автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Рабочий процесс и оптимизация параметров волновой поплавковой инерционной энергетической установки

; 5 ОЙ 1 7 ФЕВ 1997

На правах рукописи

Монахов Борис Ешсньепич

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНОВОЙ ПОПЛАВКОВОЙ ИНЕРЦИОННОЙ Э11ЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.14.10 — гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете

Научный руководитель канд. техн. наук, доцент Волшаник В.В.

Научный консультант канд. техн. наук Зуйков А.Л.

Официальные оппоненты:

доктор техн. наук, профессор Правдивсц Ю.П.

кандидат техн. наук, старший научн. сотрудник Прудовский А.М.

Ведущая организация

Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

Защита диссертации состоится 18 марта 1996 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д.053.11.04 в Московском государственном строительном университете по адресу. Москва, Спартаковская ул., дом 2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ.

Просим принять участие в заседании совета или направить отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 129337, Москва, Ярославское ш., д. 26, МГСУ, Ученый совет.

Автореферат разослан 15 февраля 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Боровков В.С.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Интенсивный рост энергопотребления ставит задачу поиска альтернативных источников, способных заменить органическое топливо, которое, по самым оптимистическим прогнозам, сможет обеспечивать человечество энергией еще только 100-150 лег. Кроме того, любая электростанция, работающая на органическом или ядерном топливе, способствует ухудшению экологической обстановки. Эти две проблемы заставляют вплотную заняться исследованиями по вовлечению в энергобаланс возобновляющихся источников, которые, по мнению многих специалистов, на уровне 2100 года будут покрывать около 18% энергетических потребностей. В основе возобновляющихся источников лежит энергия солнечного излучения, основная часть которого аккумулируется в Мировом океане. Техническую готовность к практическому применению из океанских источников имеют пока только энергия приливов и ветровых волн.

Широкомасштабное строительство волновых энергетических установок (ЮУ) ограничивается пока из-за их сравнительно высокой стоимости, которая часто является результатом недостаточной изученности физических процессов, происходящих при взаимодействии волны с ЮУ. Поэтому изучение рабочего процесса, типичного для большого класса поплавковых ВЭУ, с целью создания энергоустановок, конкурентоспособных с традиционными, представляется актуальной проблемой. В России ее актуальность определяется также значительным числом регионов, имеющих выход к морю и испытывающих дефицит топливно-энергетических ресурсов.

Целью работы является разработка научно обоснованного метода выбора оптимальных параметров поплавковых инерционных волновых энергетических установок, предназначенных для получения энергии различных видов в соответствии с нуждами потребителей, основанная на детальном изучении рабочего процесса волнового инерционного насоса (ВИН).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработана классификация волновых энергетических установок по их потребительским свойствам.

2. Разработаны физическая и математическая модели рабочего процесса ВИН, создан математический аппарат для расчета рабочего процесса, реализованный в программе для ПЭВМ, с подтверждением адекватности разработанного метода расчета физическим экспериментом на моделях и в натурных условиях.

3. Исследован рабочий процесс ВИН с выявлением оптимальных физических и конструктивных параметров, обеспечивающих его максимальную эффективность.

4. Разработан инженерный метод расчета основных характеристик и параметров ВИН.

5. Разработана методика оптимизации параметров волновых поплавковых

энергетических установок, определены граничные условия оптимизации параметров ВИН и оценена экономическая эффективность применения ВЭУ автономными потребителями для условий России.

Научная новизна работы состоит в:

—формулировке признаков классификации волновых энергетических установок по потребительским свойствам и их количественной оценке для волновых установок известных типов;

— разработке математической модели рабочего процесса поплавковых инерционных ВЭУ с четырьмя колеблющимися системами и переменной массой в течение одного периода колебаний и создании программы, реализующей ее на ПЭВМ;

— проведении полного факторного анализа рабочего процесса ВИН, на основании которого рекомендованы его оптимальные физические и конструктивные параметры и их соотношения;

— разработке на основании ранжирования сил, участвующих в рабочем процессе ВИН, инженерного метода расчета, позволяющего получить зависимости для определения основных временных характеристик рабочего процесса, некоторых конструктивных параметров, а также производительности и КПД ВИН;

— предложении упрощенной методики определения энергетических характеристик ветрового волнения, хорошо согласующейся с данными других авторов; разработке и апробировании в натурных условиях методики измерения характеристик ветрового волнения с колеблющегося объекта и создании математического аппарата для обработки результатов измерений.

На защиту выносятся:

— метод расчета рабочего процесса инерционных поплавковых ВЭУ;

—результаты исследования влияния характеристик и параметров ВИН на его рабочий процесс;

— методика оптимизации параметров поплавковых ВЭУ;

—результаты натурных исследований опытно-промышленной установки ВИН. Практическое значение работы определяется разработанной методикой расчета рабочего процесса инерционных поплавковых ВЭУ, которая может быть использована для расчета любых поплавковых ВЭУ, имеющих переменную массу и несколько колеблющихся систем. Методики определения физических и энергетических параметров ветрового волнения при измерениях с колеблющегося объекта могут быть использованы в океанографических исследованиях. Результаты работы использованы:

— в проекте Тугурской приливной электростанции, разрабатываемом в АО "Гидропроект";

— в виде технического устройства для создания искусственного апвеллинга на мидийной плантации Научно-экспсриментального комплекса марикудьтуры Всероссийского НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии;

— при создании натурного образца светового навигационного буя и в проекте шумового буя;

— в разработке ЦКБ "Коралл" при определении эффективности использования ВЭУ на морских нефтегазопромысловых сооружениях.

В ближайшей перспективе возможно использование результатов работы при расчете ВЭУ для локального регулирования климата отдельных районов, для энергообеспечения добычи и переработки глубоководных полезных ископаемых и металлоносных рассолов, для создания искусственного апвеллинга в рыбоводстве и на объектах марикультуры, в проектах океанских тепловых электростанций, для увеличения выработки энергии на прибрежных ГЭС и ГАЭС, в экологических проектах защиты морских акваторий от загрязнения и улучшения качества воды.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены: на Всесоюзной конференции "Опыт использования нетрадиционных источников энергии", Душанбе, 1988 г., на XX конгрессе по гидравлике, Лион, 1989 г., па Всесоюзном семинаре молодых ученых, Светлогорск, 1989 г., на Всесоюзном совещании "Физическое и математическое моделирование гидравлических процессов", Дивногорск, 1989 г., па III Всесоюзной конференции по энергетике океана, Владивосток, 1991 г., на Международной конференции "Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика", Москва, 1996 г., на научном семинаре лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ, Москва, январь 1997 г., на научно-технических конференциях Московского государственного строительного университета в 1986-1990 гг., на заседании кафедры использования водной энергии МГСУ в январе 1997 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы из 181 наименования. Работа изложена на 244 страницах машинописного текста, включает 56 рисунков и 16 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проведения исследований в области волновой энергетики, сформулированы цели и задачи диссертации, научная новизна и практическое значение результатов исследований, приведена общая характеристика работы.

В первой главе дан анализ современного этапа развития волновой энергетики. Отмечается, что ВЭУ могут быть использованы во всех сферах деятельности человека, связанных с океаном. Разработки в области волновой энергетики по масштабности и назначению условно можно разделить натри основных направления:

1. Обеспечение электроэнергией отдельных стран или регионов с работой ВЭС на объединенную энергосистему.

2. Удовлетворение энергетических потребностей местных потребителей с включением ЮС в местные электроэнергетические системы.

3. Обеспечение электрической или механической энергией изолированных, автономных потребителей или технологических процессов.

Для условий России наиболее перспективными являются второе и, особенно, третье направления. Широкие возможности для применения имеют ВЭУ, использующиеся в качестве насосов. Это связано в первую очередь с тем, что создаваемую насосами энергию воды можно легко использовать для выработки электроэнергии с помощью традиционного гидроэнергетического оборудования, располагаемого не на самой установке, а на берегу, что явно предпочтительней с точки зрения надежности и долговечности ВЭУ.

Большое влияние на экономические показатели оказывает эффективность отбора энергии волнения. Большинство ВЭУ сейчас имеет коэффициент отбора 2040%, поэтому исследования в области волновой энергетики должны вестись в основном по двум направлениям: совершенствование конструкций для увеличения эффективности отбора волновой энергии и совершенствование схем преобразования механической энергии в электрическую для решения главной проблемы волновой энергетики: снижение стоимости ВЭУ и их энергии до конкурентоспособного уровня.

Существующие классификации ВЭУ и основные требования к ним не учитывали, как правило, потребительские признаки установок. Дополнение перечня требований к ВЭУ и анализ их потребительских свойств позволили предложить классификацию ВЭУ по потребительским качествам, которая может помочь потенциальным пользователям ВЭУ при выборе установок для конкретных целей (табл. 1).

Значительный вклад в разработку теоретических основ анализа взаимодействия волны с телом с точки зрения отбора ее энергии внесли (в хронологическом порядке): В.В.Шулейкин, Д.Эванс, Б.Каунт, М.Мак-Кормик, В.И.Сичкарев, Ю.Футами, Й.Ма-суда. Вопросами теории отбора энергии волн и экспериментальными исследованиями ВЭУ различных типов занимались Д.Исаакс, К.Будал, С.Солтер, Д.Кайзер, А.Г.Баранов, Н.В.Вершинский, А.А.Горлов, Б.П.Пшеничный и другие.

На основании обзора сделан вывод о необходимости изучения рабочего процесса поплавковых преобразователей, перспективность которых для использования в качестве насосов определена методом экспертной оценки.

Во второй главе описаны физическая и математическая модели рабочего процесса ВИН и программа расчета, реализующая математическую модель. На рис. 1 представлены возможные конструкции ВИН.

Таблица 1

Классификация ВЭУ по потребительским качествам

Предназначены для потребителя Комплексные ВЭУ ВЭУ, предназначенные только для выработки электроэнергии

Давление воды +электроэпергия (насосы) Давление воздуха + электроэнергия (компрессоры)

Только в открытом море Насос Исаакса, конструкция Сичкарева Буй Масуды Конструкция Кайзера

Только па побережье Утилизация волновой энергии Норвежский поплавок Установка Симады ДЭМ-атолл

Многофункциональные Установка Розснберга Осциллирующий столб Преобразователь Рассела

Универсальные "Плот" Коккерслла "Труба" Френча "Утка" Солтера

В процессе перекачки воды в ВИН участвуют несколько подвижных систем: волна, являющаяся движителем, труба с поплавком (в дальнейшем "устройство"), клапан и столб воды, заключенный в трубе. Все системы обладают различной инерционностью, и параметры их колебаний (частота, амплитуда, фаза) могут значительно отличаться друг от друга. При этом устройство имеет в процессе работы два различных граничных значения массы: при закрытом клапане масса устройства больше, чем при открытом, так как в этом случае к массе собственно устройства добавляются массы столба воды и клапана.

На рис. 2 показаны основные фазы рабочего процесса ВИН:

1. Подъем устройства на гребень волны с закрытым клапаном и "подтягивание" столба воды (т. А—т. В).

2. Открытие клапана при превышении скоростью столба воды скорости устройства (т. В).

3. Рабочий период—излив воды из насоса (т. В—т. Е).

4. Закрытие клапана (т. Б).

Анализ взаимодействия сил, участвующих в рабочем процессе ВИН, позволил записать уравнения движения его отдельных систем, индуцируемые колебаниями плоской негармонической волны.

Уравнение волпового движения в этом случае имеет вид:

п

Уь этСсо^ + ср!). (1)

ы

Рис. 1. Возможные схемы ВИН.

Рис. 2. Фазы рабочего процесса ВИН.

Затухание параметров волнения по глубине т, определяется декрементом затухания с~к'7', тогда

г) п

Уч=£ь>е ^ 5т(<0;1 + ф;)=£уЬ1е^ ^ . (2)

Уравнение движения устройства:

Е тУ = ра " т8 + тыУ2| + тьЛз ~ рв + рР + + + + ; (3)

Уравнение движения столба воды в вертикальной трубе:

= "^у ■ (4)

Уравнение движения клапана:

(ту + тЬу)уу = ^ - тУя + тЬуу„ - ^ + Бду . (5)

В приведенных выше формулах: ^ т — масса ВИН в общем случае, ^т = т + шь + гп,+т,; т,„ = рлЯ^; ту=рЛУу; Ра, РаЛ.,РаУ — выталкивающие гидростатические силы (Архимеда), действующие соответственно на устройство, столб воды, клапан; ты> тЬ2 — составляющие присоединенной массы над и под поплавком, ть„ — присоединенная масса клапана, Рв — сила волнообразования, Рг. Рр»-> РРу — силы динамического взаимодействия соответственно волны с устройством, волны со столбом воды и клапана со столбом воды; Р5 , Р5„ — силы сопротивления соответственно внешнего и внутреннего трения; Р„ и Ру — силы статического взаимодействия устройства соответственно со столбом воды и клапаном; — сила, определяемая давлением под клапаном.

В течение одного периода колебаний можно выделить четыре основных динамических состояния систем (рис. 2).

1. В движущемся устройстве относительно него движется и клапан и столб воды.

2. В движущемся устройстве клапан открыт до упора (неподвижен относительно устройства) и происходит движение столба воды относительно устройства.

3. В движущемся устройстве клапан закрыт и столб воды неподвижен относительно устройства.

4. В движущемся устройстве клапан закрыт, но столб воды движется относительно устройства.

Первые три состояния достаточно продолжительны (относительно периода колебаний), четвертое имеет крайне незначительную продолжительность. Первый случай перемещения систем наиболее общий, так как все системы работают и перемещение каждой из них может не совпадать с перемещением двух других систем, тогда как в других случаях перемещение клапана или столба воды совпадает с перемещением уст-

ройсгва. При закрытом клапане столб воды делится на две части, каждая из которых может совершать независимые перемещения. При колебаниях устройства можно выделить девять случаев его положения относительно уровня поверхности волны, в которых запись уравнений перемещения отдельных систем будет неодинакова.

На параметры рабочего процесса ВИН будет также влиять место расположения клапана в трубе. Для расчетной схемы принимаются два места установки клапана:

1. Верхнее расположение на выходе из трубы.

2. Промежуточное расположение на трассе трубы (включая низовое на входе). Таким образом, уравнения вертикальных перемещений отдельных систем

ВИН записываются неодинаково для различных фаз периода колебаний, положений устройства относительно волны и мест установки клапана.

Были записаны выражения для определения всех сил в различных случаях положения устройства относительно волны и в различных динамических состояниях взаимодействия систем. На основании разработанного математического аппарата была создана программа расчета рабочего процесса ВИН для ПЭВМ, состоящая из 26 подпрограмм.

В третьей главе описаны экспериментальные исследования моделей ВИН. При физическом моделировании ВИН оценка влияния большого числа конструктивных параметров в широком диапазоне значимых величин обуславливает необходимость испытания большого числа моделей. Разработанный математический аппарат расчета рабочего процесса ВИН позволяет учиьывать любые конструктивные парамегры и любые параметры ветрового волнения. Поэтому задачи физического моделирования свелись к подтверждению правильности представления физических основ рабочего процесса и проверке адекватности математической модели.

Для модельных исследований использовался волновой бассейн с индуцируемой в нем стоячей волной, имеющей период 1 с. Для волнообразования применялся волно-продуктор типа "плоский щит", который наилучшим образом воспроизводит короткие волны на глубокой воде ( Н 2 0.5Я. „).

При проведении исследований определялись следующие характеристики процессов:

— объем воды, проходящей через модель ВИН за один период ее колебания;

— параметры поверхностной волны, индуцирующей колебания ВИН;

— перемещения модельной установки.

Регистрация перемещений производилась стандартными датчиками перемещения ДП-2. Для увеличения разрешающей способности датчика была сконструирована специальная механическая система. Объем воды измерялся с помощью безынерционной микровертушки, действие которой основано на измерении сопротивления цепи, состоящей из корпуса микровергушки, воды и электрода. Регистрация волновых

процессов производилась серийно выпускаемым уровнемером РУС. Относительные погрешности измерений перемещений установки и параметров волны составляли 2%, а производительности — 5-25%.

Результаты экспериментальных исследований позволили оценить влияние типа и плотности запорного органа клапана, длины трубы, габаритов поплавка и высоты волны на характеристики рабочего процесса ВИН. Сравнение результатов расчетов по предлагаемой методике с экспериментальными данными показали практически полное их совпадение (рис. 3) как в характеристиках перемещениях устройства (амплитуда, смещение по фазе), так и в производительности установки.

Четвертая глава посвящена исследованиям рабочего процесса ВИН на основе полного анализа влияния характеристик ветрового волнения, конструктивных, физических и технологических параметров волнового насоса.

Расчетные уравнения (3)-(5) и выражения для сил, входящих в них, приводились к безразмерному виду с помощью нормирования по действующей массе и максимальному волновому ускорению (ггмЬю2) и формально полученных критериев, которые записываются в виде:

П,=

Пй

со ш2Ь -1 1*2--"> П3 = 5 ; п4 = -2-; П5 = —; Я, 5 Я, П6 = п - я,' п?" Я4 . Я1 '

_ ряЯ& . п _ т _р . Ру ' П10 = С6. ' п„=£; П,2 = К1 лЯ? Р ; П,3=С; (6)

-1г. п ~ я,' 15" Я, ■ п ' ~ я. ■ П п ; п19 _юС. 8

где со. =

--собственная частота колебаний тела в невязкой жидкости; Я1,

ш

Я2, ЯЗ, Л4 — соответственно радиусы поплавка, внешний и внутренний трубы, клапана; Д:, Дг, Л4 — шероховатости отдельных участков устройства; С?, С4, Сб, С7 — соответственно длина поплавка, конусной части поплавка, общая проточного тракта, столба под клапаном; ру , 4 — соответственно плотность и высота клапана; С — определяет тип клапана; С» — скорость упругой волны.

В качестве функций отклика при факторном анализе принимались:

Ф, = — ; Ф, = — ; Ф, = <р (для анализа перемещения устройства); Ь И

\У

Ф4=-(для анализа производительности установки);

2117x11:

Т

ф5= —ра6- (для анализа перемещения клапана);

14

Ф6 = ^^ (для анализа ударного давления над клапаном), п

В функциях отклика: А — амплитуда колебаний устройства, а — расстояние между средними линиями моря и колебаний устройства, \У — производительность насоса за один период колебаний, Тгаг, — время работы ВИН с открытым клапаном, ДН — максимальная величина гидроудара под или над клапаном, ф — смещение по фазе колебаний волны и устройства.

Для оценки значимости критериев было проведено 22 этапа расчетов, включающих не менее 5 локальных расчетов, в результате которых были построены зависимости функций отклика ог исследуемых критериев. Область изменения каждого критерия выбиралась в пределах разумного интервала или соотношения физических величин, входящих в этот критерий. При анализе каждого критерия значения всех остальных оставались неизменными для сохранения соответствия различных систем. Изменение исследуемого критерия достигалось изменением одной из физических величин, входящих в него. Если эта физическая величина входила и в другие критерии, их неизменность достигалась изменением величин, составляющих измененный критерий, при этом необходимо отмстить, что большинство критериев являются независимыми.

Анализ критериев проводился по группам, объединяющим параметры одной из конструктивных систем ВИН или одной или нескольких сил, воздействующих на него. Так как критерии выводились формальным путем, их выражения не всегда наглядны при анализе оптимальных соотношений конструктивных или физических параметров установки. В этих случаях анализ сопровождался введением новых переменных, позволяющих получать зависимости, которые могут быть полезными при реальном проектировании и делающие анализ более наглядным. Примеры функций отклика при факторном анализе приведены на рис. 4.

Проведенный анализ позволил установить значения или соотношения конструктивных и физических параметров ВИН и волны, отвечающие максимальной производительности насоса (см. выводы) и рекомендуемые к применению при проектировании ВИН. На основании анализа критериев было проведено ранжирование сил, входящих в (3)—(5), выталкивающая гидростатическая сила (Иа), сила веса (ггщ) и сила сопротивления движению устройства (Р„). Силы гидростатического и гидродинамического взаимодействия систем должны учитываться в расчетах, а силы сопротивления внутреннего и внешнего трения и давления под клапаном могут исключаться из расчетов, так же как и уравнение движения клапана при условии назначения оптимальных параметров ВИН, рекомендующихся в работе.

В целом, факторный анализ подтвердил физические характеристики, полученные во время экспериментальных исследований.

Рис. 3. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов.

Рис. 4. Примеры функций отклика при факторном анализе критериев.

Пятая глава посвящена разработке инженерного метода расчета рабочего процесса ВИН, основанного на рассмотрении рабочего процесса ВИН в первом динамическом состоянии взаимодействия систем для устройств, колеблющихся на глубокой воде. В расчетах принята синусоидальная гармоническая волна. При расчетах ВИН для условий нерегулярного волнения параметры расчетной волны могут приниматься в соответствии с методикой, изложенной в гл. 6.

На основании выводов гл. 4 из расчетов были исключены все силы сопротивления движению, кроме сил волнообразования и гидродинамического взаимодействия устройства с волной. Для упрощения записи формул эти силы сопротивления объединены в один общий член К, отражающий общее сопротивление движению устройства. Предполагая, что конструкция устройства соответствует рекомендованным выше соотношениям параметров, из расчета также исключены уравнение движения клапана и силы, связанные с взаимодействием систем с клапаном. Присоединенная масса устройства гпь2 не рассматривается, как отдельный член, а включается в общую массу устройства.

Вводя обозначения q = — и а = — и решая уравнение (3), получаем урав-сос <вс

ненис движения устройства, индуцируемого плоской синусоидальной волной

у = А0е 4 эт

' ♦ I Г ^ 4

<ог , (а

\

Ч ^Чг.) +ф°

+ 11 , 1 + (щ)2 апМ + ф) . (7)

\/[1-Ч2(1-а2]2 + (аЧ3)2

Его анализ показывает, что амплитуда колебаний устройства не равна амплитуде вынуждающих колебаний — высоте волны Ь. Особый интерес вызывает явление резонанса устройства, при котором его колебания по амплитуде в несколько раз могут превосходить высоту волн. Дифференцируя по ч и принимая <1А Л „

— = 0, найдем, что при резонансе с!Ч

л/ТГ+го2-!

Ьа

^1-Чрез д/а4-(1-л/1+2?)2 Колебания поплавка имеют частоту индуцирующих их волн, но отстают по фазе на угол <р. В пределе отставание поплавка от волны по углу может быть близко к п, когда устройство колеблется в противофазс с волной. Анализ (7) подтверждает вывод главы 4 о том, что максимальная эффективность может быть достигнута при <р = -0,25т1.

Анализ уравнения движения столба воды позволил получить ряд зависимостей, определяющих характерные величины рабочего процесса ВИН. Момент открытия клапана определяется из условий равенства ускорений устройства и столба воды при равенстве их скоростей

1о 1 - - = — апзш Т 2к

со А А ука> Ь А) со А

(8)

Кроме того, получена зависимость для определения минимальной длины проточного тракта ВИН, при которой он начинает' устойчиво работать

и зависимость для определения длины трубы, соответствующей работе ВИН без разрывов сплошности потока под клапаном

Ь+9,94- А

=-Щ:-• (10)

. со Ь 1 +-

В

В инженерном методе расчета приведены также зависимости для определения производительности клапанных и бесклапанных ВИН.

Анализ эффективности устройства и максимальной волновой энергии позволил сделать вывод о возможности достижения точечными ВЭУ высоких значений коэффициента отбора мощности. В заключение приведено описание устройства (авт. свид. № 1511455), способное увеличивать амплитуду колебаний насоса и, тем самым, его производительность.

В шестой главе приведена методика оптимизации параметров ВЭУ, основанная на использовании методов планирования эксперимента со многими факторами и аналитической теории игр, и результаты натурных испытаний опытно-промышленной установки.

Для установления оптимума важным обстоятельством является правильное назначение критериев оценки конструкции. Для большинства практических задач при оптимизации ВЭУ функцией отклика может являться значение удельных капиталовложений Куд или отношение стоимости ВЭУ к ее производительности (Куд = КАУП), и условием оптимальности является отношение Куя=Куд П1Ш. При выполнении ВЭУ из одного материала функцией отклика может также служить удельная материалоемкость МУд, то есть отношение массы устройства к его производительности.

Так как обычно функция отклика Куя является существенно нелинейной от факторов, необходимо использовать методы, при которых функция отклика не аппроксимируется, а ищется только экстремальное значение оптимизируемой функции с заданной точностью разрешения по факторам, например метод спирального

координатного спуска, или метод определения наилучшей комбинации значений функции отклика в узлах факторной сетки.

При проведении оптимизационных расчетов ВЭУ (особенно точечных) важное значение имеют расчетные параметры ветрового волнения, которое в реальных условиях является нерегулярным с широким спектром значений Ь и Т. В условиях реального проектирования ЮУ малой мощности вместо достаточно трудоемкого статистического анализа ветрового волнения нами предложена упрощенная методика определения расчетных значений Ьр и Тр, в основу которой положено определение высоты и периода волны 50% обеспеченности по аппроксимации функций Ь=Г(Г) и Т=Г(Р) (где Б — обеспеченность) методом наименьших квадратов. В работе приведены расчетные значения Ь, ТД, и N для различных морей России, где N — удельная мощность волнения.

По заказу ВНИРО был произведен расчет оптимальных параметров и сделан проект промышленной установки волнового насоса для условий Черного моря, предусматривающей возможность проведения на ней научных экспериментов. Натурные испытания установки проводились в бухте Б.Утриш недалеко от г. Анапа. Во время испытаний регистрировались следующие параметры: ветровой волны, перемещений устройства, гидроудара под клапаном и объема воды, проходящего через устройство. Перемещения устройства относительно спокойной поверхности моря измерялись с помощью датчика давления, установленного на глубине 30 м от ватерлинии поплавка. Для обеспечения работы датчика при давлении 3 кг/см2 было сделано специальное устройство. Параметры ветровых волн определялись датчиками давления, установленными в двух точках по длине трубы: на глубине 3 м и 9 м от ватерлинии поплавка. При этом они регистрировали изменения давления, вызванные как перемещением устройства, так и волной. Объем воды, проходящий через устройство за один период, определялся микровертушкой, установленной в верхней части грубы. Гидроудар, возникающий под клапаном, измерялся с помощью датчиков давления. Датчики давления для измерения параметров волны и гидроудара размещались в специальной герметичной емкости. Измерительная схема была рассчитана на автономную работу, пуск схемы осуществлялся с помощью таймера времени, имеющего электрический завод на 72 часа. Запись режимов производилась через каждые 8 часов.

Для получения абсолютных значений характеристик перемещений волны и устройства был разработан специальный математический аппарат, реализованный в программе для ПЭВМ.

Таким образом, при натурных испытаниях ВИН реализован метод получения волновых характеристик на колеблющемся цилиндрическом объекте с помощью двух датчиков давления, установленных на разной глубине.

3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 -0.0 --0.5

V/, куб.м

\\^=3,35 куб.м \Унсп=3.03 куб.м

0.30 -I 0.20

0.10 -

0.00 -

Са м

у, Уь, М

60.00

70.00

60.00

90.00

100.00

110.00

120.00

^ с

130.00

Рис. 5. Сопоставление расчетных и натурных характеристик ВИН.

Для дальнейшего анализа и получения возможности сопоставления полученных в результате натурных испытаний характеристик ВИН с расчетом, функции у=5(1) и уь^ЦЦ были разложены в ряд Фурье по стандартной программе. По результатам разложения построены амплитудные спектры ветрового волнения и колебаний устройства, а также нормированный энергетический спектр ветровой волны. Анализ спектров волнения показывает, что для рассматриваемого примера доминирующими являются частоты в диапазоне ш=0,8-5-1,7 рад/с, на которых переносится 95% волновой энергии.

Сравнение расчетных и полученных во время испытаний (после соответствующей обработки) данных о перемещении устройства на волне приведено на рис. 5. Как видно, расчетные результаты хорошо совпадают с натурными. Общая измеренная производительность натурного образца ВИН в рассматриваемый период времени составила 3,03 м3 или примерно 50 л/с при расчетном значении 3,35 м3 (е=95%). Сравнивая это значение с расчетными значениями производительности ВИН на монохроматической волне с высотой, равной средней высоте волн в анализируемом примере, можно увидеть, что оно в 3-4 раза меньше.

Коэффициент полезного действия установки оказался равен 25% , однако для некоторых периодов колебаний он достигал 40%.

Основные выводы и рекомендации

1. Энергия морских ветровых волн характеризуется возобновляемостью, предсказуемостью, экологической чистотой преобразования и масштабностью и может использоваться для самых различных целей, что обусловливает широкие перспективы развития волновой энергетики. По экономическим показателям современные волновые энергетические установки (ВЭУ) пока не вполне конкурентоспособны с традиционными промышленными электростанциями. Поэтому исследования в области волновой энергетики призваны обеспечить решение главной на сегодняшний день проблемы: снижение стоимости ВЭУ и их энергии до конкурентоспособного уровня путем детального изучения их рабочих процессов для увеличения эффекгивности отбора волновой энергии и путем совмещения функций ЮУ с функциями других хозяйственных объектов, для чего предложена классификация ВЭУ по их потребительским качествам, ориентированная на потенциальных пользователей ЮУ.

2. Среди конструкций ВЭУ, используемых преимущественно в качестве насосов, показал, что наиболее эффективными являются точечные преобразователи энергии, из которых предпочтение должно быть отдано поплавковым преобразователям, в том числе резонансным. При создании поплавковых ВЭУ

следует учитывать существенную разницу п одной из основных характеристик— массе, которая в поплавковых электростанциях может быть постоянной, а в поплавковых насосах изменяется в течение цикла рабочего процесса.

3. Рабочий процесс волновых инерционных насосов (ВИН) определяется взаимодействием четырех колебательных систем: ветровой волны, устройства, состоящего го поплавка и проходящей через него трубы, клапана и столба воды, заключенного в трубе. Все системы обладают разными собственными частотами колебаний, устройство имеет разную массу в течении одного периода колебаний, а столб воды в момент закрытия клапана разделяется на две самостоятельные колебательные системы (над и под клапаном). В связи с этим уравнения перемещений отдельных систем ВИН записываются неодинаково для различных фаз периода колебаний. Полученная в диссертационной работе с учетом всех действующих факторов система уравнений и разработанная методика расчета могут быть применимы для расчета любого поплавкового точечного тела, имеющего одну или несколько взаимодействующих колебательных систем, взаимодействующего с любой немоногармонической ветровой волной.

4. Сопоставление экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных условиях, с расчетными подтвердило полную адекватность математической модели физическому процессу. Точность совпадения геометрических и временных параметров составляет 0,2-5%, точность совпадения значений производительности установки составила 2-10%. Это позволяет в дальнейшем при научном обосновании проектных решений отказаться от проведения физических экспериментов и ограничиваться рассмотрением математической модели.

5. Нормирование основных уравнений, описывающих рабочий процесс ВИН, позволило записать безразмерные критерии, полностью охватывающие все конструктивные и физические параметры взаимодействующих систем. Факторный анализ критериев рабочего процесса позволил установить ряд соотношений конструктивных параметров, которые могут быть рекомендованы для применения в проектной практике, как обеспечивающие наилучшие показатели производительности волнового инерционного насоса:

— отношение радиуса клапана к радиусу тамбура клапана ЯлЖ 5=0,65-^0,75;

— относительная предельная высота хода клапана Св/К.з2:1;

— тип клапана не оказывает существенного влияния на производительность установки. Однако предпочтение следует отдать дисковому клапану;

— оптимальная плотность клапана 1,5р<рк<2,5р;

— масса клапана должна составлять менее двух процентов от массы устройства;

— оптимальное соотношение С7/Сб=0,5-ь0,7, однако, с точки зрения эксплуатации, желательна установка клапана в верхней части проточного тракта, то есть С7/Сб=1;

— высота цилиндрической части поплавка должна обеспечивать движение устройства без провалов под волну; оптимальное отношение 0^1 = 1^2; угол конусности нижней части поплавка рекомендуется принимать Сз/Я1=0н-2;

6. Наибольшую производительность ВИН имеет при отношении частоты собственных колебаний к частоте индуцируемой волны как 1:1,5. Амплитуда колебаний устройства может превышать высоту волны в 2ч-2,5 раза, однако не во всех случаях это приводит к увеличению производительности установки. Значительное влияние на производительность ВИН оказывает смещение по фазе колебаний устройства и волны. Максимальная производительность, как правило, достигается при запаздывании устройства примерно на восьмую часть периода, Дф<0,2ч-0,3л. В общем случае колебания волнового насоса не только не отслеживают волну, но даже при синусоидальных гармонических волнах не являются синусоидальными. При увеличении Дер больше 0,3я производительность установки резко снижается. Увеличение высоты волны приводит к увеличению производительности только при выполнении условий оптимального смещения по фазе и при ускорении волновых частиц примерно в десять раз меньшим, чем ускорение свободного падения.

7. Ранжирование сил выявило незначимость влияния сил сопротивления внешнего и внутреннего трения и сил местных сопротивлений на рабочий процесс ВИН, что дает возможность исключать их го инженерных методов расчета. Уравнение движения клапана может быть исключено из расчетов, соответствующие силы взаимодействия клапана с другими колеблющимися системами могут быть исключены из соответствующих уравнений движения, а уравнения, описывающие некоторые силы рабочего процесса ВИН, значительно упрощаются. Основными силами рабочего процесса ВИН являются гидростатические выталкивающие силы, воздействующие на устройство и волну, массовые силы устройства и столба воды, сила волнообразования, тормозящая движение устройства, и силы ударного давления над и под клапаном, возникающие при его закрытии.

8. Разработанный инженерный метод расчета позволил получить конечные формулы для определения основных параметров ВИН и его рабочего процесса, который может быть охарактеризован коэффициентом использования энергии и коэффициентом полезного действия. Последний характеризует качество расчетных, проектных и конструкторских работ. Значение КПД

исследованной натурной установки с цилиндрическим поплавком составляет 81,5%, что может быть оценено как достаточно высокий показатель. Коэффициент использования энергии натурного образца достигает 40%. Эффективное! ь ВИН может быть повышена путем их конструктивной модернизации с целью дополнительного конструктивного изменения массы устройства за один период колебаний, что продемонстрировано одним из возможных инженерных решений в этом направлении, защищенным авторским свидетельством.

9. Критериями оптимизации параметров ВЭУ могут служить различные величины, определяемые конкретными условиями применения или требованиями заказчика. Для большинства практических задач в качестве функции отклика при оптимизации ВЭУ может применяться значение удельных капиталовложений. В силу временнбго непостоянства прихода волновой энергии в качестве функции отклика при оптимизационных расчетах ВЭУ должна использоваться интегральная (годовая или сезонная) производительность установки. В силу существенно нелинейной зависимости функции отклика от действующих факторов для решения задачи оптимизации применяются не методы аппроксимации, а методы поиска экстремальных значений — метод спирального координатного спуска, поразрядного приближения, дихотомии, золотого сечения.

10. Предложенная упрощенная методика определения энергетических характеристик ветрового волнения подтверждается данными других автором. Апробированный метод определения волновых характеристик на колеблющемся объекте с помощью датчиков давления и математический аппарат для обработки результатов могут быть рекомендованы к применению в океанологических исследованиях в открытом море.

11. При промышленной эксплуатации ВИН должна применяться, при отсутствии технологических ограничений на свободу перемещения установки, система крепления с одним якорем и одним промежуточным буйком.

12. Экономические показатели волновых инерционных преобразователей, определенные без учета получаемого экологического эффекта, свидетельствуют о целесообразности применения ВЭУ в различных отраслях морского хозяйства и морской техники вместо применяемых в настоящее время источников энергии в виде дизельных установок или подключения к государственной электроэнергетической системе.

13. В последующих исследованиях основное внимание необходимо уделить задаче разработки компьютерных методов расчета характеристик инерционных поплавковых ВЭУ, учитывающих ограничение свободы колебаний поплавка удерживающим якорем. Целесообразно также исследовать рабочий процесс ВИН с поплавками нецилиндрической формы.

Результаты исследований опубликованы в следующих трудах соискателя:

1. Волновая насосная установка. Тез. Всес. н.-практ. конф. "Опыт использования нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве. Душанбе, 1988, с. 18-19 (соавтор А.Л.Зуйков).

2. Характеристики волновой насосной установки. Тез. Всес. совсщ. "Научное обеспечение повышения эффективности использования мелиорируемых земель", Москва, 1987, с. 201-202.

3. Установка искусственного апвеллинга для подъема глубинных вод к поверхности: Проспект ВДНХ СССР, 1987 (соавторы В.В.Волшаник, А.Л.Зуйков, А.П.Мордасов, Г.В.Орехов, В.П.Пшеничный).

4. Производительность волнового насоса при синусоидальных колебаниях. МИСИ, № 122,1988, с. 32-41 (соавторы Г.И.Кривченко, А.Л.Зуйков).

5. Метод планирования численного эксперимента при поиске оптимальных параметров волновой насосной установки. Тр. XX конгр. по гидравлике. Лион, 1989, с. IV.1.1-IV.1.7 (на англ. языке). (соавторы А.Л.Зуйков, В.В.Волшаник,

A.П.Мордасов).

6. Лабораторные, натурные и теоретические исследования волнового на coca. Тез. докл. Всес. совещ.-семинара молодых ученых. Светлогорск, 1989, с. 21-22.

7. Математическая модель волновой инерционной энергетической установки для прибрежной зоны морских акваторий. Тез. н.-т. совещ. "Физич. и математич. моделирование гидравлических процессов при исследовании". Дивногорск, 1989, с. 58-59 (соавтор АЛ.Зуйков).

8. Устройство для подачи поверхностной воды в глубинные слои водоема. Авт. свид. СССР № 1479693.Бюллетень изобретений, № 18, 1989 (соавторы

B.П.Пшеничный, Д.Я.Фашук, В.В.Волшаник, Г.В.Орехов, АЛ.Зуйков).

9. Волновой насос. Авт. свид. СССР Na 1411455. Бюллетень изобретений, 3 36, 1989 (соавторы В.П.Пшеничный, В.В.Волшаник, Г.В.Орехов, АЛ.Зуйков, А.П.Мордасов).

10. Применение волновых энергетических установок для обеспечения нужд морских нефтегазопромысловых сооружений. Судостроение, 1990, №1, с. 44-51 (соавторы А.Л.Зуйков и др.).

11. Использование волновых насосов для нужд морских нефтегазопромысловых платформ. Материалы 3-й Всес. конф. по энергетике океана. Ч. 3. Владивосток, ДВО АН СССР, 1991, с. 3-4 (соавтор АЛ.Зуйков).

12. Эффективность комплексного энергетического использования устьев рек, впадающих в моря и океаны. Материалы 3-й Всес. конф. по энергетике океана.

4.2. Владивосток, ДВО АН СССР, 1991, с.3-4 (соавторы В.В.Волшаник, К.Д.Теннакоонге).

13. Новый подход к использованию волновых энергетических установок. Гидротехнич. стр-во, 1992, № 2, с. 7-10 (соавторы А.Л.Зуйков, В.А.Линючев, В.И.Лубановский).

14. Перспективы развития волновой энергетики. Вестник электроэнергетики, 1993, № 1, с. 57-73 (соавторы А.А.Беляков, А.Л.Монахов, А.П.Мордасов).

15. Гидравлические исследования модели преобразователя энергии ветровых волн "конфузорный откос". Гидротехнич. стр-во, 1995, №9, с. 23-29 (соавторы В.В.Волшаник, А.Л.Зуйков, К.Д.Теннакоонге).

16. Инженерный метод расчета волновых насосов инерционного типа. Тез. докл. международной н.-т.-конф. "Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика", Москва, МЭИ, 1996, с. 41 (соавтор АЛ.Зуйков).

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.92 г.

Подписано в печать 45. С2 31 Формат 60х84'/1б Печ. офсетная

И- 2Ъ Объем / п.л. Т. Заказ

Московский государственный строительный университет Типография МГСУ, 129337, Москва, Ярославское ш.,26