздушном потоке

На рис.5 представлены три варианта тел с различными коэфициентами сопротивления: полушарие (например, мяч для настольного тенниса), повёрнутое выпуклой частью к потоку; плоская пластина; полушарие, открытое воздушному потоку. Разница коэффициентов определяет и разницу сопротивлений, что создаёт условия для раскрутки ротора и использования энергии его вращения.

Для автомобилей коэффициент сопротивления должен быть как можно меньше, чтобы сэкономить энергию. Обычно он составляет менее 0,5. Но интересно отметить, что для гоночных автомобилей Формулы-1, коэффициент сопротивления составляет от 0,7 до 1,2.
Причина в том, что конструкторы добиваются максимально высокой прижимной силы при максимально низком аэродинамическом сопротивлении. Баланс этих параметров приводит к сравнительно высокому коэффициенту сопротивления.

Ротор Савониуса

В шестидесятые годы прошлого века роторы с вертикальной осью стали активно использоваться в системах подачи воздуха в транспортных средствах: автобусах и железнодорожных вагонах (рис.6). При движении автобуса или вагона лопасти вентилятора начинали движение и обеспечивали воздухообмен внутренней и внешней среды.

Рисунок 6: Вентиляция на старом железнодорожном вагоне

Ротор Савониуса называют по имени Сигурда Йоханнеса Савониуса, который доработал ротор Антона Флеттнера. Ротор Флеттнера основывался на эффекте Магнуса и представлял собой длинную ось с вращающимися лопастями-цилиндрами. Идея Савониуса состояла в повороте цилиндров и смещении лопастей относительно оси с оставлением пространства между лопастями.

Рисунок 7: Модель fischertechnik: ротор Флеттнера

Рисунок 8: Поток воздуха в роторе Савониуса

Суть идеи ротора Савониуса заключается в том, что воздух, создавший давление на одну сферическую (полукруглую) лопасть, перенаправляется на другую лопасть и усиливает крутящий момент.

Рисунок 9: Модель fischertechnik: ротор Савониуса

На рис.9 представлена модель ротора Савониуса из деталей конструктора fischertechnik. Лопасти с пружинными кулачками (31982) прикреплены к BS30 с отверстием и могут перемещаться. Крепление магнита и подшипника на оси 30 аналогично тому, что показано на рис.4. На оси размещён элемент BS30 c отверстием.

Все представленные на фотографиях роторы весело крутятся даже при умеренном ветре. Поклонники ветровых установок и горизонтально вращающихся систем лопастей приобретают подобные конструкции и сегодня. Коммерческие модели выпускаются под названием вентиляторов Флеттнера.

Энциклопедические пояснения

Генрих Густав Магнус (нем. Heinrich-Gustav Magnus) (1802-1870) – немецкий физик и химик, изучавший динамические явления в различных средах. Открыл и описал эффект Магнуса – физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела газом или жидкостью. На обтекаемое тело действует сила, направленная перпендикулярно потоку.

Антон Флеттнер (нем. Anton Flettner) (1885-1961) – немецкий авиационный инженер и изобретатель, внёсший существенный вклад в развитие немецкого авиакомплекса. Участвовал в разработках конструкций самолётов, вертолётов, автомобилей. Во время Первой мировой войны работал в проектах министерства обороны Германии, начал собственные разработки в различных областях. Во время Второй мировой войны возглавлял компанию Flettner Flugzeubau GmbH, поставлявшую серию боевых вертолётов для Люфтваффе. После второй мировой войны работал в США, в ряде военных и гражданских проектов.

В России имя Флеттнера малоизвестно и не упоминается, в западной литературе его именем называют ряд инженерных решений. Одним из известных проектов Флеттнера являлась постройка роторного корабля (1923 г.). Корабль был оборудован двумя большими цилиндрическими роторами, которые стояли так же высоко, как мачты, и вращались двигателем. Идея заключалась в том, чтобы воспользоваться эффектом Магнуса.

Сигурд Йоханнес Савониус (нем. Sigurd Johannes Savonius) (1884-1931) – финский архитектор и изобретатель, автор ряда патентов. Известен работами по физике ветра и использовании энергии ветряных потоков.

В 1923 году, изучая роторный корабль Флеттнера, Савониус предположил, что корабль может приводиться в движение роторным аппаратом, работающим только от энергии ветра, без помощи двигателя. В результате совместных с Флеттнером экспериментов и собственных разработок в 1926 году Савониусом был запатентован «Savonius-Rotor» – ротор, представляющий собой открытый цилиндр с двумя противоположно расположенными лопастями внутри, изобретение анонсировалось как конструкция для использования энергии ветра. Патент на систему вентиляции, основанную на роторе Савониуса, был приобретен фирмой Flettner Ventilator Limited, которая продолжает выпускать его современные варианты в Великобритании.

Анализ плюсов и минусов вертикальных ветрогенераторов малой мощности

Первые промышленные ВЭУ были сконструированы в Дании в 1890 году. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье был запатентован во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г.) [1]. До недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ветрогенераторов) ошибочно считалась невозможность получить быстроходность больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ быстроходность может быть больше пяти). К недостаткам также относили неравномерность крутящего момента, зависимость частоты вращения ветроколеса от скорости ветра и большую пусковую скорость ветра (около 15 м/с) [2].

Эти положения, верные только для тихоходных роторов с различным сопротивлением лопастей движению, привели к неправильным теоретическим выводам о малом коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ) у вертикально-осевых ветроэнергетических установок по сравнению с горизонтально-осевыми ветроустановками. В результате этот тип ветроэнергетических установок почти 40 лет вообще не разрабатывался.

И только в 60-х – 70-х годах прошлого века сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Быстроходность этих роторов достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра уже в настоящее время на уровне горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ [2]. Вместе с тем, эксплуатация горизонтально-осевых ветроустановок выявила ряд неучитываемых ранее недостатков. Например, горизонтально-осевые ветроэнергетические установки могут значительно уменьшать вырабатываемую электроэнергию при частой смене направления ветра [3]. При быстром изменении направления ветра, ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения, но практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации.

Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения обеспечивают стабильную мощность, снимаемую с ветроколеса, при скорости ветра не меньше номинальной. Однако практика использования автономных электростанций показывает, что реально вырабатываемая электроэнергия оказывается меньше расчетной, потери энергии могут достигать 50% [3]. Причиной этого является уменьшение мощности, а соответственно и энергии, передаваемой ветроколесом при изменении направления ветра даже при достаточной его скорости.

Скорость ветра 5,5м/с, радиус ветроколеса 1м.

Зависимость мощности, снимаемой с ветроколеса от времени при однократном изменении направления ветра на 30о

То есть, ветроколесо не может мгновенно переориентироваться на новое (изменившееся) направление ветра, и за период переориентации мощность, снимаемая с ветроколеса, уменьшается. При частой смене направления ветра вертикально-осевые ветроэнергетические установки оказываются эффективнее горизонтально-осевых ветроустановок несмотря на то, что имеют несколько меньший коэффициент использования мощности ветра [3].

Ветроколесо  с вертикальной осью вращения  вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Эффективность их работы принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем, нет  необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер.

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных пропеллерных и вертикально-осевых установок равен 0.593. К настоящему времени максимально достигнутый на горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках коэффициент использования энергии ветра составляет 0.48. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4 – 0.45 вполне реальная задача. Таким образом, коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ветроэнергетических установок близки.

Достоинством вертикально-осевых ветроэнергетических установок является возможность размещения генератора на фундаменте установки. Это  позволяет отказаться от мощной, вероятнее всего многоступенчатой,  угловой передачи крутящего момента, упростив требования к монтажепригодности оборудования (исключить ограничения по габариту и массе) и к условиям эксплуатации (отсутствие толчков и вибраций). Упрощается передача вырабатываемой электроэнергии.

В горизонтально-осевых пропеллерных ветроэнергетических установках избегают вводить угловую передачу и размещают оборудование во вращающейся гондоле. При таком расположении значительные трудности вызывает передача электроэнергия от вращающегося вместе с гондолой генератора. Для того чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, вводить коллекторную передачу либо отсоединять и раскручивать шину. Во всех этих случаях в конструкцию ветроустановки вводятся дополнительные устройства, усложняющие ее.

Передача крутящего момента на уровень фундамента связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако обусловленное этим усложнение конструкции вполне компенсируется преимуществами нижнего размещения оборудования, даже в том случае, если вал будет послередукторным, то есть, быстроходным. При доредукторном (тихоходном) исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений не требует.

В горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках удачно используются достижения авиационной техники, в частности в области проектирования лопастей, систем управления углами их установки, трансмиссий. Следовательно, есть все основания полагать, что эти установки достаточно отработаны и их надежности могут быть даны высокие оценки. Тем не менее, очевидно, что после отработки конструкции, вертикально-осевые ветроэнергетические установки обещают более высокую надежность. Это обусловлено отсутствием механизмов и систем управления поворотом гондолы на ветер, размещением генератора на фундаменте, отсутствием необходимости в устройствах и системах управления углом установки лопастей, упрощенной системой передачи электроэнергии, возможностью крепления лопастей к ротору в нескольких местах, что снижает требования по прочности и жесткости лопасти.

Вертикально-осевые ветроэнергетические установки с точки зрения воздействия на окружающую среду имеют следующие преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными:

— уровни аэродинамических, инфразвуковых шумов, теле- и радиопомехи гораздо ниже; — меньше радиус разброса обломков лопастей в случае их разрушения и менее вероятно саморазрушение; — ниже вероятность столкновения лопастей с птицами.

Вертикально-осевые ветроэнергетические установки наиболее эффективны при малой (до 10кВт) мощности, что совпадает с концепцией автономных и резервных систем энергоснабжения. Рассмотрим наиболее совершенные типы вертикально-осевых ветроустановок.

Ротор Савониуса. Вращающий момент воз­никает при обтекании ротора Савониуса потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора Савониуса. Достоинствами ветроэнергетической установки этого типа являются  низкий уровень шума, небольшая занимаемая площадь, отличная работа на малых ветрах (3-5 м/сек). Ветроколесо отличается исключительной простотой, однако затраты на материалы пропорциональны КПД. Эта турбина являются самой тихоходной, и как следствие, имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра – всего 0,18 — 0,24 и  КПД 17-18%.  Применение этих турбин экономически и технически нецелесообразно.

Ротор Горлова. Ротор состоит из нескольких лопастей аэродинамического профиля. Турбина является быстроходной, коэффициент быстроходности более 3, КПД более 38%. Изготовление таких лопастей затруднительно в связи со сложной формой лопастей. Турбина Горлова отличается повышенным уровнем шума и инфразвука частотой 4-8 Гц, который образуется за счет наклона лопастей и срыва потока с концов лопастей. Применение этих турбин экономически и технически  нецелесообразно.

Ротор Дарье. Представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках. На каждое из крыльев, движущихся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между векторами скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимального значения подъемная сила достигает при ортогональности данных векторов. Ввиду того, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент силы, развиваемый ротором, также является переменным. Поскольку для возникновения подъемной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самозапуском. Самозапуск улучшается в случае применения трех и более лопастей, но и в этом случае требуется предварительный разгон ротора.

Ротор Дарье относится к ветроприемным устройствам, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, но большую быстроходность, в силу этого – относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости.

Работа ротора Дарье не зависит от направления потока. Следовательно, турбина на его основе не требует устройства ориентации. Ротор Дарье характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях потока и высоким коэффициентом использования энергии потока, а площадь, ометаемая крыльями ротора, может быть достаточно большой.

К недостаткам ротора Дарье также относится низкая механическая прочность и повышенный шум, создаваемый при работе.

Наиболее технологичным является  Н-образный ротор Дарье. Установка такого типа является быстроходной (коэффициент быстроходности ≥ 3), КПД достигает 0,38. Ротор Н-Дарье отличается пониженным уровнем шума и полным отсутствием инфразвука. Ветроэнергетическая установка этого типа имеет  простую конструкцию и высокую надежность.

Таким образом, вертикально-осевые ветроустановки являются более простыми и обладают еще рядом преимуществ перед горизонтально-осевыми ветроустановками. Меньший коэффициент использования мощности ветра и КПД компенсируются отсутствием потерь энергии при изменении направления ветра. В случае буферного аккумулирования электроэнергии, можно снизить требования к качеству выходного напряжения и применить упрощенные конструктивные решения преобразования ветрового потока в механическую энергию вращения вала (например, нерегулируемые лопасти и т.п.). При этом требуемое качество электроэнергии в канале электроснабжения может быть обеспечено стандартными устройствами преобразования электрической энергии (например, источниками бесперебойного питания типа UPS) с аккумуляторной батареей соответствующей емкости.

Аспирантка Бабина Л.В., д.т.н. Воронин С.М. ФБГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», Россия

Литература

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990 2. Соломин Е.В.Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология, 2010 № 1.С. 10-15 3. Воронин С.М., Бабина Л.В. Работа ветроустановки при изменении направления ветра // Альтернативная энергетика и экология, 2010 № 1. С. 98-100 4. Беляков П. Ю., Доильницын В.В., Гончаров В.Н., Сапронов Н.В. Математическое моделирование ветроэнергетической установки с ротором циклоидного типа // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды межвузовской студенческой научно-технической конференции; Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2001.

По материалам: vetrogenerator.com.ua

Сильный савониуса ротора и дарье лезвие для промышленных работ Selections Of Featured Suppliers

О продукте и поставщиках:

Ищите савониуса ротора и дарье лезвие на Alibaba. com, который можно использовать в различных отраслях, включая строительство и производство. Найдите различные модели, которые могут прорезать мягкие поверхности, такие как дерево, и более твердые листы металла и даже камень. Используйте савониуса ротора и дарье лезвие для изготовления мебели или автомобильных запчастей с высокой эффективностью и точностью. Доступны различные формы и размеры, что позволяет легко найти идеальный вариант для следующего крупного проекта.
Все савониуса ротора и дарье лезвие изготовлены из прочных и долговечных металлов, таких как сталь. У некоторых есть твердосплавные наконечники, в то время как другие содержат алмаз, чтобы облегчить резку твердых материалов. Многие устройства рассчитаны на долговечность и прослужат в течение долгого времени в процессе многих применений. Найдите модель, которая может резать с большой скоростью и точностью, чтобы гарантировать, что работа будет выполнена правильно и в быстром темпе.
Купите савониуса ротора и дарье лезвие на Alibaba. com, чтобы найти широкий спектр поставщиков, предлагающих различные диаметры для Выбери из. Некоторые также позволяют использовать нестандартные цвета и окрашенную отделку. Запаситесь несколькими устройствами, чтобы обеспечить поставку каждой машины достаточным количеством запчастей на случай возникновения чрезвычайной ситуации. Многие из них разработаны и протестированы для обеспечения безопасной работы пользователя. Некоторые поставщики также могут изменять количество зубьев.
Получите савониуса ротора и дарье лезвие на Alibaba.com и оцените безопасную и надежную деталь, которая поможет снизить затраты. Найдите размер и стиль, которые подходят независимо от используемой машины. Просмотрите множество различных лезвий и найдите цены, которые позволят легко поддерживать высокую эффективность работы мастерской.

Ветродвигатель Туркина — Энергетика и промышленность России — № 11 (151) июнь 2010 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 11 (151) июнь 2010 года

Иногда складывается ощущение, что свой ветро-двигатель не изобрел разве что ленивый. Впрочем, такой ажиотаж вполне объясним: в стране появляется огромное количество удаленных коттеджей, ферм и мелких производств, подводить ЛЭП к которым – удовольствие не из дешевых.

Типы двигателей

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветро-двигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветро-двигатели называются крыльчатыми. Быстроходностью при этом называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.

Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656‑44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности разделяются на три группы:
• ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn • ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn > 2;
• ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn > 3.
Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:
• карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;
• роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно:
• так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %, что установлено экспериментальными исследованиями;
• движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра;
• размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесенный к единице установленной мощности ветро-двигателя.

Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с 1980 года. За последние годы мощность ветродвигателей увеличилась более чем в сто раз: от 20‑60 кВт при диаметре ротора около 20 метров в начале 1980-х годов до 5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 метров. Некоторые прототипы ветро-двигателей имеют еще большие мощность и диаметр ротора. При этом стоимость генерируемой ветряками энергии снизилась на 80 процентов.

Роторные ветродвигатели

Известна роторная ветроэнергетическая установка (патент РФ № 2130127) с горизонтальным валом отбора мощности, ветровое колесо которой имеет смонтированные посредством радиальных несущих опор радиально расположенные конусообразные роторы с концевыми диафрагмами. При этом конусы роторов обращены большими основаниями к валу отбора мощности, а меньшими основаниями – к периферии ротора и выполнены с углом конусности в пределах 2‑4 градусов. Кроме того, ротор разделен на части дополнительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами.

Части ротора выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора и друг относительно друга и имеют различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветрового колеса к периферии ротора, что позволяет повысить коэффициент использования ветрового потока.

Особенностью данной конструкции является большая общая площадь установки и сложность передачи мощности к исполнительным механизмам.

Известен также роторный ветродвигатель, содержащий установленный на вертикальном валу ротор, размещенный в корпусе (патент РФ № 2118703). Ротор выполнен с двумя крыльями в форме двух полуцилиндров, смещенных друг относительно друга на расстояние не меньшее, чем величина их радиуса, и жестко закрепленных между верхним и нижним дисками. Крылья ротора выполнены с продувными закрылками в форме вогнутых пластин, а корпус снабжен створками для входа и выхода воздушного потока и направления его на крылья ротора и выполнен в виде диффузора. В данном изобретении решается задача создания простой и надежной конструкции ветродвигателя с использованием легких материалов – фанеры, пластмассы, текстолита, тонколистового металла. Однако данная конструкция отличается низкой устойчивостью к сильным порывам ветра и ураганам, а также малопригодна для серийного производства.

В изобретении по патенту РФ № 2169857 также предлагается вариант ветряного агрегата с упрощенной конструкцией, в котором на неподвижном центральном валу размещен подвижный каркас с плоскими рабочими лопастями. Над каждой рабочей лопастью при посредстве планетарного зубчатого редуктора установлен флюгер, ось которого укреплена с возможностью поворота в корпусе редуктора. При этом центральный вал выполнен в виде ресивера для закачки в него сжатого воздуха от установленного на агрегате компрессора. Эта конструкция также отличается громоздкостью и низкой устойчивостью к сильным порывам ветра.

Общим недостатком аналогов является необходимость значительного начального стартового момента, что уменьшает КПД ветродвигателей. Как следствие, это вызывает импульсивность их работы, что отрицательно сказывается на приводимых механизмах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению можно считать роторный ветродвигатель с ротором Савониуса.

Агрегат представляет собой каркас, в котором размещена система из четырех попарно соосных полуцилиндров, установленных на горизонтальные диски. Для повышения эффективности работы ветродвигателя вся конструкция поднята на высокую мачту, на которой предусмотрена специальная площадка для обслуживающего персонала. Приводимые механизмы размещаются на земле, в створе между опорами мачты.

Рабочие лопасти ротора предлагается выполнять изогнутой формы так, чтобы угол подъема наружной кромки лопастей (так называемый угол атаки) составлял от 0 до 180 градусов. Это позволит обеспечить подъем воздушных масс от нижнего основания конструкции вверх и поступление новых воздушных масс независимо от условий местности, в которой устанавливается двигатель, и приведет к увеличению скорости вращения лопастей. Для увеличения рабочей площади ветроприемных поверхностей, а также для удобства транспортировки рабочие лопасти ротора могут быть выполнены сборными.

Предлагаемое конструктивное решение обеспечивает равномерность работы ветродвигателя и резко повышает его эффективность при любой скорости ветра. Изогнутая во всех направлениях форма ветроприемных лопастей образует постоянную рабочую поверхность, обращенную к потоку воздуха независимо от направления его движения, и значительно снижает уровень стартового момента для запуска ветродвигателя. Кроме того, предлагаемая форма рабочих лопастей ротора обеспечивает работу двигателя и с восходящими, и с нисходящими потоками воздуха, повышая тем самым его КПД и эффективность использования в целом.

Как работает агрегат

Поток движущегося воздуха, набегая на внутреннюю стенку одной из рабочих лопастей ротора, благодаря вогнуто-выпуклому винтообразному ее исполнению автоматически поворачивает жестко связанные между собой лопасти. Коромыслами движение передается валу, который, в свою очередь, передает вращающий момент на второй вал. Поток входящего воздуха поднимается винтообразно по лопастям. При этом снимаются вихревые потоки с кромок лопастей, уменьшается их лобовое сопротивление, и скорость вращения ротора увеличивается. С подъемом воздушных мacc вверх появляется тяга, провоцирующая поступление новых воздушных масс, и все эффекты усиливаются. Это влечет за собой увеличение вращающего момента и передачу его через вал храповому механизму, который вращает маховик энергоаккумулятора. В энергоаккумуляторе происходит накопление энергии, что позволит стабилизировать число оборотов и обеспечить более устойчивую работу ветро-двигателя.

С вала вращение передается и другим потребителям механической энергии.

В отсутствие ветра маховик вращается за счет накопленной энергии, а храповой механизм отключает рабочие лопасти ротора, что позволит предохранить ветродвигатель от перегрузок и, следовательно, повысить его надежность и долговечность.

Технические преимущества использования предлагаемого роторного ветродвигателя состоят в следующем.

1. Изогнутая винтообразная форма рабочих лопастей ротора благодаря изменяемому углу атаки всегда обращена к поступающему потоку воздуха независимо от направления его движения. За счет этого создается смерчеподобный поток воздуха, что уменьшает лобовое сопротивление, а также резко повышает эффективность двигателя при любых скоростях ветрового потока независимо от рельефа местности.

2. Как следствие, стартовый момент запуска ветродвигателя минимален.

3. Благодаря переменному сечению и дугообразному профилю рабочих лопастей ротора увеличивается их аэродинамический эффект.

4. Как следствие первых трех качеств, конструкция предлагаемого ветродвигателя может выдерживать большие ураганные ветры и резкие порывы, сохраняя стабильную, надежную и безопасную работу агрегата.

5. Конструктивные особенности рабочих лопастей ротора позволяют с одинаковой эффективностью использовать в качестве рабочей среды не только воздушные потоки любых направлений – прямые горизонтальные, восходящие, нисходящие и т. д., но и водные, то есть использовать двигатель как гидроагрегат.

Из технических преимуществ вытекают экономические. Так как отпадает необходимость устанавливать рабочую часть ветродвигателя на высокую мачту, облегчается оперативный доступ при его ремонте и техническом обслуживании. При этом все приемные механизмы также устанавливаются внизу, что облегчает их подсоединение к двигателю.

Возможность выполнения ротора в виде сборной конструкции позволяет варьировать его длиной и упростить транспортировку двигателя.

Предлагаемый роторный ветродвигатель может найти широкое применение, особенно в условиях сельской местности, а также в геологических партиях. Компактность конструкции и ее простота делают возможным значительно снизить материалоемкость и в целом себестоимость предлагаемого агрегата, что привлечет внимание к нему потенциальных потребителей.

Ротор Угринского и похожие — для ветро — и гидрогенераторов, змеев и парусного дела.

June 5th, 2015, 12:25 am

Ротор Угринского и похожие — для ветро — и гидрогенераторов, змеев и парусного дела.

Инженеры перепробовали огромное количество всевозможных роторных систем, вращающихся в потоке за счет разного сопротивления лопаток по разные стороны от оси. Здесь мы будем рассматривать только такие роторы, у которых ось вращения перпендикулярна потоку. Их еще называют поперечными. У обычного ветряка — пропеллера ось параллельна потоку.У ротора Угринского, напоминающего катушку с лопатками, ось вертикальна. Он нечувствителен к смене направления ветра и хорош для невысокой скорости ветра. http://vetrogenerator.com.ua/vetrogenerator/vertikal/614-rotor-ugrinskogo-svoimi-rukami.html
http://www.mirodolie.ru/node/2372

Савониус на самодельном туристическом катамаране: http://modelist-konstruktor.com/turist_turistu/na-katamarane-rotor-parus Жалко, что там был именно ротор Савониуса, а не Угринского. Но это лечится. Плохо, что авторотирующий ротор (не знаю, как сказать более правильно) нужно каждый раз переворачивать при смене галса. Исключение только одно — простая пластина. Она будет вращаться в ту сторону, куда её изначально принудительно крутанули. Но именно простая пластина обладает самым низким КИЭВ среди всех поперечных роторов. Хотя роторные змеи, имеющие такое устройство, висят под приличным углом к горизонту.
Классический роторный парус пока крутят принудительно — со времён Флеттнера по сю пору.

Моя тема о роторных змеях: http://prokite.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=4529
Вот этот змей (савониусный) поднялся чуть ли не в штиль !

Простая модель авиамодель с роторным крылом: https://www.youtube.com/watch?v=POHre1P_E1k В качестве лопаток — просто пластины в диаметральной плоскости. Но летает ! Спасибо товарищу Магнусу !
Экспериментальный буер с роторным парусом: http://m454.narod.ru/rotor.html Любопытно, но жалко, что не испытан вариант с авторотацией.

Ротор вертикально-осевой ветряной установки

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.

Известен ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (по патенту RU2347104), содержащий вращающиеся вокруг вертикальной оси вертикальные крылья соединенные со ступицей радиальными аэродинамическими траверсами, снижающими ветровое сопротивление, к которым с чередованием прикреплены указанные крылья по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус, со смещением. Траверсы выполнены в виде центробежных аэродинамических тормозов, имеющих форму аэродинамического крыла и замедляющих вращение при больших ветрах.

Используемые вертикальные крылья (ротор с такими, аэродинамическими крыльями, называют «ротор Н-Дарье»), характеризуются высокой эффективность работы (коэффициент быстроходности — 2-4- во сколько раз лопасти могут крутиться быстрее ветра) при сильном, стабильном ветре. Недостатком такого ротора с является невозможность старта и неустойчивая работа при небольших, порывистых ветрах.

Известен ветроэлектрический генератор (по патенту RU120152), на роторе которого установлена ветротурбина с вертикальной осью вращения, на вертикальном валу ветротурбины, при помощи траверс, закреплены вертикальные крылья. Над верхним концом вала ветротурбины установлен роторный ветродвигатель Савониуса («ротор Савониуса»), имеющий механическую связь с валом через обгонную муфту. Ветродвигатель Савониуса раскручивает генератор на малых, порывистых ветрах – его коэффициент быстроходности равен 1. Недостатком такого ветрогенератора является сложность конструкции, повышенная металлоемкость.

Известен ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (по патенту RU2104408) в котором траверса выполнена в виде крыла (лопасть аэродинамического профиля). Такое крыло работает идентично с основными, вертикальными крыльями. Требуется синхронизовать их работу, но они расположены в разных плоскостях и на разном расстоянии от оси ротора – разные участки траверсы набегают на поток ветра с разными скоростями. Кроме того вертикальные крылья могут поворачиваться по углу в зависимости от ветровой нагрузки на местности, траверсы повернуть невозможно. Траверсы, выполненные в виде лопастей аэродинамического профиля в большинстве случаев будут тормозить основные, вертикальные крылья.

Известен ротор вертикально-осевого ветродвигателя (по патенту RU123851, выбран в качестве прототипа), в конструкцию ротора введен электромеханический механизм управления щитками. Механизм включает датчик измерения скорости и направления ветра, связанный с ним программный блок и исполнительный механизм, который осуществляет поворот щитков вокруг своих осей. Поворотные щитки установлены на горизонтальных траверсах. На горизонтальных траверсах закреплены вертикальные крылья (лопасти крыльевого профиля). Наличие щитков увеличивает крутящий момент ротора ветродвигателя при малых оборотах и низком напоре ветра, что обеспечивает его надежный самозапуск. Его недостатком является сложность конструкции, большой вес. Конструкция является ненадежной при эксплуатации, особенно при условиях минусовых температур, при наличии снега, пыли. Характеризуется инерционностью — при малых, порывистых ветрах происходит рассогласование данных от средств измерений, в т.ч. за счет их погрешности, с работой исполнительного механизма. Из-за сложности согласования работы щитков, затруднено использование более чем двух горизонтальных траверс (расположенных в одной плоскости). На обеспечение работоспособности электромеханического механизма требуется дополнительная электроэнергия, что снижает КПД ветросолнечной станции.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции ротора вертикально-осевой ветряной установки, повышение ее надежности, облегчение конструкции. Кроме того, обеспечивается самозапуск при малых, порывистых ветрах.

Технический результат достигается в роторе вертикально-осевой ветряной установки, содержащем центральную ось, от которой радиально отходят траверсы, на которых вертикально закреплены крылья. Траверсы выполнены в виде профилированных пластин, образующих вогнутые лопасти. Вогнутая лопасть может иметь в поперечном сечении форму радиусного закругления или форму углового загиба. Ротор содержит от трех до пяти пар траверс, каждое крыло закреплено на паре траверс, расположенных одна под другой. Ротор может быть образован несколькими ярусами, по-меньшей мере, двумя ярусами траверс с крыльями, смещенных друг относительно друга в тангенциальном направлении.

Изобретение поясняется рисунками:

фиг. 1 — ротор вертикально-осевой ветряной установки;

фиг. 2 — траверса с вогнутой лопастью радиусного закругления;

фиг. 3 — траверса с вогнутой лопастью углового загиба;

фиг. 4 — сечение крыла.

Ротор вертикально-осевой ветряной установки (далее, также — ротор) содержит центральную ось 1, от которой радиально отходят траверсы 2, расположенные, преимущественно, горизонтально (фиг. 1). Ротор, преимущественно содержит три пары траверс 2, расположенных одна под другой, пары располагаются равномерно по окружности, то есть, угол между ними в горизонтальной плоскости составляет 60 градусов. На концах пар траверс 2 закреплены крылья 3: для повышения прочности и жесткости конструкции, каждое крыло 3 закреплено на концах двумя горизонтальными траверсами 2. Крылья 3 представляют собой лопасти с аэродинамическим профилем, а именно с крыльевым профилем (фиг. 4), располагаются преимущественно вертикально. Количество крыльев 3 и соответственно пар траверс 2, расположенных на одном уровне по вертикали в одном ярусе – от трех до пяти штук, в зависимости от мощности ветряной установки. При их меньшем количестве не происходит самозапуска и возникают проблемы балансировки. При увеличении числа крыльев 3, быстроходность ротора падает.

Траверса 2 выполнена в виде профилированной, например, металлической пластины, образующей вогнутую лопасть 4. Вогнутая лопасть 4 может иметь в поперечном сечении форму радиусного закругления (фиг. 2) или форму углового загиба (фиг. 3). Такая форма траверсы 2, позволяет снизить толщину материала и массу всей конструкции: кроме захвата воздушного потока, обеспечивает жесткость траверсы 2 – вогнутая лопасть образует ребро жесткости.

Ротор вертикально-осевой ветряной установки может быть образован несколькими ярусами, по меньшей мере, двумя ярусами траверс 2 с крыльями 3, смещенных друг относительно друга в тангенциальном направлении. Вогнутые лопасти 4 сориентированы в одном направлении с крыльями 3: направление от выпуклой поверхности к вогнутой поверхности лопасти 4 совпадает с направлением от широкой части 5 профиля крыла 3 к узкой части 6. На фиг.1 показано три яруса со смещением между ярусами 30 градусов. Таким образом, повышается стабильность работы при разнонаправленных ветрах

При малых ветрах, при старте ротора происходит захват потока вогнутыми лопастями 4 траверс 2, реализуется работа ротора Савониуса. Он хорошо раскручивается на малых, порывистых ветрах, но его коэффициент быстроходности равен 1, поэтому как основной генератор его использовать неэффективно. После запуска ротора и при сильных ветрах основной вклад во вращение ротора вносят крылья 3, поскольку лопасти крыльевого профиля обеспечивают вращение ротора со скоростями, превышающими скорость ветра.

Ротор Савониуса — обзор

5.3.3 Оценка приливно-динамической энергии

Разделение энергии, доступной в текущей жидкости, должно быть возможным различными способами. Наиболее широко признанным выбором является использование турбины для преобразования гидрокинетической энергии в механическую. Для этого можно использовать различные типы турбин или роторов: силы сопротивления или подъема, поворотные или вертикальные ступичные турбины, гибридные турбины, объединяющие части нескольких вариаций, турбины с переменными или установленными краями шага, канальные турбины и так далее.Другие, более новые способы борьбы с контролируемым взлетом включают использование качающихся судов на подводных крыльях и парусов с изменяемой геометрией. Тем не менее, это предложение будет сосредоточено вокруг более обычных идей, основанных на турбинах, которых три:

Осевые турбины : это турбины, в которых ось вращения ротора параллельна набегающему потоку. В турбинах такого состава чаще всего используются острые кромки с подъемно-записывающими кромками, которые выполнены в виде аэродинамических поверхностей и поворачиваются по отношению к потоку.Движение жидкости вокруг аэродинамического профиля создает подъемную силу в точке по отношению к гармонии кромок, известной как приближение, вызывая контраст веса на одной стороне режущей кромки по сравнению с другой. Подъемная сила всегда будет противоположной точке относительной скорости жидкости. Ограничение лобового сопротивления также создается, когда жидкость обтекает аэродинамический профиль. Принуждение к сопротивлению действует параллельно относительной скорости жидкости и препятствует вращению, однако для подъемных устройств нормальная сила отклонения, создаваемая подъемной силой, превосходит ограничение препятствующего лобового сопротивления, а чистая отвлекающая сила, действующая в определенном диапазоне на переднюю кромку турбины, создает положительный крутящий момент и власть.Ступичные турбины являются типичным решением среди инженеров по преобразователям энергии приливов и отливов и по своей идее и конфигурации сопоставимы с передовыми ветряными турбинами. Схема ступичных турбин с потоком будет меняться, поскольку дизайнеры будут использовать различные номера кромок и даже каналы для оптимизации и фокусировки потока по направлению к ротору. Инженеры дополнительно продумали различные схемы, позволяющие решить проблему выработки энергии в фазах приливов и отливов приливного цикла, когда жидкость будет течь по-разному.Были предложены инструменты рыскания, а также приводы шага, оборудованные для наклона режущих кромок на 180 градусов, чтобы обеспечить двунаправленную работу турбины. Дополнительно было предложено использование двух ограничивающих роторов.

Турбины с вертикальной осью : Это турбины, в которых ступица вращения ротора расположена вертикально к поверхности воды и противоположно приближающемуся потоку. Турбины этого состава используют острые края либо с подъемом, либо с перетаскиванием, а в некоторых контурах используется сочетание того и другого.Роторы Савониуса имеют конструкцию сопротивления и зависят от того, что их толкает поток, по большей части со скоростью ниже, чем скорость потока свободного потока. Ротор создает высокий крутящий момент на низких скоростях, что делает его привлекательным для таких применений, как перекачка воды. Архитектура традиционного ротора Савониуса проста и некачественна в производстве — две полубочки установлены так, что их утопленные стороны обращены друг к другу, а затем уравновешены небольшой крышкой. Недостатком роторов Савониуса является их низкая эффективность по сравнению с гаджетами на подъемной основе; таким образом, многие отказались от их использования, ссылаясь на то, что они чрезмерно расточительны, что делает невозможным соперничество с различными контурами.Турбины Дарье представляют собой типичный вид вертикального контура ступицы. Они описываются острыми краями в форме аэродинамического профиля и зависят от создания подъемной силы, влияющей на их поворот вокруг центральной втулки. Основным препятствием для роторов Дарье является то, что они не запускаются самостоятельно и имеют низкий начальный крутящий момент. Следовательно, они регулярно используются в сочетании с роторами Савониуса, которые могут создавать значительный крутящий момент на низких скоростях. Еще одна проблема с турбиной Дарье — колебания крутящего момента. Независимо от этих проблем, турбины Дарье обычно используются как часть ветроэнергетических и морских систем.Изображение турбины Дарье, используемой для преобразования гидрокинетической энергии в силу в Судане, дано Френкелем (2007).

Винтовая турбина Горлова — еще одна особенность из семейства вертикальных ступиц, и, как и турбина Дарье, в ней используются острые кромки, отформованные с помощью аэродинамического профиля, и она является подъемной. Как сказал Хардисты, турбина обладает различными привлекательными качествами. Он самозапускается и, как и все турбины с вертикальным поворотом, из-за своей симметрии ступицы будет поворачиваться аналогичным образом, мало обращая внимания на то, находится ли приливное течение в скачке или отливе.Инженер TST GHK Technology, как известно, использует конструкцию винтовой турбины Горлова.

Нет единого мнения по поводу конструкции, которую должны принимать турбины с приливными потоками, и того, какой состав ротора является идеальным. Об этом свидетельствует большое количество планов, предлагаемых дизайнерами. Первоначально устройства с очевидным перетаскиванием, такие как ротор Савониуса, будут менее производительными, чем устройства с подъемным механизмом; более того, гаджеты с перетаскиванием обычно вращаются медленнее, чем скорость свободного потока. Для роторов Савониуса возможно иметь TSR больше 1.0; однако обычно они вращаются медленнее, чем гаджеты с подъемником. Умеренная скорость вращения тормозных устройств затрудняет их совместимость с генератором без высокопроизводительной коробки передач, позволяющей увеличить скорость вращения. В свете этих компонентов невозможно, чтобы контуры турбин на основе сопротивления были агрессивными с планами на основе подъемной силы.

С запретом ротора Савониуса, другие роторы с вертикальным поворотом и поперечным потоком могут стать разумной альтернативой планированию.Darrieus особенно способен достигать в целом высокого КПД 30–35%. Кроме того, по большей части, в двунаправленных потоках проще работать с контурами вертикального концентратора и поперечного потока, чем для ступичных турбин, для которых потребуется инструмент рыскания или какая-либо другая стратегия для решения двунаправленной задачи. Еще одно благоприятное положение вертикальных шарниров, на которое регулярно ссылаются, — это то, что полюс находится напротив ручья, что означает, что генератор можно поставить над поверхностью воды, что делает доступ менее сложным.Поперечные турбины не имеют такого благоприятного положения, и доступ к подготовительному приводу будет опасен.

Несмотря на эти координационные точки, вертикальные ступичные или поперечные схемы, подобные роторам Дарье и спирального Горлова, по-прежнему склонны быть менее эффективными, чем ротор турбины с обтекаемым круговым потоком. Они включают в себя повышенную подверженность кавитации, в отличие от роторов со ступицей, и быстрое нарушение работы, вызванное загрязнением и поверхностными неприятностями на роторе.Кроме того, роторы Дарье и Спирального Горлова нелегко контролировать на высоких скоростях потока. Регулировкой урожайности нельзя управлять без особой растяжки, и лучший способ остановить роторы — использовать тормоз или спойлеры. Интересно, что существуют различные убедительные методы направления (замедление или шаг), которые были созданы в течение многих лет в бизнесе Breeze, которые могут быть связаны с роторами поворотного потока. Обширная база знаний, которая на данный момент существует в отношении структуры и исполнения роторов втулочного потока, в основном из-за достижений, достигнутых в сфере производства веток, возможно, является основной мотивацией того, почему многочисленные инженеры по приливу используют этот тип ротора.Это подтверждается тем фактом, что более 50% устройств зависят от установленных на основании малопрочных роторов, даже если они расположены в ступице. Таким образом, несмотря на то, что существует еще бесчисленное множество различных типов устройств для планирования, определенная мера встречи все же произошла. Работа в этом предложении предполагает использование схемы поворотного ротора и обращается к разветвлениям управления.

Ясно, что TST будет вращаться примерно на треть скорости ветряной турбины. Тот факт, что лопасти TST короткие и вращаются относительно медленно, означает, что центробежные силы, которые уравновешивают изгибающие силы на больших ветряных турбинах, невелики.Это означает, что они мало что делают для ограничения больших изгибающих сил, действующих на лопасти TST. Более низкая скорость вращения TST также влияет на крутящий момент, развиваемый ротором. По соотношению между угловой скоростью и заданным крутящим моментом становится ясно, что если турбина приливного течения вращается медленнее, чем ветряная турбина, то для выработки того же количества энергии ей придется приложить больший крутящий момент.

Это различие между ветряными турбинами и турбинами приливного течения, которое необходимо учитывать при проектировании трансмиссии.Отказы редукторов — одна из основных причин простоев в ветроэнергетике. Если TST развивают высокие крутящие моменты, то логично предположить, что на коробку передач и ведущий вал возникнет дополнительная нагрузка, что может вызвать нежелательные отказы. Высокий рабочий крутящий момент в сочетании с тем фактом, что роторы TST меньше и, следовательно, имеют меньшую инерцию, чем эквивалентная ветряная турбина, означает, что они будут ускоряться быстрее при изменении потока. Следовательно, регулирование скорости ротора при TST будет более трудным, особенно в местах, где происходят быстрые изменения скорости потока.

Ветряная турбина Савониуса — обзор

3.2.3 Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT)

Риглер [31] отмечает, что для применений мощностью менее 10 кВт VAWT имеют значительные преимущества перед HAWT. Эти преимущества возрастают в зонах с высокой турбулентностью, таких как городская среда. Кроме того, VAWT генерируют более низкий уровень шума, и они менее дороги как с точки зрения строительства, так и с точки зрения обслуживания. Риглер [31] дополнительно отмечает важность гибридного VAWT (рис.11), который сочетает в себе принципы традиционных VAWT (таких как ветряные турбины Дарье и Савониуса) для устранения своих недостатков.

Рис. 11. Гибридный генератор VAWT (Дарье и Савониус) [32].

Eriksson et al. [26] представляют сравнительный анализ двух VAWT (Darrieus и H-ротор, или Giromill) и HAWT. Как показано на рис. 12, HAWT имеет более высокий коэффициент мощности (хотя три значения аналогичны), но есть несколько факторов, которые делают технологию VAWT более выгодной [26].В таблице 2 приведены основные различия между тремя системами, проанализированными Eriksson et al. [26] показано. Среди основных технических преимуществ VAWT — лучшее поведение в условиях сильной турбулентности ветра, отсутствие механизма управления направлением (всенаправленные турбины), более низкий уровень шума (из-за более низкой скорости вращения, как показано на рис. 12, и расположение электрического оборудования у основания), меньшая вибрация, передаваемая конструкции, меньшая стоимость строительства и обслуживания, а также большая простота конструкций [26].

Рис. 12. Коэффициенты мощности C _p в зависимости от удельной скорости λ для трех турбин: HAWT, Дарье и H-ротора [26].

Таблица 2. Краткое изложение основных различий между тремя турбинами: HAWT, Дарье и H-ротор [26].

9 0058

	H-ротор	Darrieus	HAWT
Профиль лезвия	Простой	Сложный	Сложный
Требуется механизм рыскания	Нет	Нет	Да
Возможен механизм шага	Да	Нет	Да
Башня	Да	Нет	Да
Оттяжки	Дополнительно	Да	Нет
Шум	Низкий	Умеренный	Высокий
Площадь отвала	Умеренный	Большой	Маленький
Положение генератора	На земле	На земле	На вершине башни
Нагрузка на отвал	Умеренная	Низкая	Высокая
Самозапускающийся	Нет	Нет	Да
Столкновение с башней	Малый	Маленький	Большой
Фундамент	Умеренный	Простой	Расширенный
Общая структура	Простой	Простой	Сложный

Howell et al.[33] представляют исследование ветряной турбины Giromill, или H-ротора (рис. 13), варианта ротора Дарье. Результаты (рис. 14) показывают, что коэффициент мощности зависит от шероховатости материала. Исследование, проведенное Эль-Самануди и соавт. [34] подчеркивает большое влияние типа лопасти на коэффициент мощности (рис. 15).

Рис. 13. Ветряк Giromill с пятью лопастями.

Рис. 14. Коэффициент мощности ветряка Giromill с двумя (слева) и тремя (справа) лопастями [33].

Рис. 15. Коэффициенты мощности C _p в зависимости от удельной скорости λ для трех типов лопастей, ветряка Giromill с четырьмя лопастями [34].

На рис. 16 показано наложение общего VAWT (действительного для Дарье, Гиромилля или Савониуса) на воздушный поток для падающей скорости 1 м / с. Представленные условия совместимы с работой ветряной турбины. Однако, хотя разнонаправленность ветра является нормальной ситуацией в городских условиях, количественные тесты поведения ветряных турбин в этих условиях в литературе не встречаются.

Рис. 16. Наложение VAWT на воздушный поток для падающей скорости 1 м / с.

Кирке и Лазаускас [35] представляют исследование винтовой ветряной турбины Дарье (рис. 17). Винтовая форма обеспечивает переменный шаг, который создает высокий пусковой крутящий момент (пусковой крутящий момент турбины Дарье с фиксированным шагом недостаточен для самозапуска), более высокий КПД и меньшие вибрации, хотя активные системы управления скоростью более сложные и дорого [35].В этом исследовании сделан вывод о том, что более низкая прочность лопастей увеличивает как пиковую эффективность, так и передаточное отношение концевых скоростей, как показано на рис. 18.

Рис. 17. Винтовая ветряная турбина Дарье.

Рис. 18. Коэффициент мощности для винтовой ветряной турбины Дарье различной прочности [35].

Sharpe and Proven [36] предлагают ветряную турбину Дарье с гибкими лопастями. Эта ветряная турбина может быть установлена ​​как вертикально, так и горизонтально, как показано на рис. 19. Обтекаемая опорная конструкция выполняет функцию концентрации ветра [19,36].Основными преимуществами гибких лопастей являются повышение эффективности и уменьшение вибраций, передаваемых на конструкцию здания [36].

Рис. 19. Гибкая ветряная турбина Дарье в горизонтальном (слева) и вертикальном (справа) положениях [36].

На рис. 20 показано наложение горизонтальной ветряной турбины Дарье для падающей скорости 1 м / с. Представленные условия подходят для работы турбины, и, кроме того, ее поведение улучшается в условиях всенаправленного ветра.

Рис. 20. Наложение горизонтальной ветряной турбины Дарье для падающей скорости 1 м / с.

Из-за низкой прочности лопастей гибкого устройства Дарье с фиксированным шагом ветряная турбина должна работать с переменной скоростью вращения кончика, чтобы воспользоваться преимуществами самых высоких пиковых значений коэффициента мощности (рис. 21) для достижения значительного повышения эффективности, что подразумевает более высокий уровень сложности в системе активного контроля скорости.

Рис. 21. Зависимость мощности от скорости вращения для различных скоростей ветра, гибкая ветряная турбина Дарье [36].

Алессандро и др. [37] провели исследование ветряной турбины Савониуса. По сравнению с другими ветряными турбинами, он имеет более низкий коэффициент мощности (рис. 22), хотя он имеет преимущества в том, что он самозапускается и не меняет направление (всенаправленное) [37]. Еще одним большим преимуществом является то, что его чрезвычайно просто построить и, следовательно, он может быть чрезвычайно дешевым (при его строительстве можно использовать переработанные контейнеры, трубы или бочки). Эта функция была бы очень привлекательной в зонах с крайне низкими экономическими ресурсами (рис.23 слева). Возможность использования переработанных материалов придает этой технологии очень экологичный характер.

Рис. 22. Коэффициент мощности C _p ветряка Савониуса [37].

Рис. 23. Чрезвычайно дешевый ветряк Савониуса (слева) и схема ветряка Савониуса с двумя лопастями и дефлекторным листом (справа) [38].

Модификации ветряных турбин Савониуса, которые увеличивают коэффициент мощности, играют важную роль, особенно изменение количества лопастей, взаимного расположения препятствий и спиральной формы [37,38].

Mohamed et al. [38] представляют анализ ветряных турбин Савониуса с двумя и тремя лопастями и с дефлекторным листом (рис. 23 справа). Результаты показывают, что установка дефлекторной пластины значительно увеличивает КПД ветряной турбины (рис. 24) и что коэффициент мощности выше в случае ротора с двумя лопастями.

Рис. 24. Коэффициент мощности ветряка Савониуса с двумя (слева) и тремя (справа) лопастями с дефлекторным листом и без него [38].

Kamoji et al.[39] провели исследование винтовой ветряной турбины Савониуса (рис. 25 и 26), показав, что коэффициенты мощности и крутящего момента несколько выше у винтовой конструкции, чем у традиционной ветряной турбины Савониуса в условиях низкой скорости ветра. Большим преимуществом спиральных лопастей является то, что коэффициент статического момента всегда положителен для всех углов падения (рис. 26). Главный недостаток — более высокая сложность конструкции, что влечет за собой удорожание [38].

Рис.25.Винтовой ветряк Савониуса с тремя лопастями.

Рис. 26. Коэффициенты мощности, крутящего момента и статического крутящего момента для двухлопастной ветряной турбины Савониуса с винтовыми и обычными лопастями [39].

Как упоминалось ранее, низкий коэффициент мощности ротора Савониуса является наиболее важным недостатком; следовательно, улучшение этого фактора важно для развития этой технологии [37,38]. В Таблице 3 представлена ​​сводка основных улучшений, направленных на повышение производительности ротора Савониуса.

Таблица 3. Улучшения для увеличения производительности ветряных турбин Савониуса [37].

Модификация конструкции	Усиление	Комментарии
Винтовые роторы	Повышение статического крутящего момента	Сложная конструкция, высокая стоимость
Дефлекторная пластина	20%	Нет более подробной информации с 1992
Витая лопасть	27% относительно	Сложная конструкция, высокая стоимость
Туннель с направляющей коробкой	50% (3 лопасти)	Сложная конструкция
Модифицированный Savonius	60% при статическом крутящем моменте	Ожидаемая проблема вибрации
Направляющие лопатки	Зависит от скорости ветра	Проблемы при большой скорости вращения
Препятствующая пластина	15% от пикового значения	Используемое пространство для малых параметров

Müller et al.[40] предлагают ветряную турбину резистивного типа с вертикальной осью (рис. 27). Основными преимуществами являются простота конструкции, подразумевающая меньшую стоимость строительства, и высокий КПД (рис. 28), примерно 48–61%. Эта система может быть частью ветро-солнечного гибрида [41,42]. Недостатком является то, что поскольку ветряная турбина частично закрыта, площадь развертки меньше и она имеет фиксированное направление. Эта проблема может быть решена путем добавления движущейся направляющей лопатки увеличения мощности (PAGV), которая окружает турбину и ориентирует входящий воздушный поток, что позволяет увеличить скорость вращения ротора в 1 раз.75, крутящий момент в 2,88 раза и выходная мощность в 5,8 раза [43].

Рис. 27. Вертикально-осевой ветряк резистивного типа [40].

Рис. 28. КПД вертикально-осевых ветряных турбин резистивного типа [40].

Прочный низкотехнологичный подход к ветроэнергетике — журнал малого фермера

«Наша готовая ветряная мельница будет орошать 6 акров влажного риса и заменять два газовых насоса. Он работает в различных ветровых условиях и очень безотказен ».

Ротор Савониуса: надежный низкотехнологичный подход к ветроэнергетике

Исследовательский проект на ферме, финансируемый Северо-Восточным SARE (Исследования и образование в области устойчивого сельского хозяйства)

Эрик Андрус из Вергенна, VT

Одна из реалий маломасштабной энергетики — это, казалось бы, неизбежный экономический сдерживающий фактор для инвестиций в долгосрочные решения.Этот проект является примером попытки одного фермера увидеть прошлое состояние дешевой энергии (электричество и жидкое ископаемое топливо) в будущее, в котором фермы, вероятно, будут все больше вынуждены, как они это делали в прошлом, брать на себя ответственность за свою собственную энергию. потребности. Но чтобы четко обдумать эту тему, важно правильно сформулировать проблему.

Мы привыкли мыслить экономикой долларов и центов, которые редко имеют четкое отношение к количеству задействованной энергии.Хотя Savonius обычно рассматривается как предложение по производству электроэнергии, давайте на мгновение отложим электричество и рассмотрим одну из моих основных сельскохозяйственных работ. Моя ферма собирает около 70 миллионов килокалорий из годового урожая сена в квадратных тюках. Для этого мы, вероятно, прикладываем около 2 миллионов ккал усилий в следующих категориях:

Сила лошадиных сил	150 000 ккал
Тракторное дизельное топливо	1 500 000 ккал
Электроэнергия для конвейеров тюков	24 000 ккал
Износ всего оборудования	300 000 ккал
Сила мышц человека	36 000 ккал
Общая вложенная энергия	2,010 000 ккал

Все это кажется вполне разумным, если учесть, что мы накапливаем 70 миллионов калорий в сене.Но, конечно, мы, люди, не можем сами есть сено, не можем использовать его, чтобы очень легко держать свет, поэтому мы скармливаем его своим скотам — проверенная временем практика. Это сено способствует ежегодному производству говядины (а также лошадиным силам для сельскохозяйственных работ) примерно 7 голов в год при 550 фунтах подвешенного веса каждое, из которых около 350 фунтов съедается. В фунте говядины около 800 ккал.

7 голов говядины x 350 фунтов говядины x 800 ккал = 1 960 000 ккал

Если бы мы включили использование тягловых лошадей для сельскохозяйственных работ, не связанных с сенокосом, то это добавило бы несколько сотен тысяч калорий в столбец льгот.Но в целом наша уборка сена — это предложение энергии безубыточности. Это экономически жизнеспособно, но с точки зрения энергии у него нет значительного чистого производства, в основном потому, что небольшое количество тракторного топлива, которое я использую, содержит почти столько же энергии, сколько говядина, которую я продаю. Я предлагаю этот пример, чтобы проиллюстрировать сложность понимания фермерских систем с точки зрения устойчивой динамики энергетики.

Современная экономика на основе долларов и центов сильно отвлекает от долгосрочных размышлений о фермах и возобновляемых источниках энергии в целом, поскольку любое обсуждение финансов делает множество предположений о том, сколько вещей стоит и чего стоит.Если стоимость товаров и услуг в нашей экономике имеет мало отношения к количеству энергии, требуемой для их производства, мы очень легко сбиваемся с пути, пытаясь мыслить в долгосрочной финансовой и энергетической перспективе одновременно.

Добавьте к этому факт, что большинству из нас нелегко отделить энергетические «потребности» от энергетических «желаний». Например, моя семья потребляет около 700 кВт / ч в месяц. Когда дело доходит до сути, очень мало в этом использовании действительно необходимо.

И даже на производственной стороне фермы желания и потребности легко спутать.Я хочу использовать тюковый пресс-подборщик, потому что он помогает мне выполнять работу по сбору сена. Но, как я проиллюстрировал, тюкование требует больших затрат энергии, намного больше, чем у бригады из 20 человек с вилами. Если бы мы жили в обществе, где энергия действительно имела значение, это общество обычно потребляло бы возобновляемый человеческий труд (например, в виде бригады из 20 выносливых рабочих с вилами), а не машинный труд. Но мы живем здесь и сейчас, и 20 человек не придут, когда я позвоню, по крайней мере, по цене, меньшей или равной стоимости работы трактора и тюкового пресс-подборщика.Но потребность в фермерах в этот исторический период велика. Мы здесь, чтобы сыграть ключевую роль. Я, например, предвкушаю тот день, когда на северо-восточных полях не будет недостатка в людях. Мы уже на пути к этому, и присутствие людей на работе изменит все наши текущие предположения относительно возобновляемых источников энергии.

Это цифровая модель ветряной мельницы, которая позволяет легко визуализировать и изменять конструкцию.

Я предлагаю это введение, чтобы помочь правильно сформулировать проблему и чтобы скромные результаты были видны в перспективе и не обескураживали.Ротор Савониуса имеет преимущества перед дорогостоящей высокотехнологичной ветряной турбиной, так же как бригада рабочих с вилами имеет преимущества перед трактором и пресс-подборщиком тюков. Savonius (как бригада рабочих с вилами) составляет:

1. Технически легко создать.
2. Очень низкие капитальные затраты.
3. Достаточно просто, чтобы каждый мог понять, как это работает.
4. Работать и находиться рядом не очень опасно.
5. Он будет работать в самых разных приложениях.
6. Не требует специализированных запчастей или технического обслуживания.
7. Он является модульным по своей природе и может быть увеличен или уменьшен по мере необходимости.

Если нашей целью является развитие энергообеспеченных ферм и сообществ, это очень значительные преимущества, которые могут перевесить меньшее. эффективность этого класса устройств, за что он незаслуженно вызывает презрение большинства ветроэнергетиков. Как и в случае с квадратным пресс-подборщиком, эффективность — это еще не все.

Ротор Савониуса был первоначально спроектирован финским изобретателем Сигурдом Савониусом в 1922 году. Он классифицируется как устройство тормозного типа и считается имеющим относительно низкую эффективность, но высокую надежность. Интерес к ротору Савониуса и другим типам ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT) возрос во время нефтяного эмбарго и, как следствие, энергетического кризиса. Кроме того, в 60-х и 70-х годах Савониус считался примером подходящей технологии для развития сельских районов в странах третьего мира из-за низких требований к техническому обслуживанию.

В том, что Savonius по своей природе имеет низкую скорость и высокий крутящий момент, он больше похож на ветряные мельницы средневековой Европы, чем на большинство современных горизонтальных ветроэнергетических устройств.

Учитывая, что в настоящее время мы сталкиваемся с растущими расходами на жидкое топливо и что долгосрочные затраты на ядерную энергетику становятся более ясными (тем более сейчас, когда Entergy Nuclear ясно дала понять, что намерена работать так, как ему нравится, желают ли жители Вермонта это или нет) Я считаю, что стоит рассматривать технологии долговременной генерации как средство удовлетворения сегодняшних потребностей.

Известно, что наша ферма имеет умеренные ветровые условия со средней годовой скоростью 11 миль в час. При такой скорости редко рекомендуется инвестировать в большие ветряные установки винтового типа. Но, учитывая низкую стоимость и репутацию производителя, работающего на более низких скоростях, VAWT казался возможной альтернативой. Среди различных типов низкотехнологичных ветряных устройств Savonius выделялся своей способностью изготавливаться из дерева и простыми конструктивными требованиями. Инженер на пенсии Шарлотта, штат Вермонт, Виктор Гарди помог нам в разработке эскизного проекта.

Несколько вопросов мотивировали наше рассмотрение ротора Савониуса. Учитывая высокую стоимость и длительные периоды окупаемости для большинства коммерчески доступных ветряных и солнечных технологий, представленных сегодня на рынке, может ли самодельный ротор Савониуса или набор роторов быть финансово жизнеспособной альтернативой? Каков потенциал модульной ветряной мельницы для неэлектрической энергии, например, для прямого механического применения или хранения в виде сжатого воздуха? Насколько важен в этих соображениях участок с первыми ветрами? Насколько сложно построить и обслуживать устройство?

«Наш дизайн Mark I был выполнен в основном из дерева и использовался для выработки электроэнергии в течение 3-месячного периода испытаний.Мы передвигали его на фургоне, чтобы протестировать в разных местах фермы. Мы извлекли уроки из его сборки и тестирования и разработали более крупный, более мощный и столь же дешевый дизайн Mark II ».

Наша первая конструкция («Марка I») построена из фанеры и габаритных пиломатериалов. В его основе используется автомобильный ступичный подшипник, и он может быть собран с помощью только основных деревообрабатывающих инструментов двумя людьми за неделю или около того. Наша конструкция имела в основании «ведущий диск» диаметром шесть футов, по которому двигалось колесо генератора.Большой диаметр приводного диска и маленький диаметр генератора позволяли разгонять генератор до 1800 об / мин при ветре примерно 12 миль в час. Его мощность (измеренная через генератор) варьировалась от примерно пяти ватт при очень слабом ветре до почти 2 киловатт. Мы тестировали Mark I несколько месяцев и наметили его производство.

«В конструкции Mark II используется 90-градусный редуктор с ременным шкивом и стандартные муфты карданного вала. Вал медленно вращается с большим крутящим моментом ».

В конце наших испытаний мы решили, что конструкция башни и долговечность материалов оставляют место для улучшений, и начали думать о конструкции «Mark II», состоящей из разрезанных топливных баков емкостью 275 галлонов, подобных которым вы видеть везде.Мы также решили, что наиболее перспективным для нас применением этой ветряной мельницы является не выработка и хранение электроэнергии, а использование вращательной энергии непосредственно для перекачивания воды. Это привело к тому, что мы отказались от конструктивных особенностей ведущего диска в пользу редуктора с углом 90 градусов (в виде старого шкива молотилки с болтовым креплением). Таким образом, наше устройство Mark II оснащено трансмиссией типа ВОМ, которая может приводить в действие любое количество орудий, как это успешно сделали производители беговых дорожек.

В конструкции Mark II также используется обработанная под давлением деревянная опора и стабилизирующие оттяжки, а также используются баббитовые подшипники, которые крепятся болтами к раме опоры вместо подшипников автомобильных колес; это позволяет концу приводного вала опускаться ниже поворотного устройства, где легко закрепить коробку передач или шкив для использования вращательной силы.

«Мы подняли нашу ветряную мельницу и сам массив ротора с помощью тросов, шкивов и простых механизмов».

Мы смогли поднять башню и поднять в нее собранный ротор (весом около 1000 фунтов) с помощью простых машин, хотя кран был бы удобнее и безопаснее. После установки в башню Mark II начал изящно вращаться и хорошо показал себя при скорости ветра от 4 до 35 миль в час.

Выводы по проекту

Возвращаясь к нашим исследовательским вопросам

В конечном итоге мы определили, что ротор Савониуса, особенно когда он изготовлен из дешевых, но прочных материалов, как в прототипе Mark II, является финансово выгодным вложением.Его потенциал для неэлектрической энергетики особенно впечатляет. В фермерских хозяйствах мощность прямого привода нашего ротора может включать:

• оросительные и дренажные насосы (это то, для чего мы намерены использовать в первую очередь нашу установку)
• камнедробильные мельницы
• вакуумные насосы для производства кленового сиропа
• мороженицы или сепараторы сливок
• стационарное деревообрабатывающее оборудование или небольшое пиломатериалы
• конвейеры квадратных тюков
• смесители цемента
• смесители кормов
• дровоколы
• пилы для древесины
• двухступенчатые воздушные компрессоры

жизнеспособная установка.Оба агрегата достигли максимальной скорости при скорости ветра около 12 миль в час при отсутствии нагрузки и начали разворачиваться при скорости ветра 5 миль в час или меньше. Дополнительный крутящий момент создается при более высокой скорости ветра. По нашим оценкам, эффективность конструкции Mark II составляет около 30%, что является весьма приличным показателем использования энергии ветра.

Мы также интересовались простотой постройки и обслуживания юнита. Хотя Mark I и Mark II довольно просты в сборке, Mark II лучше с точки зрения обслуживания из-за более высокой прочности его компонентов.Mark I, как описано, требует только столярных навыков, в то время как Mark II требует как столярных, так и сварочных навыков. Mark II также сложнее установить, но все же его выполнила команда, не имеющая опыта установки ветряных мельниц и башен без происшествий. В целом, мы считаем, что это устройство довольно легко сделать и освоить, гораздо сложнее, чем суетливый трактор или черпак.

Еще одна мысль в заключение: существует множество возможных вариантов установки в зависимости от места и конечного использования мощности вращения.Несколько блоков, каждый со своим генератором, могли заряжать общий аккумулятор. Башни типа Mark I и Mark II могут быть расширены по вертикали для размещения большего количества роторов на общем валу, хотя имейте в виду, что любой вал должен быть стабилизирован с помощью баббитовых подшипников через каждые 10 или 15 футов. Стальной ротор Mark II мог быть установлен в башне стиля Mark I и наоборот.

Мы считаем, что наш проект Savonius был скромно успешным и что наши прототипы могут быть воссозданы любым достаточно умелым человеком, а выходная мощность воссоздана на любом участке при ветре, равном или более сильном, чем у нас.По мере того, как денежные и внешние затраты на нашу нынешнюю энергетическую систему продолжают накапливаться, растет потребность во власти фермы и сообщества, которую могут создавать и управлять универсалы. Возможно, самые сильные будущие возможности для использования ветра в будущем — это те, которые доминировали в прошлом в ветроэнергетике: перекачивание воды и механическая энергия. Savonius — проверенная, адаптируемая концепция, которую можно использовать для удовлетворения таких потребностей по всему региону.

Сравнение Mark I и Mark II

Наша главная цель в этом проекте — спроектировать, построить и оценить прототип, который может быть построен фермерами для удовлетворения потребностей фермы в энергии.Во многих отношениях наш дизайн Mark II превосходит Mark I. Однако для некоторых людей дизайн Mark I или его аспекты могут быть более желательными. Для упрощения сравнения давайте посмотрим на следующую таблицу:

	Деревянный блок Mark I	Стальной блок Mark II с обработанной под давлением деревянной башней
Стоимость материалов	871,00 $	935,00 $
Наши часы труда для строительства	60	104
Стоимость рабочей силы из расчета 25 долларов в час	1500 долларов.00	2600,00 долларов США
Общая стоимость единицы продукции, рабочая сила и материалы	2371,00 долларов США	3535,00 долларов США
Площадь ветрового сечения (м2)	4,46	9,29
Портативность	Возможно	Не переносится
Об / мин при ветре 11 миль в час	60	50
Выходной сигнал	Ведущий диск	Низкоскоростной вал отбора мощности
Расчетная мощность при ветре 11 миль в час	75	200
Ежегодная расчетная оценкаПроизводство энергии на нашем объекте	650 кВтч	1752 кВтч
Срок окупаемости, одни материалы, по 0,25 доллара за кВтч	5,4 года	2,1 года
Срок окупаемости, труд и материалы, по 0,25 доллара за кВтч	14,6 года	8 лет
Приблизительный прогнозируемый срок службы	10 лет	20 лет

Важно, что с учетом затрат на рабочую силу срок окупаемости Mark I (при текущих затратах на электроэнергию) ) превышает срок его службы.Однако, если это так, то это далеко не единственный случай в этом отношении, поскольку это также верно для многих современных ветряных и солнечных приложений. Стальной агрегат Mark II, с другой стороны, имеет очень конкурентоспособный период окупаемости, даже с учетом затрат на рабочую силу. Обладая гораздо большей прочностью и большей площадью парусов, он представляет собой лучшее вложение во многих отношениях. В блоке Mark II отсутствует высокоскоростной приводной диск, как у Mark I, и его необходимо было бы оснастить одним или какой-либо коробкой передач, чтобы его можно было эффективно использовать для выработки электроэнергии или другого высокоскоростного использования с низким крутящим моментом.

«Мы сделали планы относительно наших низкотехнологичных конструкций ветряных мельниц, доступных на веб-сайте северо-восточной части SARE».

Для более полного описания нашего эксперимента, а также планов и руководств по сборке деревянных конструкций Mark I и стальных Mark II посетите следующий веб-сайт: https://projects.sare.org/sare_project/fne10-676/

Или свяжитесь с офисом Северо-Восточного SARE:

Северо-восток SARE
655 Spear Street
University of Vermont
Burlington, VT 05405-0107
Телефон: 802-656-0471

LS Савониус 3.0 | LuvSide: Мощный поворот

LS Savonius 3.0 | LuvSide: мощный поворот

Ротор Савониуса нового поколения

Ветряк нового поколения Savonius

Модель LS 3.0 Ветряная турбина с вертикальной осью Савониуса — это модель ротора Савониуса 3-го поколения от LuvSide. LS Helix 3.0, недавно выпущенный в апреле 2020 года, наследует стандартную спиральную конструкцию, но удваивает мощность по сравнению с предыдущей моделью Savonius.

Созданная для эффективного взаимодействия с аэродинамическим потоком, ветряная турбина LS Savonius 3.0 может начинать работу при низкой скорости ветра и достигать оптимальных характеристик без значительного повышения скорости ветра.

LS Савониус 3.0

• Датчик ветра 360 °

  Система отклонения от курса не требуется

  Грозоустойчивая конструкция

  Скорость ветра до 180 км / ч

  Низкое воздействие на окружающую среду

  Почти бесшумная работа

  Безопасность эксплуатации

  Страхование муфты от перегрузки

Детали турбины

Номинальная мощность	3.0 кВт при скорости ветра 16 м / с
Максимальная мощность	5,0 кВт при скорости ветра 20 м / с
Диаметр ротора	2,2 метра
Высота ротора	4 метра

Клиентские кейсы

Городская ветроэнергетика для предприятий и частных территорий

В качестве нашего дистрибьютора в земле Шлезвиг-Гольштейн Ханс Отте установил нашу последнюю версию LS Savonius 3.0 на территории их компании в апреле 2020 года, когда был официально запущен ветряк Савониус.

Вырабатывая электроэнергию для компании, ветряная турбина LS Savonius 3.0 также служит реальной демонстрацией городских ветроэнергетических решений для клиентов и энтузиастов ветра.

Поставка энергии ветра для выставок открытых дверей и общественных мест

Также в рамках запуска нашей продукции мы установили ветряную турбину LS 3.0 Savonius на месте проведения ярмарки Ingolstadt Landesgartenschau 2020.Ветряная турбина обеспечивает часть электроэнергии, потребляемой на выставке, и демонстрирует, как небольшие ветряные турбины с вертикальной осью могут быть интегрированы в различные области применения.

Если все компоненты и транспортировочные стойки не повреждены, турбину можно снять и просто переустановить в другом месте. Оставить ли он ветряную турбину на месте или переместить ее на другое место — решать вам.

Уникальные особенности

Настройте цвета лезвий

Мы производим турбины LuvSide с цветами, подобранными вручную нашими клиентами, и с качественной атмосферостойкой краской, выбранной нашей командой инженеров.Чаще всего лезвия окрашены в два цвета, которые представляют ваш логотип или предпочтения.

Встроенная защита от перегрузки

Все турбины LuvSide оснащены предохранительной муфтой, обеспечивающей безопасность эксплуатации. Как электрический магнитный инструмент, предохранительная муфта автоматически отсоединяется от генератора, когда генератор выключается, чтобы предотвратить перегрузку. Этот механизм защищает механические компоненты турбины от повреждений, вызванных превышением скорости вращения роторов.

Благодаря предохранительной муфте наши турбины Savonius могут работать с высочайшей безопасностью в штормовых погодных условиях в городских районах, а также при морском ветре за океаном.

Купить сейчас

Установка ветряной турбины с вертикальной осью LS Savonius 3.0

Наши ветряные турбины Savonius с вертикальной осью спроектированы так, чтобы быть небольшими, компактными и простыми в установке.

Каждая приобретенная ветряная турбина поставляется с полностью собранным ротором, закрепленным на транспортной раме, и необходимыми электронными компонентами.В зависимости от ваших предпочтений, основания конструкции и ветровых условий ротор может быть установлен на крыше или на мачте. Установка нашей ветряной турбины с вертикальной осью LS Helix 3.0 исключительно проста, поскольку ротор уже собран.

Посмотрите видео ниже, чтобы увидеть полный процесс установки.

Y наше лучшее решение для использования энергии ветра

Выносливость при сильном ветре

Благодаря конструкции датчика ветра на 360 ° и прочной конструкции турбины LuvSide работают даже в условиях турбулентности воздуха и частой смены направления ветра.

Низкое воздействие на окружающую среду

Турбины

LuvSide не создают падающей тени, представляют меньшую угрозу для летающих животных и издают более низкий уровень шума при работе.

Простота обслуживания

Поскольку генератор расположен всего в нескольких метрах от земли, для установки или обслуживания наших турбин не нужна армия.

Гибкая мобильность

От прибрежных регионов до далеких островов, от горных районов до автономных сообществ, турбины LuvSide могут использовать энергию ветра практически везде и везде.

Безупречное качество

Все турбины LuvSide разрабатываются и производятся нашими собственными инженерами в соответствии со строгими стандартами качества.

Поразительный вид

Работает мощно, выглядит фантастически. Турбины LuvSide являются отличным олицетворением устойчивости, генерируя как электрическую, так и маркетинговую энергию.

Действует

Страны
как производственные площадки

организаций
на борту с нами

Ускорьте преобразование возобновляемой энергии с турбинами LuvSide

Узнайте больше об информации о покупке и о том, как интегрировать LuvSide в свои планы использования возобновляемых источников энергии.

Начать сейчас

Хотите сотрудничать с LuvSide в качестве дистрибьютора? Узнайте, как продавать ветряные турбины в качестве нашего дистрибьютора.

Предпочтение конфиденциальности

На нашем веб-сайте мы используем файлы cookie.Некоторые из них очень важны, а другие помогают нам улучшить этот веб-сайт и улучшить ваш опыт.

Предпочтение конфиденциальности

Здесь вы найдете обзор всех используемых файлов cookie.Вы можете дать свое согласие на использование целых категорий или отобразить дополнительную информацию и выбрать определенные файлы cookie.

Имя	Borlabs Cookie
Провайдер	Владелец сайта
Назначение	Сохраняет предпочтения посетителей, выбранные в поле cookie файла cookie Borlabs.
Имя файла cookie	borlabs-cookie
Срок действия cookie	1 год

Имя	WPML
Провайдер	Владелец сайта
Назначение	Сохраняет текущий язык.
Имя файла cookie	_icl_ *, wpml_ *, wp-wpml_ *
Срок действия cookie	1 ярлык

Супер Ротор Савониуса! — Возобновляемая энергия

Все мы знаем, как выглядят ветряные зарядные устройства, или мы? В этой статье Майкл Хаклеман представляет очень эффективное устройство ветроэнергетики, о котором большинство из нас никогда не видели и даже не слышали.Савониус или S-ротор был представлен в этой стране еще в 1924 году, но столкнулся с жесткой конкуренцией со стороны уже усовершенствованной ветряной мельницы с несколькими лопастями и «более захватывающего» высокоскоростного пропеллерного генератора. Теперь Earthmind — исследовательский центр фермерских хозяйств в Калифорнии, специализирующийся на экспериментах с альтернативной энергией — очень впечатляюще возродил S-образный ротор.

С возвращением на землю и с тем, что поселенцы скоро станут потребностью каждого в источнике энергии, отличном от Con Ed, пришло время пересмотреть производство электроэнергии с помощью энергии ветра, и многие из нас делают это. только то.Однако до сих пор был доступен только один тип ветряных зарядных устройств: пропеллерный генератор или генератор переменного тока. (Такие установки раньше назывались «мельницами Стюарта», и я счел удобным использовать этот термин в этой статье.)

Стойки, которые вращают генераторы на обычных ветряных установках, различаются по количеству лопастей (две, три или четыре ) и сложностью их аэродинамических поверхностей. Однако, несмотря на различия, нижний предел ценового диапазона даже для построенных собственниками мельниц Stuart упорно колеблется в районе 400 долларов плюс.

Здесь, в Earthmind, мы пытаемся преодолеть этот ценовой барьер, экспериментируя с малоизвестным альтернативным ветряным устройством, которое является недорогим, простым в сборке и имеет несколько других явных преимуществ перед мельницей Стюарта в общих характеристиках и безопасности. операции. Это ротор Савониуса, который часто называют S-ротором из-за его внешнего вида.

Ротор Савониуса легко изготовить: просто разделите цилиндр поровну по его длине, сместите половинки на расстояние, равное радиусу исходной формы, и прикрепите сегменты к концевым пластинам на ширину нового диаметра (см. Рис. Галерея изображений).Затем вставьте стержень в центр узла, зафиксируйте его концы в подшипниках, и устройство будет вращаться под действием ветра. Если вы используете для своего ротора безалкогольные напитки, пиво или другие небольшие банки, у вас будет игрушка, но начните с 55-галлонных бочек, поставленных друг на друга по три (не совпадающих по фазе друг с другом), и даже при низкой скорости ветра мощность от вашего творение вас удивит.

Вы будете еще больше удивлены производительностью S-образного ротора по сравнению с мельницей Stuart. Если бы оба были испытаны в аэродинамических трубах, конструкция Савониуса выглядела бы хуже, но при нормальных наружных условиях результаты почти обратятся.Чтобы понять, почему, вам нужно некоторое представление о природе движущихся воздушных масс.

Есть два основных типа ветра: [1] «преобладающий» (или «частый») и [2] «энергетический». Первый дует в среднем пять дней из семи в данном районе, второй — только два. Тем не менее, энергетические ветры, которые возникают только 35 процентов времени, обеспечивают 75 процентов энергии, доступной от движущихся воздушных масс за любой месяц.

Энергетические ветры приходят в основном в виде порывов ветра, которые «двигаются» на преобладающем бризе, но обычно отклоняются от него по направлению на 15-70 градусов.Практическое значение этого факта можно продемонстрировать, поместив мельницу Стюарта и S-образный ротор рядом на постоянном ветру. Внезапно порыв ветра, и пропеллерный агрегат влетает в него. Затем, когда затяжка умирает, хвост ветряной установки медленно перемещает вентилятор обратно против преобладающего ветра. Между тем, S-образный ротор просто ускоряется в потоке воздуха и замедляется, когда скорость падает.

Вот в чем суть: мельнице Стюартов нужно было время, чтобы выровняться сначала с порывом, а затем с устойчивым ветром, и в результате они не могли использовать большую часть своей силы.S-образный ротор, который не должен был качаться или «гусениться», был способен поглощать всю мощность обоих. Фактически, одним из главных достоинств конструкции Савониуса является то, что она может в любой момент поднять ветер с любого направления.

Эта же характеристика также дает S-образному ротору большое преимущество в долговечности. При устойчивом низкоскоростном ветре раскачивание мельницы Стюарта механически приемлемо, но на более высоких скоростях это отдельная история. Вращающийся пропеллер — это всего лишь один большой гироскоп, и его постоянная настройка на направление движущегося воздуха оказывает колоссальные силы.В результате «гироскопической вибрации» многие винты, генераторы и башни рухнули на землю. Не отслеживающий аппарат Савониуса таких проблем не испытывает.

Но даже если S-образный ротор вырвется, он не упадет далеко. В отличие от обычной ветряной установки, которая вращается горизонтально и монтируется вместе с генератором на вершине башни, устройство Савониуса вращается вокруг вертикального вала. Это означает, что его генератор может быть установлен на земле или рядом с ней. Это также означает, что не будет башни, только столб с растяжками.Подумайте об этом: легкий доступ к генератору, легкое опускание агрегата и легкое перемещение, все без затрат на сложную опорную конструкцию!

Если вы посмотрите на два агрегата в действии бок о бок, вы заметите еще одно важное отличие: S-образный ротор вращается очень медленно, всего за один оборот для восьми мельниц Стюарта. Однако, если вы считаете, что скорость необходима для работы ветряного зарядного устройства, подумайте еще раз. Конечно, обычная ветряная установка для работы должна достигать высоких оборотов, но S-ротор, который представляет в 10-20 раз большую площадь поверхности движущейся воздушной массе, развивает такую ​​же мощность на низких скоростях вращения.

Кроме того, из-за относительно низкой скорости вращения завода в Савониусе его выходная мощность должна быть увеличена с помощью некоторых довольно высоких передаточных чисел, чтобы генератор переменного тока работал достаточно быстро, чтобы производить значимое количество электроэнергии. Но что с того? Такие передаточные числа не создают проблем с повторным запуском для S-ротора (как они это делают для блока с пропеллером) и вполне практичны для машины Савониуса.

У S-образного ротора есть еще одно преимущество перед мельницей Стюарта. Более быстро вращающиеся лопасти второй конструкции должны быть хорошо спроектированы и сбалансированы для работы на таких скоростях.Поскольку немногие люди имеют инструменты или ноу-хау для этого, крыловые профили (или весь винт) часто покупаются по высокой цене. В отличие от этого, более медленно движущийся S-ротор требует минимальной балансировки или вообще не требует ее, а его «крылья» могут быть сконструированы довольно просто и легко:

Наконец, есть еще одна особенность устройства Savonius, которая не видна глазу, но которая была обнаружена в предварительных испытаниях прототипа Earthmind: S-ротор может начать заряжать 12-вольтовые батареи при скорости ветра ниже 7 Минимум-миль в час, необходимый для «нормальной» винтовой установки.Наша установка успешно работала на скорости 6 миль в час, и мы полагаем, что некоторая модификация ротора снизит необходимую скорость до 5 миль в час. Мы продолжаем наши исследования этой возможности в интересах людей, которые живут в районах с низкой средней скоростью ветра и которые, возможно, не смогут использовать системы типа мельницы Стюарта.

Мы адаптировали нашу конструкцию и к другой крайности, установив спойлер с центробежным приводом для замедления вращения S-образного ротора при очень высоких скоростях ветра. Отдельный датчик (также механический) используется для ограничения или отключения тока возбуждения. к генератору в случае очень сильного ветра или его отсутствия.

Результаты наших испытаний прототипа S-ротора были настолько обнадеживающими, что мы недавно построили гораздо больший блок из трех бочек емкостью 55 галлонов. Мы оцениваем производительность обеих версий с помощью системы сбора данных, которая автоматически активируется датчиком каждый раз, когда скорость ветра превышает 3 мили в час. Наше испытательное оборудование также записывает информацию с отдельного указателя скорости и направления ветра.

С помощью наших регистраторов данных мы собрали некоторые цифры, чтобы показать, какую мощность может выдавать ротор Савониуса.Мощность такой ветряной установки, конечно, во многом зависит от вашего выбора генератора переменного тока, поэтому я перечисляю наши результаты для устройств с тремя номиналами: 45 А (очень часто), 60 А (немного сложнее найти, но там, если вы действительно посмотрите) и 130-амперный (который можно найти в коммерческих автомобилях или в легковых автомобилях, таких как Cadillac El Dorado). Я включил пиковую мощность, которую могут обеспечить установки, и нормальную мощность, которую вы можете ожидать, если вы живете в районе, например, со средней годовой скоростью ветра 8 миль в час. Данные приведены как для нашего прототипа S-ротора, так и для нашего большого нового ротора. Ед. изм.

Если вам интересно, почему большой S-образный ротор имеет такую ​​высокую выходную мощность, ответ заключается в том, что мы подключили к нему четыре генератора переменного тока. Обычно двух было бы достаточно, но мы добавили еще два в качестве тормозов. Таким образом, когда обычные ветряные устройства должны были бы отключиться из-за опасно высокой скорости ветра, наше устройство может продолжать потреблять столько энергии, сколько может обеспечить несущаяся масса воздуха.

Цена на всю эту мощность на удивление невысока. Поскольку S-образный ротор может быть изготовлен из легкодоступных материалов, его стоимость почти всегда будет меньше 100 долларов (без учета батарей или инвертора.Последний, если требуется, тот же тип, что используется в обычной системе.) Мы намеренно закупили все детали, которые вошли в наш прототип — генератор переменного тока, шестерни и цепь, подшипники, трубу, шток, винты, болты, рым-болты, растяжку. , талрепы, краска и морилка (плюс разные пружины, проволока и т. д.) — и потрачено всего 103 доллара. Наш второй, более крупный ротор стоил вдвое меньше, потому что у нас уже было большинство необходимых деталей, кроме подшипников, шестерен и цепи.

Я исключил батареи из своей оценки затрат, потому что выбор типа и размера аккумуляторных ячеек для использования в этой или любой ветроэнергетической системе — это вопрос, требующий много размышлений.Я считаю, что Джим Сенсенбо (март / апрель 1973 г.) является веским аргументом в пользу своего решения купить никель-кадмиевые (никель-кадмиевые), и я тоже их рекомендую. Однако на первых порах мы остановимся на свинцово-кислотных аккумуляторах из-за специальной недорогой сделки, которую мы смогли заключить с местной авторемонтной мастерской. (Бывшие в употреблении батарейки, как и мусор, являются растущим ресурсом.)

Наша система зависит от сотрудничества с парнем, который управляет верфью (мы даем ему залог в размере 10 долларов США, чтобы застраховать его, что его не ограбят).Работа нашего друга — проверять входящие батареи и звонить нам, когда у него есть емкость 100 ампер-часов или выше. Мы берем устройство и оставляем его на неделю для тщательных испытаний с помощью ареометра, тестера напряжения ячеек, зарядного устройства и фиктивной нагрузки, которая разряжает устройство с известной скоростью.

Если батарея проверяет исправность, мы платим за нее дворнику 2 доллара США. В противном случае мы возвращаем его на утилизацию через его обычную торговую точку (которая платит всего 1,25 доллара США). Нам нужно десять из 12-вольтных накопителей для нашей системы, и мы получаем их все за 20 долларов.00 плюс 5 долларов США первоначального депозита, который поступает дилеру, если он найдет нам нашу квоту в течение определенного периода времени. Если он этого не сделает, мы заберем 10 долларов. Продавец не может проиграть и часто выигрывает, и мы всегда получаем хороший аккумулятор без риска и по низкой цене.

Правильный уход и использование свинцово-кислотной аккумуляторной батареи — если она в хорошем состоянии для начала — продлит срок службы аккумуляторной батареи во много раз по сравнению с тем же аккумулятором в автомобиле. Это касается всех типов: даже никель-кадмиевые батареи не прослужат долго, если они не будут правильно заряжены, разряжены и обслуживаются.

НАСОС S-РОТОРА
Хотя я описал ротор Савониуса только как генератор электроэнергии, это устройство уже давно применяется для перекачивания воды. Мы особенно довольны разработанной в Канаде насосной системой с S-образным ротором, разработанной Исследовательским институтом Брейса, колледжем Макдональда Университета Макгилла, Сент. Анн де Бельвю 800, Квебек, Канада.

---

Первоначально опубликовано: март / апрель 1974 г.

Проектирование, сборка и экспериментальные испытания ветряной турбины типа Савониуса

И.ВВЕДЕНИЕ

WIND energy — это возобновляемый источник энергии, который можно использовать для преобразования с помощью механических устройств, таких как ветряная турбина, где он преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию оси [1] [2]. В основном есть две большие группы ветряных турбин, которые были разработаны для такого процесса и классифицируются в соответствии с ориентацией вала турбины. Это турбины с вертикальной осью и турбины с горизонтальной осью [3]. Турбины с горизонтальной осью, которые используются в большинстве ветряных электростанций, состоят из фундамента, башни, гондолы с силовой передачей, ротора и лопастей.

Согласно Руководству по технологии Mini-Wind [4], в случае ветряных турбин с горизонтальной осью ротор может быть наветренным, то есть в направлении падения ветра перед башней, или с подветренной стороны, в которой Корпус ротора расположен за башней при преобладающем направлении ветра. Большинство ветряных турбин имеют ротор, обращенный к наветренной стороне башни, что означает, что для них требуется некоторая система наведения. В случае ротора с подветренной стороны, ротор является самоориентирующимся, что упрощает его конструкцию.

Турбины с горизонтальной осью более эффективны, чем турбины с вертикальной осью, более надежны, дешевле и есть из множества продуктов на выбор. Однако им трудно поддерживать непрерывную ориентацию, и их эффективность снижается из-за работы в турбулентном режиме.

Турбины с вертикальной осью ориентированы в преобладающем направлении ветра из-за их симметрии, менее чувствительны к условиям высокой турбулентности и производят меньше вибраций, что делает их идеальными для интеграции в жилые, городские и даже здания [5].С другой стороны, их эффективность ниже по сравнению с горизонтальной осью, и они не очень хорошо зарекомендовали себя, поскольку сейчас находятся в полной разработке. Вертикальные турбины бывают двух типов: тормозные и подъемные. Первый менее эффективен, но обычно менее надежен.

Внутри турбин с вертикальной осью находятся турбины типа Савониуса, которые используются для преобразования энергии ветра в крутящий момент на вращающейся оси. «Турбины с вертикальной осью были изобретены финским инженером Сигурдом Дж.Савониуса в 1922 году «, они могут запускаться при низкой скорости ветра, их очень легко изготовить; они имеют небольшую скорость поворота и относительно низкие характеристики.

В исследовательской работе особое внимание уделяется проектированию физических компонентов ветряной турбины типа Савониуса на основе конструктивных параметров этого типа роторов и параметров, которые характеризуют использование энергии ветра, таких как скорость ветра, плотность воздуха в регионе и турбулентность. После выбора окончательной концепции и размеров ветряной турбины выполняется моделирование и симуляция ротора.В дальнейшем конструкция ветряной турбины выполняется по полученным планам и, наконец, проводятся экспериментальные испытания в лаборатории.

II. Расчетные параметры ветроэнергетической установки типа Savonius

Было проведено несколько исследований [6], [7], [8], касающихся изучения характеристик ротора Савониуса при различных геометрических конфигурациях его ротора. Эти исследования были выполнены на основе численного вычислительного анализа с использованием преимуществ использования CFD (вычислительной динамики жидкости) и экспериментальных испытаний в аэродинамических трубах.Различные конфигурации, которые разрабатывались с течением времени, были направлены на улучшение характеристик аэродинамических характеристик ротора Савониуса. Вот почему геометрическая конфигурация является фундаментальной с точки зрения ее производительности, конфигурация, которая была указана для ротора Савониуса, определяется следующими конструктивными параметрами ротора:

• Соотношение сторон ротора.

• Площадь, охватываемая лопастями ротора.

• Геометрическая форма лопастей (профиль, длина троса).

• Взаимосвязь перекрытия и расстояния между лопастями.

• Количество лопастей и ступеней.

• Прочие дополнительные компоненты конструкции ротора (ось, эффект паруса-флага, опорная конструкция и т. Д.).

Геометрическая форма лопастей будет иметь полукруглый профиль, который будет получен из трубы ПВХ диаметром 6 дюймов, сохраняя традиционную форму лопастей ротора Савониуса.На рис. 1 показан профиль лезвия с его размерами.

Рис. 1.
Профиль лезвия.
[7]

Отношение перекрытия — это безразмерный параметр, который связывает перпендикулярное расстояние между крестом и центром вращения с длиной линии хорды, которая задается как (1) [8]:

(1)

Где — расстояние между внутренними концами лезвий, которые имеют перекрытие, и соответствует значению диаметра полуцилиндрического лезвия, который, в свою очередь, совпадает с длиной каната.На рис. 2 схематически показаны сказанные отношения.

Таким образом, коэффициент перекрытия является конструктивным параметром ротора Савониуса, несколько авторов изучили оптимальное соотношение перекрытия для роторов с 2 лопастями, что является частным случаем настоящего исследования. Согласно Menet, J et al. [7] коэффициент перекрытия в двухлопастном роторе находится в диапазоне от 0,15 до 0,3 длины лопасти.

Рис. 2
Схема геометрических параметров и степени перекрытия для двухлопастного ротора.
[8]

Соотношение сторон — это безразмерный параметр, который включает в себя высоту ротора H и диаметр круга, который образуется при вращении концов лопастей, называемый диаметром ротора D. На рисунке 3 показаны геометрические значения ротора, где соотношение сторон видно.

Рис. 3.
Соотношение сторон ротора.
[9]

Уравнение, связывающее высоту ротора H с диаметром ротора D, дается формулой (2) [9]:

(2)

Рабочая площадь ротора обычно определяется как площадь выступа, которая образуется во время вращения лопастей.В случае ротора типа Савониуса площадь проецирования соответствует площади прямоугольника. Это можно увидеть на Рисунке 4, который схематически представляет проекцию этой области.

Рис. 4.
Изображение рабочей области ротора Савониуса.
[6]

Таким образом, расчет площади, охватываемой ротором Савониуса, будет дан по формуле (3) [10]:

(3)

Определение размеров конечных пластин ротора выполняется на основе критериев, предложенных Akwa et al.[6], в котором говорится, что толщина конечных пластин должна быть минимальной по отношению к высоте ротора. Он также рекомендует значение в 1,1 раза больше диаметра ротора для расчета диаметра конечных пластин. Вот как уравнение для расчета диаметра конечных пластин дается формулой (4) [6]:

(4)

Значение конечной толщины листа зависит от материала материала и момента инерции ротора.Торрес, Даниэла М. [11] составила матрицу решений для выбора материала лопастей и концевых пластин, из которых она выбрала в качестве наилучшего варианта оцинкованный лист калибра 16, который соответствует толщине 1,52 мм. Количество лопастей является фундаментальным структурным параметром, который определяет производительность ротора Савониуса, как указано выше. Роторы двух лопастей имеют большее изменение крутящего момента, создаваемого на оси, по сравнению с роторами трех или более лопастей; это изменение представлено, поскольку для двухлопастного ротора угол разделения между ними составляет 180 °, таким образом, каждые 180 ° предоставляется максимальный крутящий момент, поскольку сила, воспринимаемая лопатками турбины, является максимальной в этой точке.Это можно увидеть на кривой зависимости крутящего момента от угла атаки, представленной Хади [10], которая показана на рис. 5.

Рис. 5
Изменение статического момента в зависимости от угла атаки турбины Савониуса с двумя лопастями
[10]

Что касается ротора с тремя или более лопастями, изменение крутящего момента по отношению к углу атаки воздушного потока имеет тенденцию быть более постоянным, что также позволяет управлять высокими передаточными числами на концах. В частном случае конструкции ротора, который будет выполнен, был выбран двухлопастной ротор, поскольку, хотя крутящий момент имеет большее изменение в зависимости от угла атаки, кривая коэффициента мощности в функции передаточного числа на концах представляет более высокие значения коэффициента мощности.Следующая кривая, рис. 6, показывает сравнение кривых коэффициента мощности как функции скорости ветра.

Рис.6
Кривые мощности в зависимости от скорости ветра ротора с 2, 3 и 4 лопастями
[9]

Ступени ротора Савониуса представляют собой наложение простых роторов Савониуса, где они не совпадают по фазе под определенным углом [12], что видно на рис. 7.

Рис. 7.
Роторы Савониуса с разными ступенями
[12]

В данной конструкции рассматривается двухступенчатый ротор, поскольку, помимо преимуществ уменьшения флуктуаций момента, в основном рассматриваются многоступенчатые роторы для двухлопастных роторов.

На рис. 8 показан коэффициент мощности как функция скорости ветра для двухступенчатых роторов с 2, 3 и 4 лопастями.

Начальным параметром при проектировании турбины является скорость свободного ветра. Вот почему важно расположение турбины. Согласно Атласу ветра [13], средняя скорость ветра в муниципалитетах Гуатика и Кинчия составляет примерно 8 м / с. Эти площадки являются подходящими местами в департаменте Рисаральда для размещения ветряной турбины Савониуса, учитывая ее близость и которые могут стать испытательными площадками для этого типа ветряных турбин.Среднегодовая скорость ветра в Технологическом университете Перейры по данным метеорологической единицы составляет 0,77 м / с, а согласно данным, собранным Торресом Д. [11], средняя годовая скорость метеорологической единицы в районе Мундо Нуэво составляет 3,81 м / с. на 2014 год. После проведения анализа упомянутых выше участков, скорость ветра устанавливается в качестве значения проектного параметра, так что турбина может быть пригодна для экспериментальных испытаний на любом из вышеупомянутых участков.

Рис.8
Кривые зависимости коэффициента мощности от скорости ветра для двухступенчатого ротора с 2, 3 и 4 лопастями
[9]

Коэффициент скорости наконечника TSR (λ) [14] — это безразмерный параметр, который связывает тангенциальную скорость наконечников лопасти со скоростью свободного ветра, в дополнение к отображению поведения конкретного типа ветряной турбины. , который применим для VAWT (ветряная турбина с вертикальной осью) и HAWT (ветряная турбина с горизонтальной осью), TSR упоминается в (5).

(5)

где Ω — угловая скорость ротора, R — расстояние от центра вращения ротора до кончика лопасти. Число Рейнольдса — это безразмерный параметр, используемый при изучении потока жидкости через турбомашины и проточные системы, который связывает силы инерции с силами вязкости [12]. Для ветряной турбины типа Савониуса число Рейнольдса определяется в уравнении (6).

(6)

Где ρ — плотность воздуха, — скорость свободного ветра, D — диаметр ротора, а μ — динамическая вязкость.

Число Рейнольдса играет очень важную роль в экспериментах с ветряными турбинами в аэродинамической трубе при оценке их аэродинамических характеристик, такие авторы, как Ниаз [15], провели исследование, посвященное влиянию числа Рейнольдса на аэродинамические характеристики трехлопастного двигателя Савониуса. турбина с различными коэффициентами перекрытия, в которых выражается следующее: для высоких чисел Рейнольдса смоделированная турбина без радиуса перекрытия дает лучшие аэродинамические коэффициенты, с другой стороны, для низких чисел Рейнольдса модель с умеренным радиусом перекрытия дает лучшие результаты.

III. КОНСТРУКЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ ТИПА SAVONIUS

Поток воздуха, проходящий через ротор, вызывает силы на лопасти и различные элементы, составляющие опорную конструкцию. Определение нагрузок, создаваемых воздушным потоком, основано на изучении поведения потока и применении различных теорий, полученных при анализе количества движения. Таким образом, анализ различных сил, действующих на турбину, удобно рассматривать отдельно, выполняя аэродинамический анализ, а затем учитывать силы, которые передаются между различными элементами.

По установленным конструктивным параметрам перечисляются комплектующие, из которых будет состоять данное устройство:

Ниже приводится краткое описание уравнений, использованных при проектировании физических компонентов турбины:

КОНСТРУКЦИЯ РОТОРА: Проектирование дерева включает следующие этапы согласно Ванегас, Л [16]:

• Выбор материала.

• Конструктивный дизайн.

• Проверка устойчивости: статической, усталостной и динамической нагрузкам.

• Проверка жесткости: прогиб при изгибе и крутизна упругой деформации при кручении.

• Модальный анализ.

Выбор материала вала. Чаще всего при изготовлении валов используется сталь с низким или средним содержанием углерода. Этот материал рекомендуется для устойчивости к динамическим нагрузкам, поскольку он имеет предел выносливости и позволяет выдерживать многие циклы нагрузки.Если требуются дополнительные свойства, такие как коррозионная стойкость, должна быть выбрана сталь, свойства которой обеспечивают устойчивость к требуемым характеристикам.

Расчет веса ротора. Вес ротора определяется по сумме индивидуальных весов каждого из составляющих элементов.

Лопасти, как определено в части предварительного проектирования, будут изготовлены из материала ПВХ, последние пластины, составляющие ротор, из холоднокатаного стального листа AISI / SAE 1020 и панели, являющиеся частью ротора, из акрилового материала.Общий вес ротора определяется по (7).

(7)

Расчет диаметра вала ротора. Расчет диаметра вала ротора будет производиться на основе теории конструкции вала, рекомендованной Vanegas, L [16]. Поскольку вал совершает вращательное движение, нагрузки, которые он должен выдерживать, меняются во времени. Вот почему применяются расчетные уравнения теории усталости. При анализе усталости вала существует три метода, которые позволяют рассчитать диаметр вала, необходимый для адекватного сопротивления динамическим нагрузкам.Это следующие методы:

Метод фон Мизеса [16] применяется для этого случая после того, как были определены различные аэродинамические нагрузки в роторе, из которых можно получить требуемый диаметр вала для выдерживания динамических нагрузок с течением времени, это показано ниже в (8 ).

(8)

Где напряжения _T и _D можно рассчитать следующим образом:

Автор
Автор

Важно уточнить, что необходимо выполнить несколько проверок сопротивления вала, таких как устойчивость к вибрациям, жесткость, модальный анализ и т. Д., как установлено ранее.

Выбор подшипников ветряных турбин: на основании диаграмм силы сдвига и изгибающего момента можно определить радиальные нагрузки, которые должны нести опоры вала, то есть подшипники. Кроме того, подшипник, расположенный в нижней части, должен выдерживать осевую нагрузку, соответствующую весу ротора. Следовательно, значения реакций в опорах дерева равны:

Автор

Определение эквивалентной радиальной динамической нагрузки: из-за опор подшипников A и D, опорных радиальных и осевых нагрузок необходимо преобразовать эти значения нагрузки в одно значение радиальной нагрузки, которое повлияет на срок службы эквивалентной выдерживая действительную прилагаемую нагрузку, эта нагрузка известна как «эквивалентная радиальная динамическая нагрузка» [17], которая определяется по (9).

(9)

F _r : фактическая радиальная нагрузка [Н], F _a : фактическая осевая нагрузка [Н], X: коэффициент радиальной нагрузки, Y: коэффициент осевой нагрузки.

Оценка сопротивления лезвия: как указано в предварительном проекте, лезвия изготовлены из трубы ПВХ диаметром 6 дюймов. На основании этих размеров и материала необходимо оценить сопротивление лезвия, поэтому для его анализа берется лезвие, которое находится в нижняя ступень является наиболее важной для поддержки сил сопротивления и весовых нагрузок.По схеме нагружения и нахождению наиболее ответственного участка была проведена проверка сопротивления разрыву и раздавливанию:

° Расчет напряжения отрыва [16]: Он определяется по (10):

(10)

b ₁ : Расстояние от края лезвия до периферии отверстия [м], получается из плоскостей, l ₁ : Толщина оцениваемого материала [м].

° Сопротивление раздавливанию [16]: Сопротивление раздавливанию определяется по (11):

(11)

Конструкция болтов ротора [16]: крепежные элементы, которые используются для соединения лопастей с конечными пластинами и вала с лопастями, представляют собой болты, подверженные статическим нагрузкам, поэтому применяются теории расчета комбинированных статических нагрузок.Теория октаэдрического напряжения сдвига применяется к одной из точек, подверженных нормальному напряжению, а другая — напряжению сдвига, с помощью уравнения 12.

(12)

КОНСТРУКЦИЯ КОНСТРУКЦИИ: Конструкция ветряной турбины будет состоять из двух ферм и шести балок, четыре из которых являются нагруженными балками и поддерживают ротор, а две другие балки являются ненагруженными балками, поскольку они обеспечивают устойчивость и жесткость конструкции. Это должно обеспечивать сопротивление нагрузкам, которым будет подвергаться турбина (ветровые нагрузки, весовые нагрузки той же конструкции и ротора), жесткость, малый прогиб элементов и минимальную турбулентность воздушного потока, входящего в ротор.Поскольку конструкция будет образована двумя боковыми фермами, соединенными балками, все ее составляющие элементы должны быть спроектированы, поэтому при проектировании конструкции основное внимание уделяется анализу ферм, анализу балок, а затем и проектированию соединительных элементов. .

Нагрузки, которые поддерживает конструкция. Основным элементом ветряной турбины является ротор, который должен быть этим, компонент, который поддерживает различные типы нагрузок, которые, в свою очередь, передают их конструкции, с другой стороны, сама конструкция создает нагрузки (собственный вес этого), которые поэтому необходимо учитывать все возможные нагрузки.Первоначально определяется собственный вес конструкции.

Ферменная конструкция. Конструкция фермы состоит из определения размеров ее структурных профилей и оценки их поведения в отношении сопротивления, устойчивости и прогиба. Геометрическая форма фермы складывается из несущих профилей, соединенных в узлах скобами, что показано на рис. 9.

Рис. 9.
Профиль фермы с узлами, названными в соответствии с указанной номенклатурой в Autodesk Simulation Mechanical (размеры в мм).
Автор

Схема конструкции свободного тела показана на рис. 10.

Рис. 10.
Схема свободного тела фермы.
Автор
Рис. 11
Расчет конструкции фермы с помощью компьютерной программы Autodesk Simulation Mechanical
Автор

Затем выполняется анализ фермы с помощью компьютерной программы Autodesk Simulation Mechanical, которая предоставляет числовые значения реакций в опорах, внутренних нагрузок, которым подвергается каждый элемент (профиль конструкции), и способ, которым ферма может деформироваться.На рис. 11 показан анализ фермы, на котором показаны осевые внутренние нагрузки каждого элемента, они также пронумерованы и обозначают элементы и узлы посредством номеров.

Расчет элементов или конструктивных профилей фермы. Основываясь на силах растяжения или сжатия, которые поддерживают элементы ограждения, мы переходим к определению напряжений, вызванных внутренними нагрузками в каждом элементе, учитывая, что каждый элемент, образующий конструкцию, поддерживает осевые нагрузки, которые создают нормальные напряжения тяги и сжатия [ 16].Поскольку конструкция не выдерживает временных нагрузок, ее размер невелик по сравнению с конструкциями крыши, а поскольку большая часть нагрузок является статической, она рассчитывается на основе уравнения нормальных напряжений, приведенного в (13).

(13)

S _E : Нормальное напряжение, поддерживающее элемент [Па], F _{A, I} : внутренняя осевая нагрузка в элементе [Н], A _E : минимальная площадь поперечного сечения элемента [м2].

Расчетное уравнение элементов, подверженных простым статическим нагрузкам, определяется уравнением 14:

(14)

Где S — максимальное напряжение, которому подвергается элемент.Это уравнение можно использовать с пределом текучести или с предельным напряжением материала, в этом случае сопротивление ползучести учитывается в уравнении 14, чтобы избежать разрушения из-за пластической деформации.

Расчет нагруженной балки. Расчет нагруженной балки выполняется на основе приведенного выше расчетного уравнения, в котором нагрузки, поддерживаемые балкой, создают нормальные изгибающие напряжения. Судя по диаграммам изгибающих моментов, критическая точка находится в середине балки, где опирается подшипник.

При расчете нормального напряжения получаем:

(15)

Конструкция соединительных элементов конструкции не представлена, но все ее размеры также важны для строительной части.

Моделирование ветряной турбины с использованием вычислительного инструмента solidworks: был представлен весь процесс проектирования физических компонентов ветряной турбины, основанный на применении различных теорий проектирования для различных условий нагрузки составляющих элементов.Благодаря процессу проектирования были определены необходимые размеры составляющих элементов, обеспечивающие адекватное механическое сопротивление нагрузкам, минимальные деформации и устойчивость опорной конструкции, а также выбор соответствующих материалов для каждого элемента, форм соединения или объединение, функциональность, эстетика и производственные затраты. Определенные таким образом размеры и форма элементов были смоделированы с помощью вычислительного инструмента Solidworks. Процесс моделирования состоит из получения 3D каждого элемента компонента, придающего ему соответствующую форму и требуемые размеры.Впоследствии процесс сборки проходит через инструменты, предоставляемые программой, такие как позиционные отношения. Общая сборка ветряка представлена ​​на рис. 12.

Рис. 12.
Объемный вид общей сборки ветряной турбины.
Автор

Моделирование воздушного потока через ротор ветряной турбины Савониуса: Сначала выполняется динамическое моделирование ротора ветряной турбины, для этого требуется твердотельное моделирование ротора, и как только оно будет получено, необходимо определить объем контроля, который охватывает ротор, и именно там определенные граничные условия устанавливаются как различные термодинамические свойства (давление, температура, энтальпия и т. д.). Другой областью анализа является вращающаяся область, в которой определены поверхностные цели, понимаемые как термодинамические свойства или динамические переменные, которые желательно установить во время разработки анализа. Атмосферное давление и средняя температура в помещении были соответственно определены как 86 кПа и 21 ° C, кроме того, скорость ветра для анализа рассчитана на 8 м / с, как и при проектировании.

Градиенты давления, показанные на рис.13 в различных вогнутых и выпуклых частях ротора создают результирующие силы сопротивления в каждой части ротора, которые, действуя на расстоянии, создают чистый крутящий момент, который, в свою очередь, позволяет вращать ротор. Чтобы получить лучшее представление о распределении давления в роторе и более точное приближение, выполняется анализ внешнего потока со статическим ротором.

Рис. 13
Распределение давления в роторе во внешнем потоке.
Автор

На предыдущем рисунке видно, что наибольшее давление (желтые линии) прикладывается к вогнутой части лопасти ротора.Распределение давления также можно увидеть на плане этажа, показанном на рис. 14.

Рис. 14.
Распределение давления в плоскости ротора.
Автор

Анализируя распределение давлений, было замечено, что наибольшее давление создается на вогнутой стороне лопасти, а в выпуклой части распределяется более низкое давление. Этот перепад давления и, следовательно, разница в силах сопротивления на лопастях приводит к тому, что крутящий момент, создаваемый силой сопротивления на вогнутой стороне, будет больше по сравнению с крутящим моментом, создаваемым силой сопротивления на выпуклой стороне, что позволяет вращать лопасти. ротор дан.Кроме того, для этого случая распределение скоростей на плане этажа для статического случая ротора представлено на следующих рисунках.

На рисунках 15 и 16 видно, что геометрическая конфигурация ротора Савониуса (перекрытие) способствует циркуляции воздуха от одной лопасти к другой, тем самым увеличивая его индуцированный крутящий момент, поскольку часть циркулирующего воздуха увеличивает сила сопротивления в каждой вогнутой части. В ходе анализа были определены другие динамические переменные и термодинамические свойства, такие как силы, действующие на лопасти, крутящий момент и плотность воздуха.В следующей таблице представлены значения динамических переменных и термодинамических свойств.

Рис. 15.
Распределение скорости в плоскости ротора для РН ступени φ = 0 °.
Автор
Рис. 16
Распределение скоростей в плоскости ротора для положения φ = 90 ° нижней ступени.
Автор

ТАБЛИЦА I

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ДИНАМИЧЕСКИМ АНАЛИЗОМ ЖИДКОСТИ ДЛЯ РОТОРА БЕЗ ПАНЕЛЕЙ.

Динамические переменные и термодинамические свойства	Минимальное значение	Максимальное значение	Среднее значение	S.Я Unity
Полное давление	86036,76	86036,77	86036,77	Па
X-скорость	0,004	0,005	0,004	м / с
y- скорость	0,018	0,019	0,018	м / с
z-скорость	7,483	7,484	7,483	м / с
Нормальная сила по оси Z	7.3
Статический крутящий момент (ось y)	0,395	0,396	0,396	Нм
Динамический крутящий момент (ось y)	0,233	0,272	0,242	Нм

Автор

Согласно результатам, представленным в таблице I, можно выразить, что скорость воздуха в роторе представляет собой только один преобладающий компонент вдоль оси координат z (направление ветра), а в остальных значениях значения равны нулю, что означает одномерный поток.Вследствие этого сила, оказываемая потоком воздуха на ротор, имеет составляющую по оси координат z, в направлении потока воздуха остальные составляющие силы равны нулю. Что касается крутящего момента, он представляет собой значение в отрицательном направлении оси координат.

V. ФИЗИЧЕСКАЯ СБОРКА ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ SAVONIUS

Процесс резки рамной пилой использовался для придания требуемых размеров различным структурным профилям. Эти размеры были получены в процессе проектирования и отражены в плане конструкции, где указанные размеры были гарантированы с использованием метра и квадратов.Таким же образом этим инструментом были вырезаны углы конструкции, ротора и трубы из ПВХ для получения лопастей. Механические ножницы использовались на протяжении всего процесса разрезания жабр для придания требуемых размеров. С другой стороны, круглая форма конечных пластин была получена благодаря кислородно-топливной технологии. В таблице II представлен процесс резки металлов кислородным топливом.

ТАБЛА II

МАТЕРИАЛЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СБОРЕ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ.

Тип элемента	Размеры и характеристики	Материал	Процесс получения
Трубчатый конструкционный профиль квадратного сечения	Длина 26 мм x 26 мм x 6 м	Сталь AISI SAE 1020	Холоднокатаный (холодное ламинирование)
Лист стальной	толщиной 3 мм	Сталь AISI SAE 1020	Холоднокатаный (холодное ламинирование)
Угловая соединительная конструкция	38 мм (равные крылья) x 1 м длина, толщина 2 мм	ASTM A36	ламинирование
Угловая соединительная пластина лезвия	20 мм (равные крылья) x 1.Толщина 5 мм	ASTM A36	ламинирование
Соединительные болты конструкции	Номинальный диаметр 1/4 «, количество витков на дюйм 20	Сталь AISI SAE 1020	Промышленный процесс
Вал ротора	Диаметр 5/8 «	Сталь AISI SAE 1020	Холодное ламинирование
Готовые блюда	Калибр 14	Сталь AISI SAE 1020	Холодное ламинирование
лезвия	Диаметр 6 дюймов x длина 1 м.	ПВХ	Промышленный процесс
Панель	Панели 490 мм x 300 мм x 2,5 мм толщиной	Акрил	Промышленный процесс
подшипник	UCF 201-8	сталь	Промышленный процесс
петля	Арт. 3 IMDUMA	сталь	Промышленный процесс

Автор

Главный вал ротора требует определенных размеров в соответствии с технологическим процессом.Затем дерево было подвергнуто токарной обработке с его начальными размерами, чтобы привести его к указанным размерам. Во время механизации дерева возникла необходимость использовать лицевую панель для поддержки дерева из-за его длины 1,5 м. Использование калибратора и микрометра в качестве измерительных элементов необходимо для обеспечения требуемых размеров указанного механического элемента.

Сверлильные работы позволили просверлить отверстия в элементах конструкции, кронштейнах, уголках, лопастях, дереве и концевых плитах.Эти отверстия позволят пройти через них соединительным болтам конструкции и ротору, где регулировка между болтом и отверстием совпадает с зазором. Возникла необходимость в изготовлении различных узлов для выполнения всех необходимых буровых работ. Монтаж, который производился для процесса сверления в лаборатории станков

После выполнения всех необходимых производственных операций проводится окончательная сборка, которую можно увидеть на рис. 17

Рис 17.
Сборка ветряка.
Автор

VI. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ SAVONIUS

Экспериментальные испытания проводились на ветряной турбине без панелей, для которых измерялись скорость ветра, угловая скорость ротора и статический крутящий момент, соответствующие разным скоростям ветра. Испытания проводились в аэродинамической трубе Лаборатории жидкостей и гидравлических машин Технологического университета Перейры в сотрудничестве с инж. Ямал Мустафа Иза М.Sc., У которого с помощью преобразователя частоты можно изменять угловую скорость, что означает переменную скорость ветра. Для измерения экспериментальных данных во время испытаний использовались следующие измерительные приборы:

° Анемометр модели AM-4206, разрешение для измерения скорости ветра 0,01 м / с и разрешение для измерения температуры 0,1 ℃. Данные о скорости ветра измеряются на расстоянии 70 см от ротора.

° LT Тахометр Lutron DT 2236, разрешение 0.1 об / мин.

Полученная кривая угловой скорости показана как функция скорости ветра на рис. 18.

Рис. 18.
Угловая скорость как функция скорости ветра.
Автор

Кривая, полученная из зависимости крутящего момента от скорости ветра, показана на рисунке 19. В этом случае крутящий момент измеряется статически, с той разницей, что в этом случае ветер воздействует на ротор с разными скоростями, обеспечивая баланс между ротором и ротором. добавление различных противовесов.

Рис. 19.
Крутящий момент для ротора как функция скорости ветра.
Автор

На рис. 20 показана механическая мощность как функция скорости ветра, для этого случая механическая мощность была определена теоретически из экспериментальных данных статического крутящего момента и угловой скорости ротора, соответствующих таблице 8.3. Определение механической мощности определяется по (16)

(16)
Рис. 20.
Механическая мощность как функция скорости ветра.
Автор

VII.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Согласно табулированным экспериментальным данным, можно выразить следующее:

• На кривой на рис. 18 можно увидеть линейную зависимость между скоростью ветра и угловой скоростью ротора, что подтверждает TSR (коэффициент конечной скорости). С другой стороны, угловая скорость ротора без панелей намного выше, чем у ротора с панелями, потому что панели увеличивают инерцию системы, а также ограничивают движение.

• Поведение данных кривой крутящего момента на рисунке 19 в зависимости от скорости ветра имеет функциональную зависимость порядка 2.

• График на рисунке 20 показывает поведение данных механической мощности в зависимости от скорости ветра, при котором наблюдается кубическая тенденция. Это то, что ожидается, поскольку теоретически механическая мощность ветряной турбины зависит от куба скорости ветра.

VIII.ВЫВОДЫ

• Были охарактеризованы параметры энергии ветра, особенно изменчивость скорости ветра на всей национальной территории Колумбии.

• Данные, взятые с метеорологического блока потолка машиностроительного факультета, показали, что средняя скорость ветра составляет 1 м / с, поэтому данная площадка не подходит для установки этого типа ветряных турбин. Места в прибрежных районах Колумбии представляют собой хороший ветровой потенциал для использования этого вида энергии.

• Конструкция ветряной турбины была основана на изученных научных статьях, изученных теориях и опыте других авторов.

• Прикладные теории проектирования позволили выбрать подходящие материалы и требуемые размеры, получить физическую модель, гарантирующую условия эксплуатации, в которых она была спроектирована.

• Моделирование ветряной турбины было разработано с помощью компьютерного инструмента Solidworks на основе размеров, полученных в процессе проектирования.

• Анализ поведения потока позволил узнать распределение давлений в лопастях, эффект перекрытия, поле скорости на роторе и крутящий момент, создаваемый силами сопротивления.

• Для физической сборки ветряной турбины Савониуса были выполнены различные производственные процессы.

• Экспериментальные испытания турбины с осевым вентилятором аэродинамической трубы были разработаны в лаборатории жидкостей и гидравлических машин факультета машиностроения Технологического университета Перейры.

Благодарность

Мы благодарим и признаем огромную работу, которую каждый из преподавателей, администраторов, рабочих и студентов Технологического университета Перейры проделал для предоставления нам своих знаний, обучения, времени, услуг, сотрудничества и дружбы на этапе академического образования и Профессиональный инженер-механик.

ССЫЛКИ

[1] Н. Вон. «Введение в возобновляемые источники энергии» США: Бока-Ратон CRC: Press Taylor & Francis group, 2011, 350p.ISBN 13: 978-1-4398-9120-9. [Онлайн]. Доступно: https://www.loot.co.za/product/vaughn-c-nelson-introduction-to-renewable-energy/pvnj-2740-ga50.

[2] Р. Хью. «Энергия ветра, генерация ветра» [Онлайн]. Доступно: http://web.ing.puc.cl/~power/paperspdf/CapituloEolico.pdf.

[3] Э. Х. Лизен, «Введение в энергию ветра», Энергия ветра. Консультационные услуги по ветроэнергетике в развивающихся странах. 2-е изд. Нидерланды: 1983, 311 с.

[4] Д. Б. Санс, И. Круз.«Руководство по малой ветроэнергетике», Arias Montano Graphics. Мадрид: 2012. 118 стр. [Онлайн]. Доступно: https://www.fenercom.com/publicacion/guia-sobre-tecnologia-minieolica-2012/

[5] Аракуан. Область турбулентности вокруг здания [онлайн]. Доступно: http://www.aracuan.com.ar/turbulencia.htlm.

[6] Дж. В. Аква, Х. А. Вильмо и А. П. Петри. «Обзор производительности ветряных турбин Savonius», обзоры ScienceDirect, возобновляемой и устойчивой энергетики. Стр. 3054-3064, июня 2012 г., 16 (2012) 3054– 3064, [Online].DOI: 10.1016 / j.rser.2012.02.056

[7] J. L. Menet, N. Bourabaa. «Повышение эффективности роторов Савониуса за счет параметрического исследования», Ecole Nationale Superieure d’ingenieurs en Informatique Automatique Mecanique Énergetique Électronique de Valenciennes ENSIAME, [онлайн].

[8] Ф. Венехенубун, А. Сапутра и Х. Сутанто. «Экспериментальное исследование характеристик ветряных турбин Savonius, связанных с количеством лопастей», ScienceDirect, 2-я Международная конференция по разработке и применению устойчивой энергетики, ICSEEA 2014, 68 (2015) 297–304, [онлайн].DOI: 10.1016 / j.egypro.2015.03.259.

[9] А.А. Кадам, С.С. Патил. «Обзорное исследование ветровых роторов Савониуса для получения доступа к энергетическим характеристикам», Журнал IOSR по машиностроению и гражданскому строительству, стр. 18-24, Вторая национальная конференция по последним достижениям в машиностроении 18 | Пейдж M.E.Society’s College of Engineering, Pun [Online]. Доступно: https://www.researchgate.net/publication/281899860_A_Review_Study_on_Savonius_Wind_Rotors_for_Accessing_the_Power_Performance.

[10] М.Х. Али. «Экспериментальное сравнительное исследование для ветряной турбины Савониуса с двумя и тремя лопастями при низкой скорости ветра», Международный журнал современных инженерных исследований IJMER, Vol. 3, вып. 5, pp. 2978-2986, октябрь 2013 г., [Online]. Доступно: http://www.ijmer.com/papers/Vol3_Issue5/CJ3529782986.pdf

[11] Д. Торрес. «Конструкция ветрогенератора с вертикальным валом малой мощности. Дипломная работа, факультет машиностроения, Технологический университет Перейры, Перейра, Рисаральда, 2015 [онлайн]. Доступно: репозиторий.utp.edu.co/dspace/handle/11059/5145.

[12] J. A. Menet. «Двухступенчатый ротор Савониуса для местного производства электроэнергии: проектное исследование», ScienceDirect, февраль 2004 г., [онлайн]. DOI: 10.1016 / j.renene.2004.02.011

[13] Колумбия. блок планирования добычи энергии EMPU. Институт гидрологии, метеорологии и экологических исследований IDEAM. Атлас ветровой и ветровой энергии Колумбии, 2006 г. [онлайн]. Доступно: http://www.upme.gov.co/Atlas_Viento.htm.

[14] Дж. Ф. Манвелл, Дж.Дж. Макгоуэн. «Объяснение ветровой энергии. Теория, дизайн и применение », Концепции мировой энергетики. 2-е изд. США: Wiley, 2010, стр. 1-100. [онлайн]. Доступно: http://ee.tlu.edu.vn/Portals/0/2018/NLG/Sach_Tieng_Anh.pdf.

[15] К. Н. Моршед, М. Рахман и Г. Молина. «Испытания в аэродинамической трубе и численное моделирование аэродинамических характеристик трехлопастной ветряной турбины Савониуса», Международный журнал энергетики и экологической инженерии, 2013 г. [онлайн]. Доступно: https://link.springer.com/article/10.1186 / 2251-6832-4-18.

[16] Л. В. Ванегас. «Проектирование элементов машин», Механическое проектирование, т. 1, 1ra Ed, Перейра, Рисаральда, Колумбия. UTP, 2016. [онлайн]. Доступно: http://blog.utp.edu.co/lvanegas/dis1/.

[17] NTN. Каталог подшипников [онлайн]. Доступно: http://www.ntnamericas.com/es/website/documents/brochures-and-literature/catalogs/bearing-units%202400-IX.pdf.

Заметки автора

1
Эдгар Алонсо Салазар Марин
Автор

родился 6 июня 1973 года в Санта-Роса-де-Кабал.(Рисаральда / Колумбия). Он инженер-механик и получил докторскую степень в Политехническом университете Каталонии в Испании (2003-2007 гг.), Он получил степень магистра машиностроения в Андском университете в Боготе (1997-1998 гг.) И степень магистра в области автоматических систем производства — UTP. (2002-2004). Он работал исследователем в Национальном центре исследований кофе (Cenicafé) с 1999 по 2000 год.

Он работал профессором технологического факультета Технологического университета Перейры с 2000 года и разрабатывал различные проекты, касающиеся возобновляемых источников энергии, таких как солнечные системы (тепловые и фотоэлектрические), солнечные транспортные средства и переход с транспортных средств внутреннего сгорания на электромобили.

2
Андрес Фелипе Родригес Валенсия Автор

родился 14 сентября 1992 года в Ла Виктория Валле (Колумбия). Он закончил бакалавриат в области машиностроения (2010-2016) в Технологическом университете Перейры (UTP). В процессе реализации карьеры был научным руководителем кафедры математики и руководителем лаборатории жидкостей и гидравлических машин. На профессиональном уровне он работал в сфере обслуживания в компании Trapiche Biobando S.A.S, где поддерживалась монтажная деятельность компании, в области добычи и переработки. Он работал в Accedo Colombia S.A.S в отделе коммерческих продаж компании. В 2017 году начал свою карьеру профессором машиностроительного факультета, руководил курсами Лаборатории статических и гидравлических машин и жидкостей. На кафедре математики он руководил курсами линейной алгебры. Он является соискателем степени магистра машиностроения в области производственных и конструкторских процессов того же университета, который окончил с 2017 года.

(PDF) Экспериментальное исследование комбинированного трехходового H-ротора с ветряной турбиной Савониуса

World Appl. Sci. J., 28 (2): 205-211, 2013

211

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 11. Ирабу, К. и Дж. Рой, 2007. Характеристики ветра

Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик Experimental Thermal and Fluid Science, 32 : 580-586.

комбинированных ветряных турбин с вертикальной осью, представленных в 12. Altan, B. and M. At lgan, 2008. Экспериментальные и

двух различных ситуаций проводятся в аэродинамической трубе.В численном исследовании по усовершенствованию

первая модель ротора Savonius является средней частью H-ротора, а в исполнении ветряного ротора Savonius Energy

вторая H-ротор является вершиной ротора Savonius. Результаты показывают «Преобразование и управление», 49: 3425-3432.

, в котором сочетаются ротор Савониуса и H-образный ротор. 13. Mohamed, MH, G. Janiga, E. Pap и D. Thévenin,

.

создает эффективную ветряную турбину, которая имеет лучший внешний вид. Оптимальная форма лопастей модифицированная пусковая способность Savonius

помимо повышенного коэффициента мощности.Это турбина, использующая препятствие, экранирующее возвращающийся

, стоит отметить, что между двумя комбинированными моделями лопасть, преобразование энергии и управление,

, первая дает более высокий коэффициент мощности, а вторая 52: 236-242.

дает большую выходную мощность. Следовательно, в соответствии с 14. Kamoji, M., S. Kedare and S. Prabhu, 2009.

вид использования может быть выбрана одна из двух моделей. Экспериментальные исследования модифицированного одноступенчатого

ЛИТЕРАТУРА 15.Хаяси, Т., Ю. Ли и Ю. Хара, 2005. Аэродинамическая труба

1. AWEA, 2001. Руководство по применению энергии ветра. США: JSME Int J., Ser B: Fluids Therm Eng., 48 (1): 9-16.

Американская ассоциация ветроэнергетики. 16. Саха, У., С. Тхотла и Д. Мэйти, 2008. Оптимум

2. Фэрли, П., 2002. Энергия ветра за гроши. Конструктивно технологическая конфигурация ротора Савониуса через ветер

Ред., Стр: 40-5. туннельные эксперименты, Journal of Wind Engineering и

3. Родман, Л.С. и Р.К. Минтемейер, 2006. Промышленная аэродинамика, 96: 1359-1375.

географический анализ размещения ветряных турбин в 17. Fujisawa, N., 1996. Измерения скорости и

Северная Калифорния. Энергетическая политика, 34: 2137-49. численные расчеты полей потока внутри и вокруг

4. Paraschivoiu, I., 2002. Конструкция ветряной турбины: с роторами Савониуса, J. ​​Wind. Англ. и Ind. Aero.,

акцент делается на концепции Дарье. Канада: Прессы 59 (1): 39-50.

Internationales Polytechnique.18. Сигетоми, А., Ю. Мурай, Ю. Тасака и Ю. Такеда,

5. Кальчмитт, М., В. Штрейхер и А. Визе, 2007. 211. Интерактивное поле потока вокруг двух Savonius

Возобновляемые источники энергии , Технологии и экологические турбины, Возобновляемые источники энергии, 36 (2): 536-545.

экономика. Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag. 19. McWilliam, M. и D.A. Johnson, 2008. Velocity

6. Antheaume, S., T. Maitre и J. Achard, 2008. Измерение обтекания модели по вертикальной оси

Эффективность гидравлических турбин Дарье для ветряных турбин со свободной жидкостью, International Journal of Green

flow условия в сравнении с условиями энергохозяйств.Энергия, 5: 55-68.

Возобновляемая энергия, 33 (10): 2186e98. 20. Добрев И. и Ф. Массу, 2011. CFD и PIV

7. Hwang, I.S., Y.H. Ли и С.Дж. Ким, 2009. Исследование оптимизации нестационарного потока через Савониус

циклоидальной гидротурбины и ветряной турбины производительности, Energy Procedure, 6: 711-720.

Улучшение

за счет индивидуального управления лезвиями. Прикладной 21. Taylor, B.N. and C.E. Kuyatt, 1994. Guidelines for

Energy, 86 (9): 1532e40.оценка и выражение неопределенности NIST

8. Шанкар П.Н., 1979. Разработка результатов измерения ветра по вертикальной оси. Nat. Inst. Стенд Технол. Tech.

турбина. Proc Indian Acad Sci., C2 (1): 49-66. Примечание, 1297.

9. Мертенс, С., 2003. Характеристики высокой конечной скорости

Коэффициент

H-Дарье в наклонном потоке на крыше,

Опубликовано Американским институтом аэронавтики

и Astronautics, Inc.

10. Усияма, И.и Х. Нагаи, 1988. Оптимальный дизайн

Конфигурации

и характеристики роторов Савониуса,

Wind Engineering, 12 (1): 59-75.