автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Теория и методы проектирования ортогональной турбины

005050363 На правах рукописи

СПИРИН ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРТОГОНАЛЬНОЙ

ТУРБИНЫ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали

машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

В МАР 7013

Томск 2013

005050363

Работа выполнена на кафедре «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Головин Михаил Петрович Официальные оппоненты: Филиппов Юрий Александрович

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный аэрокосмический

университет имени академика М.Ф. Решетнева», кафедра «Технология машиностроения», профессор Максак Владислав Иванович доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет», кафедра «Строительная механика», профессор Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет» Защита диссертация состоится «22» марта 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.265.03 при ФГБОУ ВПО Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу 634003, г.Томск, пл.Соляная 2, корпус 2, ауд. 303.

Автореферат разослан: «¿¿С? » _ о 2 ¿с/} . года Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета:634003, г.Томск, пл.Соляная 2, корп. 1, e-mail: klopotovaa@Csuab.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р физ-мат. наук, доцент

А.А. Клопотов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России области централизованного энергоснабжения составляют не более 31% территории, при этом продолжается рост электропотребления. Промышленное развитие Сибирского региона и Дальнего Востока, а также Кавказа, Урала и Кольского полуострова, увязано с концентрацией основного гидроэнергетического потенциала в данных регионах. Реализация энергетического потенциала многоводных и горных рек, а также набольших водотоков возможна при применение малых гидроэлектростанций. В 2005 - 2010 гг. специалисты НИЛ «Возобновляемые источники энергии» доказали целесообразность применение ортогональной турбины в составе свободнопоточной микроГЭС.

На сегодняшний день отсутствует обобщенная методика проектирования ортогональной турбины. Необходимость в создании такой методики обусловлена потребностью в применении ортогональных турбин в составе микроГЭС в широком диапазоне мощностей и условий ее эксплуатации.

Цель диссертационной работы - разработка теории и методов проектирования ортогональных турбин, обеспечивающие повышенные технические параметры и качество изделия на этапе проектирования.

Основные задачи исследования:

1. Создание модели рабочего процесса ортогональной турбины в свободном потоке, учитывающей геометрию лопасти и лопастной системы в целом, торможение потока, позволяющей обеспечить работоспособность турбины и ее элементов.

2. Исследование влияния параметров турбины на ее энергетические характеристики.

3. Разработка модели оптимизации параметров турбины по критерию максимальности коэффициента полезного действия с ограничениями по действующим нагрузкам и массогабаритным показателям, обеспечивающей повышение ее технических параметров.

4. Создание алгоритма проектирования ортогональной турбины, основанной на совокупности разработанных моделей.

5. Проверка корректности разработанных моделей и методики проектирования турбины методами численного моделирования в САЕ-средах и натурными испытаниями опытных образцов микроГЭС различной мощности.

6. Разработать компонент «Проектирование ортогональных турбин» системы автоматизированного проектирования (САПР) свободнопоточных микроГЭС.

7. Проверка адекватности и эффективности созданного компонента САПР проектированием и испытаниями промышленного образца микроГЭС мощностью 5кВт.

Методы исследований:

1. Теоретические основы вычислительной гидродинамики;

2. Численные методы моделирования в САЕ-средах;

3. Метод граничных элементов;

4. Методы теории алгоритмов;

5. Методы численного решения задач многокритериальной оптимизации;

6. Методы компьютерного мониторинга.

Научная новизна:

1. Разработана уточненная модель рабочего процесса ортогональной турбины, учитывающая: торможение потока в рабочей области турбины; влияние топологии турбины и лопасти, а также их геометрических характеристик.

2. Динамическая модель ортогональной турбины, позволяющая моделировать ее переходные процессы.

3. Исследовано влияние параметров турбины на ее энергетические характеристики.

4. Разработан алгоритм оптимизации параметров ортогональной турбины, основанный на комбинации метода активных множеств и генетического алгоритма.

5. Разработан программный модуль «Проектирование ортогональных турбин»

6. Созданы новые конструкции ортогональной турбины, предназначенные для работы в свободном и напорном потоках.

На защиту выносятся

1. Уточненная модель рабочего процесса ортогональной турбины, учитывающая: торможение потока в рабочей области турбины; влияние топологии турбины и лопасти, а также их геометрических характеристик.

2. Динамическая модель ортогональной турбины, позволяющая моделировать ее переходные процессы.

3. Алгоритм оптимизационного проектирования ортогональной турбины, учитывающий основные параметры рабочего процесса, обеспечивающий эффективность параметров турбины и ее работоспособность на этапе проектирования.

4. Методика проектирования ортогональной турбины, реализованная в виде компонента САПР микроГЭС.

Практическая значимость работы

1. Практическая значимость работы заключается в применении разработанных моделей и методики при проектировании ортогональных турбин. Созданная методика позволяет на этапе проектирования определять и оптимизировать параметры турбины, влияющие на ее качество.

2. Спроектированы, изготовлены и успешно прошли испытания опытные и опытно-промышленные образцы микроГЭС мощностью 1,3,10 кВт.

3. Стоят на опытной эксплуатации два образца установочной партии микроГЭС мощностью 1 кВт.

4. Получен сертификат соответствия микроГЭС требованиям технических условий к изделиям этой категории.

5. Спроектирован, изготовлен, находится в опытной эксплуатации промышленный образец микроГЭС мощностью 5 кВт.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались на XV Международной научной конференции «Решетневские чтения» 2011г., в 2011 году на Красноярской научно-практической конференции «Инновационный Красноярск 2020».

Материалы, полученные коллективом разработчиков микроГЭС были доложены в 2005, 2006 гг. на международных выставках в г.Харбин (КНР), и выставлялись в международном выставочном центре «Сибирь» 2006, 2009гг. в г.Красноярск..

Результаты и перспективы внедрения обсуждались на второй Киргизско-Российская межрегиональная конференция «Расширение межрегионального сотрудничества Киргизской Республики и Российской федерации как фактор обеспечения устойчивого развития экономики» 2012 г. Секция «Совместные российско-киргизские инфраструктурные и инвестиционные проекты в гидроэнергетической, нефтегазовой, транспортной и телекоммуникационной сферах: состояние и перспективы»

Личный вклад автора

Разработана математическая модель рабочего процесса ортогональной турбины, основанная на существующем представлении и формальном описании базовых процессов аэродинамики. Существенной доработкой существующей модели является включение в модель функций,

описывающих зависимость аэродинамических характеристик профиля лопасти турбины, а также учет таких явлений как смещение центра давления вдоль хорды лопасти, и торможение потока в рабочей области турбины. Автором был выполнен ряд численных экспериментов, позволивших апробировать созданные аналитические модели и накопить множество экспериментальных данных, а также автор принимал участия в подготовке и проведении всех натурных испытаний свободнопоточных микроГЭС мощность от 1 до 10 кВт, и напорных микроГЭС мощностью до 10 кВт. Разработан алгоритм оптимизации параметров турбины. Оптимизация параметров лопастной системы и турбины решена при помощи адаптации существующих алгоритмов оптимизации, таких как метод активных множеств и генетическая оптимизация. Целевые функции оптимизации сформулированы с применением разработанной модели рабочего процесса турбины. Автором реализованы алгоритмы проектирования и оптимизации параметров турбины в виде программных модулей.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 131 страниц машинописного текста; библиографический список состоит их 66 литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены объект и предмет исследований, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава Посвящена обзору состояния и проблем в области проектирования и исследования ортогональных турбин.

История развития конструкции ортогональных турбин началась в 1931 году с получения инженером Дарье (С.].М. Оатеиь) патента на изобретение «Турбина имеющая ось вращения перпендикулярную набегающему потоку» №1835018. Основными преимуществами своего изобретения он считал: сравнительно высокую быстроходность турбины, обеспечивающей возможность исключения дорогостоящих тяжелых механических передач; низкие потери, обусловленные минимальным сопротивлением потоку профилированных лопастей, являющимися рабочими органами; независимость работоспособности турбины от направления потока. В 1975 г. Масгроув в Канаде предложил заменить в роторе Дарье

изогнутые лопасти прямыми. В период с 1989 г. по 2000 г. специалисты ОАО «НИИЭС», в результате экспериментальных исследований определив оптимальные геометрические параметры проточной части и лопастной системы поперечно-струйной турбины, повысили её КПД до 65 % и доказали целесообразность её применения в напорных гидроэлектростанциях.

Теоретические и экспериментальные исследования ротора Дарье интенсивно ведутся с 80-х годов. В ряде стран начали разрабатывать новые конструкции вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ) с ротором Дарье.

Параллельно с развитием конструкции ортогональной турбины развивались и методы ее теоретических и экспериментальных исследований. Проблема проектирования ортогональной турбины заключается в тесной связи задачи конструкционной оптимизации и гидродинамических эффектов, т.е задача является мультидисциплинарной. Чтобы оптимизировать и изучить энергетическое и механическое поведения турбины, у инженера должны быть методы моделирования рабочего процесса с низкими временными затратами.

Решению проблем аэродинамического расчета, самозапуска ротора, ограничению его оборотов, выбору конструктивных параметров посещены работы Галась М.И., Туряна К.Дж. Экспериментальные исследования ортогональных турбины отражены в работах Иванова И.И., Баклушина П.Г., Вашкевича П.С. Ершиной А.К. предложена методика расчета ротора на основе теории подъемной силы. Существенный вклад в развитие ортогональных турбин внес доктор технических наук В.М. Ляхтер, разработавший конструкцию геликоидной (с лопастями изогнутыми по винтовой линий) турбины, отличающейся высокой сбалансированностью аэродинамической нагрузки. Среди множества методов теоретического исследования ортогональных турбины основными являются: теория элемента крыла; импульсная теория элемента крыла; одномерные теории отбора импульса у потока; численные методы решения двух- и трёх- мерных задач гидродинамики; методы решения сопряженных задач методы условной оптимизации; экспериментальные методы.

Основными задачами экспериментальных работ исследования ортогональных турбин являлись верификация теоретических моделей и создание эмпирических моделей энергетики турбины. Работы Kelvin Maki посвящены многокритериальной оптимизации ветровой ортогональной турбины. Головин М.П, Встовский А.Л., провели теоретические исследования, подтвержденные экспериментами, в областях: повышения эффективности турбины, уменьшения вибрационных явлений, проектирования турбины. В работах Манушина Э.А. рассмотрены условия работы деталей турбомашин, подход к выбору материалов, методы расчета

на статическую и динамическую прочность. Основные причины колебания роторов турбин, оценка влияние демпфирования на динамические характеристики ротора рассмотрены Биргером И.А. Кельзон A.C. подробно рассмотрел методы определения прочностной и вибрационной надежности турбомашин.

Анализ состояние дел в области проектирования ортогональных турбин, позволяет сделать вывод о необходимости разработки теории и методов проектирования ортогональной турбины, основанных на существующих моделях, позволяющей на основе их комплекса, прогнозировать энергетические характеристики турбины и обеспечивать ее надежность.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей рабочих процессов, позволяющих в комплексе смоделировать поведение объектов предметной области исследования. Объектом исследования является ортогональная турбина, однако, для более точного описания ее рабочих процессов необходимо рассмотреть влияние параметров водного потока, и лопастной системы. Для этого разработанная уточненная силовая модель лопасти турбины, модель лопастной системы, позволяющая получить ее напряженно-деформированное состояние, и модель водного потока, позволяющая точно учесть влияние его параметров на характеристики турбины. При проектировании ортогональной турбины и обеспечения качества принимаемых решений необходимо проводить оптимизацию параметров лопастной системы, конструктивных элементов турбины, и оптимизацию подвода потока в рабочую область турбины. Архитектура проектируемой среды автоматизированного синтеза и анализа параметров ортогональной турбины приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Блок-схема взаимодействия подсистем проектирования ортогональной турбины

Целью поиска оптимальных параметров ортогональной турбины является выбор наилучшего варианта, что подразумевает наличие критерия оптимальности - количественной оценки оптимизируемого показателя качества ортогональной турбины. К показателям качества ортогональной турбины можно отнести: массогабаритные показатели, технологичность, надежность, значение неравномерности вырабатываемой мощности, суммарные затраты на изготовление и эксплуатацию и т.д. Энергетическая эффективность турбины зависит от сочетания геометрических характеристик турбины, скорости реки и геометрии профиля лопасти. Математическая модель поиска оптимальной геометрии профиля лопасти отражает реальные физические процессы и является нелинейной. Переменные данной модели связаны между собой физическими нелинейными законами, такими как

законы сохранения массы и энергии, при этом они ограничены предельными диапазонами, обеспечивающие физическую реализуемость ортогональной турбины.

Выбор оптимальной комбинации параметров турбины является многокритериальной многопараметрической задачей оптимизации, решение которой заключается в применения комбинации генетического и градиентного алгоритмов оптимизации.

Для анализа форм динамических характеристик ортогональной турбины, турбина представлена в виде стержневой системы. Стержень как основной элемент стержневой системы, является одномерным континуумом. В этой связи процессы воздействия на него в большинстве случаев описываются сравнительно простыми дифференциальными уравнениями, для которых можно получить аналитическое решение. Теория решений дифференциальных уравнений позволяет учесть особенности геометрии и нагрузки стержня, кроме того данный метод обладает сравнительной простотой его реализации. На рисунке 2 представлена расчетная схема для определения статических и динамических характеристик одного из типов лопастной системы.

Рисунок 2 - Расчетная схема лопастной системы

Решение задачи определения собственных частот и форм колебаний стержней также основано на применении МГЭ, имеющего ряд преимуществ, таких как: получение более точного спектра частот, отсутствие точек разрыва 2-ого рода в частотном уравнении, исключается появление фиктивных и пропуск действительных частот. На примере колебаний лопасти

ортогональной турбины, МГЭ позволил определить собственные частоты и формы колебаний. Погрешность решения составила не более 0,001 в сравнении с аналитическим решением задачи. Задание и анализ возмущающего воздействия при исследовании вынужденных колебаний выполнялось путем разложения в ряд Фурье функций действующих нагрузок, полученных аналитически (рисунок 3).

д^оилк.х.пМи)

Рисунок 3 - Функция действующей на лопасть поперечной силы и ее амплитудно-чатотная характеристика

Для определения характеристик течения потока в окрестности рабочей области турбины, на основе метода конченых разностей реализовано численное решение уравнения Навье-Стокса:

¿и - (!)

дт-- ЗпуАи ^гайР + РЗт.

йг

Для разностной аппроксимации уравнений 2, предложена разностная схема, обеспечивающая устойчивое решение на регулярной расчетной сетке с переменным шагом. Согласно разностным схемам для каждого узла сетки выполняется вычисление производной слева и справа от него, при этом для повышения устойчивости решения достигается за счет осреднения величин по соседним узлам. На рисунке 4 показано различие в численном решении уравнений Навье-Стокса на примере распределения скоростей в направлении оси ОХ.

а) б)

Рисунок 4 - Сравнение результатов численного решения задачи обтекания лопасти (а - без осреднения по соседним узлам; б - с осреднением по

соседним узлам)

Разработанные математические модели позволяют моделировать и оптимизировать рабочий процесс ортогональной турбины с учетом параметров водотока и характеристик турбины.

Третья глава посвящена программной реализация алгоритмов проектирования ортогональной турбины.

Для использования, разработанных математических моделей, в вычислительных экспериментах, последние должны быть реализованы в виде алгоритмов и методик. Необходимые для автоматизации исследований программы:

• Построение твердотельной модели лопасти по координатам профиля

• Построение конечно-элементной сетки для эксперимента «Аэродинамическая труба»

• Автоматизированный численный эксперимент «Аэродинамическая труба»

• Моделирование течения вязкой несжимаемой жидкости на основе конечно-разностной аппроксимации уравнений Навье-Стокса, с реализацией вычислений на графическом процессоре NVIDIA

• Расчет силовых и энергетических параметров турбины по ее геометрическим параметрам и характеристикам используемого профиля лопасти

• Оптимизация параметров ортогональной турбины и профиля лопасти

• Оптимизация характеристик проточной части турбины

• Моделирование динамической системы «Турбина - Генератор -Потребитель»

• Расчет НДС турбины, описанной в виде стержневой системы, при

решении задач статики и динамики

Программный код, реализованных программ, основан на объектно-ориентированной парадигме программирования. Концепция объектов, связь потоков данных и их структуры подробно описаны в данной главе. Интерфейсы программ реализованы в виде командной строки и графическом пользовательском интерфейсе Windows. Модуль построения твердотельной модели лопасти предназначен быстрого построения лопасти турбины в среде SolidWokrs по заданным параметрам профиля крыла, и возможности выполнения геометрических модификаций крыла, таких как изгиб по радиусу, смещение максимального утолщения профиля, изменение величины утолщения и свободной модификации по точкам. Модуль построения конечно-элементной сетки предназначен для выполнения автоматизированного алгоритма создания расчетной сетки в среде ICEM CFD, обладает функционалом задания размеров элементов на геометрии расчетной области, и подготовки созданной сетки к расчету в ANSYS CFX. Модуль выполнения автоматизированного численного эксперимента в среде ANSYS CFX предназначен для выполнения последовательности действий необходимых для постановки задачи, запуска процесса решения, сбора и обработки результатов эксперимента. Модуль моделирования течения вязкой несжимаемой жидкости предназначен для определения характеристик потока в окрестности рабочей области турбины, необходимых в ходе моделирования рабочего процесса ортогональной турбины, и оптимизации характеристик профиля лопасти турбины. Обладает функционалом задания произвольной геометрии расчетной области в плоской постановке задачи, задания граничных условий, и выполнение вычислений на графическом процессоре, обеспечивающим многократный прирост производительности. Модуль расчета силовых и энергетических характеристик ортогональной турбины, предназначен для интеграции разработанных программных инструментов в едином информационном пространстве с целью реализации методики проектирования турбины. Модуль оптимизации параметров ортогональной турбины и характеристик профиля, предназначен для реализации алгоритмов градиентной и генетической оптимизации, при этом вычисление значений целевых функций осуществляется с использования модуля определения силовых и энергетических параметров турбины. Модуль оптимизации проточной камеры, является независимым модулем, необходимым для определения геометрии стенок проточной камеры по критерию обеспечения максимального КПД свободнопоточной микроГЭС.

Четвертая глава посвящена вычислительным и натурным экспериментальным исследованиям ортогональной турбины. Для проведения вычислительных экспериментов использовались программные продукты: SolidWorks, необходимый для генерации твердотельных и поверхностных моделей; ICEM CFD, применяемый для генерации сеточных моделей; ANSYS Mechanical и CFX, используемые для моделирования задач определения НДС твердого тела и исследования течений жидких сред.

Целью проведения автоматизированного вычислительного эксперимента являлось создания базы данных основных аэродинамических характеристик профилей, таких как: коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления, коэффициент аэродинамического момента, коэффициент смещения центра давления в зависимости от изменения угла атаки. Геометрическая модель аэродинамической трубы, используемая в эксперименте, состоит из двух подобластей, и представляет собой канал прямоугольного сечения с расположенной внутри него цилиндрической областью, содержащей поверхность, образованную крыловидным профилем.

Для верификации аналитических моделей выполнялось моделирование нестационарной задачи внешнего обтекания ортогональной турбины. На рисунке 5 представлен результат моделирования в виде поля значений модуля скорости._

Velocity in Sin Frame Plano 1

Рисунок 5 - Результат численного моделирования турбины, имеющей одну

лопасть

С использованием созданной динамической модели турбины, исследовались ее переходные процессы (рисунок 6).

Угловая скоротъ во времени

1М мщ ¥Л Мг

/

7 /

1

1

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Время [се«|

Рисунок 6 - График изменения угловой скорости турбины во времени

С целью проверки работоспособности турбины решалась задача определения НДС элементов турбины (рисунок 7)

Рисунок 7 - Результаты статического и частотного анализов

С использованием динамических моделей электрических машин программного пакета 81тиНпк, создана динамическая модель гидрогенератора работающего на нагрузку, позволяющая исследовать

электромеханические параметры системы с целью проектирования системы управления.

Динамическая модель турбины, работающей на нагрузку, представлена в виде дифференциального уравнения 2:

йы _Т -Те (2)

ЙС /

где, ] - момент инерции турбины; Те - электромагнитный момент на генераторе.

В созданной динамической модели мы можем наблюдать изменение во времени частоты вращения валов турбины и генератора, крутящего момента турбины и электромагнитного момента генератора, напряжения и силы тока, а также полную электрическую мощность генератора.

Если в вычислительных экспериментах получены качественные и количественные характеристики влияния наиболее существенных факторов на поведение турбины и ее работоспособность, то в физическом эксперименте ставилась цель проверки адекватности моделей при номинальном режиме работы турбины.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена натурными испытаниями свободнопоточной и напорной микроГЭС, в состав которых вошли турбины, спроектированный с применением созданной методики проектирования ортогональной турбины. На рисунке 8 показано сопоставление расчетной кривой внешней характеристики турбины, и точек, полученных в результате натурных испытаний.

Рисунок 8 - Мощность микроГЭС в зависимости от частоты вращения

турбины

Натурные эксперименты подтвердили адекватность созданных расчетных моделей, а также позволили выявить проблемные места конструкций микроГЭС, связанных с обеспечением работоспособности микроГЭС в течение всего срока их эксплуатации.

Заключение

При выполнении настоящей работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Обзор работ, посвященных вопросам исследования, проектирования, испытаний и внедрения ортогональных турбин, показал недостаточную изученность ряда важных аспектов рабочего процесса турбин, таких как: влияние геометрии лопасти и стесненности потока на коэффициент использования энергии потока, влияние торможения потока в рабочей области турбины, вызванного потерей импульса потока. Недостаточно внимание уделено решению задачи оптимизации энергетических параметров турбины, исследованию напряженно-деформированного состояния рабочих элементов, и анализу динамических характеристик турбины.

2. Обоснован выбор метода объектно-классификационного моделирования задачи, позволившего в результате учесть взаимодействие основных объектов исследования и их свойства.

3. Проведен комплекс исследований на основе численного и физического экспериментов позволивших оценить влияния геометрических параметров турбины, параметров водного потока на эффективность преобразования энергии водного потока в механическую энергию турбины, создана база данных аэродинамических характеристик профилей, используемая при проектировании турбины.

4. Полученные результаты, использованы в расчетной методологии при проектировании в ходе определения действующих нагрузок, и расчета КПД. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены при создании установочной серии свободнопоточных микроГЭС (патент РФ № патенты РФ № 2247859, № 105949), и при разработке напорной конструкции ортогональной турбины кольцевой формы (патент РФ № 104975).

5. Теория и методы исследования процессов, влияющих на техническое состояние ортогональной турбины, как объекта машиностроения, и разработанные способы управления этими процессами, созданы на основе модели рабочего процесса

ортогональной турбины, учитывающей геометрию лопасти и лопастной системы в целом, потерю импульса водного потока, действующее НДС системы, параметры водного потока, и режим работы турбины.

6. Методы исследования и оптимизации технического состояния ортогональной турбины, реализованные в виде программных модулей.

7. Теория и методы проектирования ортогональной турбины, основанные на алгоритме, объединяющем совокупность разработанных математических моделей.

8. Повышение точности и достоверности расчетов ортогональной турбины, достигнутое проверкой корректности разработанных моделей методами численного моделирования и натурными испытаниями.

9. Создание компонента САПР, предназначенного для проектирования ортогональной турбины, базирующегося на сравнительно более совершенной модели функционирования ортогональной турбины.

10. Теория проектирования нового типа ортогональной турбины, принцип работы которой основан на использовании эффекта гидроудара.

11. Результаты диссертационной работы (рекомендации по проектированию ортогональной турбины) использованы в учебном процессе по дисциплине «Проектирование изделий в интегрированных средах» в Сибирском федеральном университете, а используемая методика объектно-классификационного моделирования совместно с разработанными численными алгоритмами использована в учебном процессе по дисциплине «Программирование инженерных задач».

Основные публикации по теме диссертации:

Основные положения диссертации отражены в публикациях; общее количество работ - 15 из них 1 статья, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК, 6 статей, опубликованных в других изданиях, 2 свидетельства о регистрации ПО, 6 патентов РФ.

-список основных научных работ:

статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Спирин Е.А., Головин М.П. Перспективы использования малой гидроэнергетики в сибирском регионе // Вестник СибГАУ.: Красноярск - 2010, с .179 -184.

статьи, опубликованные в других изданиях:

2. Спирин Е.А. Исследование процесса обтекания потоком воды ортогональной турбины //Сборник материалов всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2008.

3. Спирин, Е. А. Повышение энергетических характеристик ортогональной турбины / Е. А. Спирин // Машиностроение.: Красноярск, 2008, с. 97 - 103.

4. Спирин Е.А., Головин М.П. Повышение технического уровня свободнопоточной микроГЭС на основе новых расчетных моделей ортогональной турбины //. Сборник материалов V Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.: Красноярск, 2009, с 200.

5. Спирин Е.А., Головин М.П. Применение метода граничных элементов в определении динамических характеристик ортогональной турбины // Материалы XV Международной научной конференции «Решетневские чтения».: Красноярск, 2011, с. 247-248.

6. Спирин Е.А. Материал городской научно-практической конференции «Инновационный Красноярск - 2020»

7. Спирин Е.А. Лепп Э.И. Численное решение системы уравнений Навье-Стокса с использование платформы CUDA// Молодежь и наука: сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции, ред. O.A. Краев - Красноярск: Сиб.федер.ун-т., 2012.

патенты и свидетельства:

8. Свидетельство о регистрации программного обеспечения №2011611519 «Расчет значений собственной частоты колебаний лопасти», 2011.

9. Свидетельство о регистрации программного обеспечения №2011611520 «Расчет параметров ортогональной турбины», 2011.

10. Патент 2247859 РФ. Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция. МПК7 F 03 В 13/00 Головин М. П., Встовский А. Л., № 2003127811/06. Заявлено 15.09.03. Опубл. 10.03.05, Бюл.: № 7.

11. Патент 105949 РФ. Свободнопоточная микрогидроэлектростанция МПК7 F 03 В 13/00 Головин М.П., Встовский A.JI., Спирин Е.А., Головина Л.Н., №2010146621/06. Заявлено 16.11.2010. Опубликовано 27.06.2011

12. Патент 104975 РФ. Ортогональная турбина МПК7 F 03 D 3/ Злобин В.И., Спирин Е.А., Никитин A.A., Головин М.П., Встовский A.JL, №2010148521/06. Заявлено 26.11.2010. Опубликовано 27.06.2011

13. Патент 2313887 РФ. Торцевая электрическая машина МПК7 Н 02 К 21/ Встовский А.Л., Головин М.П, Федий К.С., Головина JI.H., Спирин Е.А, №2006121299/09. Заявлено 15.06.2006. Опубликовано 27.12.2007

14. Патент 85044 РФ. Торцевая электрическая машина МПК7 Н 02 К 21/ Головин М.П, Встовский A.JL, Лимаренко Г.Н., Спирин Е.А, Головина Л.Н, №2009109567/22. Заявлено 16.03.2009. Опубликовано 20.07.2009

15. Патент 117157 РФ. Каскадная гидроэлектростанция МПК7 Е 02 В 9/00 Спирин Е.А, Злобина А.П., Минченко А.И., №2012101331/13. Заявлено 13.01.2012. Опубликовано 20.06.2012

Подписано в печать 19.02.2013. Печать плоская. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2 Тираж 52 экз. Заказ № 2

Отпечатано типографией КГБОУ НПО Профессиональное училище №86 660021, г. Красноярск, ул. Карла Маркса, 134 Тел.: +7 (391)221-11-03 E-mail: info@npo-86.ru

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

На правах рукописи

Спирин Евгений Анатольевич Теория и методы проектирования ортогональной турбины 04201355751

05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Головин Михаил Петрович

Город - Красноярск 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................3

1. Состояние проблем в области проектирования и исследования ортогональных турбин и их элементов...................................................................8

1.1 Анализ работ в области разработки и исследования ортогональных турбин......................................................................................................................8

1.2 Исследования в области работоспособности турбины....................14

1.3 Исследования в области динамики турбины.....................................17

1.4 Расчетные методы исследования НДС турбины...............................19

2. Моделирование ортогональной турбины................................................22

2.1. Описание ортогональной турбины средствами объектно-классификационного моделирования.................................................................22

2.2. Математические модели объектов исследования...........................24

2.2.1 Силовая модель лопасти, учитывающая изменение характеристик лопасти при изменении угла атаки........................................24

2.2.2 Модель водного потока.................................................................38

2.2.3 Модель лопастной системы..........................................................40

2.2.4 Оптимизационные модели............................................................48

2.3 Решения уравнений моделей...............................................................52

2.3.1 Решений уравнений водного потока............................................52

2.3.2 Решений уравнений лопастной системы.....................................58

3. Программная реализация алгоритмов.....................................................65

3.1 Подсистема оптимизации параметров ортогональной турбины.....68

3.1.1 Модуль градиентной оптимизации..............................................68

3.1.2 Модуль генетической оптимизации профиля лопасти..............71

3.2 Подсистема проектирования ортогональной турбины.....................75

3.3 Модуль конечно-элементного анализа рабочих процессов.............78

3.3.1 Модуль определения аэродинамических характеристик крыла78

3.3.2 Модуль численного решения уравнений Навье-Стокса............80

3.4 Подсистема проверки работоспособности ортогональной турбины ................................................................................................................................83

3.4.1 Модуль решения задач статики и динамики МГЭ.....................83

3.4.2 Модуль расчета конструктивных элементов...............................85

4. Экспериментальные исследования..........................................................86

4.1 Численный эксперимент......................................................................86

4.1.1 Обдувка профилей крыла в аэродинамической трубе...............87

4.1.2 Моделирование рабочего процесса турбины..............................90

4.1.3 Определение НДС..........................................................................93

4.1.4 Моделирование динамики гидрогенератора...............................94

4.2 Натурный эксперимент........................................................................98

4.2.1 Испытания свободнопоточной турбины......................................98

4.2.2 Испытания турбины под напором..............................................108

Заключение...................................................................................................123

Список литературы......................................................................................126

Введение

Актуальность работы. В России области централизованного энергоснабжения составляют не более 31% территории, при этом продолжается рост электропотребления. Промышленное развитие Сибирского региона и Дальнего Востока, а также Кавказа, Урала и Кольского полуострова, увязано с концентрацией основного гидроэнергетического потенциала в данных регионах. Реализация энергетического потенциала многоводных и горных рек, а также набольших водотоков возможна при применение малых гидроэлектростанций.

В 2005 - 2010 гг. специалисты НИЛ «Возобновляемые источники энергии» доказали целесообразность применения ортогональной турбины в составе свободнопоточной микроГЭС.

На сегодняшний день отсутствует обобщенная методика проектирования ортогональной турбины. Необходимость в создании такой методики обусловлена потребностью в применении ортогональных турбин в составе микроГЭС в широком диапазоне мощностей и условий ее эксплуатации.

Цель диссертационной работы - разработка теории и методов проектирования ортогональных турбин, обеспечивающих повышенные технические параметры и качество изделия на этапе проектирования.

Основные задачи исследования:

1. Создание модели рабочего процесса ортогональной турбины в свободном потоке, учитывающей геометрию лопасти и лопастной системы в целом, торможение потока, позволяющей обеспечить работоспособность турбины и ее элементов.

2. Исследование влияния параметров турбины на ее энергетические характеристики.

3. Разработка модели оптимизации параметров турбины по критерию максимальности коэффициента полезного действия с ограничениями по действующим нагрузкам и массогабаритным показателям, обеспечивающей повышение ее технических параметров.

4. Создание алгоритма проектирования ортогональной турбины, основанной на совокупности разработанных моделей.

5. Проверка корректности разработанных моделей и методики проектирования турбины методами численного моделирования в САЕ-средах и натурными испытаниями опытных образцов микроГЭС различной мощности.

6. Разработать компонент «Проектирование ортогональных турбин» для системы автоматизированного проектирования (САПР) свободнопоточных микроГЭС.

7. Проверка адекватности и эффективности созданного компонента САПР проектированием и испытаниями промышленного образца микроГЭС мощностью 5 кВт.

Методы исследований:

1. Теоретические основы вычислительной гидродинамики;

2. Численные методы моделирования в САЕ-средах;

3. Метод граничных элементов;

4. Методы теории алгоритмов;

5. Методы численного решения задач многокритериальной оптимизации;

6. Методы компьютерного мониторинга.

Научная новизна:

1. Разработана уточненная модель рабочего процесса ортогональной турбины, учитывающая: торможение потока в рабочей области

турбины; влияние топологии турбины и лопасти, а также их геометрических характеристик.

2. Динамическая модель ортогональной турбины, позволяющая моделировать ее переходные процессы.

3. Исследовано влияние параметров турбины на ее энергетические характеристики.

4. Разработан алгоритм оптимизации параметров ортогональной турбины, основанный на комбинации метода активных множеств и генетического алгоритма.

5. Разработан программный модуль «Проектирование ортогональных турбин»

6. Созданы новые конструкции ортогональной турбины, предназначенные для работы в свободном и напорном потоках.

На защиту выносятся

1. Уточненная модель рабочего процесса ортогональной турбины, учитывающая: торможение потока в рабочей области турбины; влияние топологии турбины и лопасти, а также их геометрических характеристик.

2. Динамическая модель ортогональной турбины, позволяющая моделировать ее переходные процессы.

3. Алгоритм оптимизационного проектирования ортогональной турбины, учитывающий основные параметры рабочего процесса, обеспечивающий эффективность параметров турбины и ее работоспособность на этапе проектирования.

4. Методика проектирования ортогональной турбины, реализованная в виде компонента САПР микроГЭС.

Практическая значимость работы

1. Практическая значимость работы заключается в применении разработанных моделей и методики при проектировании

ортогональных турбин. Созданная методика позволяет на этапе проектирования определять и оптимизировать параметры турбины, влияющие на ее качество.

2. Спроектированы, изготовлены и успешно прошли испытания опытные и опытно-промышленные образцы микроГЭС мощностью 1,3,10 кВт.

3. Стоят на опытной эксплуатации два образца установочной партии микроГЭС мощностью 1 кВт.

4. Получен сертификат соответствия микроГЭС требованиям технических условий к изделиям этой категории.

5. Спроектирован, изготовлен, находится в опытной эксплуатации промышленный образец микроГЭС мощностью 5 кВт.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались на XV Международной научной конференции «Решетневские чтения» 2011г., в 2011 году на Красноярской научно-практической конференции «Инновационный Красноярск 2020».

Материалы, полученные коллективом разработчиков микроГЭС были доложены в 2005, 2006 гг. на международных выставках в г.Харбин (КНР), и выставлялись в международном выставочном центре «Сибирь» 2006, 2009гг. в г.Красноярск..

Результаты работы и перспективы внедрения обсуждались на второй Киргизско-Российской межрегиональной конференции «Расширение межрегионального сотрудничества Киргизской республики и Российской федерации как фактор обеспечения устойчивого развития экономики». Секция «»Совместные российско-киргизские инфраструктурные и инвестиционные проекты в гидроэнергетической, нефтегазовой, транспортной и телекоммуникационной сферах: состояние и перспективы.

Личный вклад автора

Разработана математическая модель рабочего процесса ортогональной турбины, основанная на существующем представлении и формальном описании базовых процессов аэродинамики. Существенной доработкой существующей модели является включение в модель функций, описывающих зависимость аэродинамических характеристик профиля лопасти турбины, а также учет таких явлений как смещение центра давления вдоль хорды лопасти, и торможение потока в рабочей области турбины. Автором был выполнен ряд численных экспериментов, позволивших апробировать созданные аналитические модели и накопить множество экспериментальных данных, а также автор принимал участия в подготовке и проведении всех натурных испытаний свободнопоточных микроГЭС мощность от 1 до 10 кВт, и напорных микроГЭС мощностью до 10 кВт. Разработан алгоритм оптимизации параметров турбины. Оптимизация параметров лопастной системы и турбины решена при помощи адаптации существующих алгоритмов оптимизации, таких как метод активных множеств и генетическая оптимизация. Целевые функции оптимизации сформулированы с применением разработанной модели рабочего процесса турбины. Автором реализованы алгоритмы проектирования и оптимизации параметров турбины в виде программных модулей.

1. Состояние проблем в области проектирования и исследования ортогональных турбин и их элементов

В 1931 году инженер Дарье (ОЛ.М. ОагпеиБ) получил патент на изобретение «Турбина имеющая ось вращения перпендикулярную набегающему потоку» №1835018. Основными преимуществами своего изобретения он считал: сравнительно высокую быстроходность турбины, обеспечивающей возможность исключения дорогостоящих тяжелых механических передач; низкие потери, обусловленные минимальным сопротивлением потоку профилированных лопастей, являющимися рабочими органами; независимость работоспособности турбины от направления потока. Примечательным является тог факт, что Дарье в своем патенте описал 20 различных вариаций конструкций турбины, не приводя при этом ни одной формулы, описывающей энергетику турбины. В 1975 г. Масгроув в Канаде предложил заменить в роторе Дарье изогнутые лопасти прямыми. В 1984-1986 в Японии и Канаде были испытаны в напорном потоке поперечно-струйные турбины с прямыми лопастями крыловидного сечения. Однако их коэффициент полезного действия оказался не более 40% и дальнейшие исследования были прекращены.

1.1Анализ работ в области разработки и исследования ортогональных турбин

В период с 1989 г. по 2000 г. специалисты ОАО «НИИЭС», в результате экспериментальных исследований определив оптимальные геометрические параметры проточной части и лопастной системы поперечно-струйной турбины, повысили её КПД до 65 % и доказали целесообразность её применения в напорных гидроэлектростанциях.

Теоретические и экспериментальные исследования ротора Дарье интенсивно ведутся с 80-х годов. В ряде стран начали разрабатывать новые конструкции вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ) с ротором Дарье [1,2]. В настоящее время накоплен большой опыт в разработке и эксплуатации таких ВЭУ.

Дальнейшее совершенствование конструкции энергетических установок с ротором Дарье требует решения ряда проблем. Основное место среди них занимают проблемы аэродинамического расчета, самозапуска ротора и ограничение его оборотов, а также выбор параметров конструкции при которых энергия потока используется наиболее эффективно. Решению этих проблем посвящены работы [3-7].

В работах [3,4] приведены результаты экспериментальных исследований роторов Дарье с прямыми лопастями в широком диапазоне изменений конструктивных параметров, в [5] предложена методика расчета ротора на основе теории подъемной силы, в [6,7] установленная аналогия между вращающимися лопастями ротора Дарье с машущим крылом и, как следствие этого, показана возможность получения ротором Дарье энергии потока больше, чем идеальным ветроколесом пропеллерного типа. Кроме того , в [7] предложен новый способ аэродинамического регулирования числа оборотов ротора. Существенный вклад в развитие ортогональных турбин внес доктор технических наук В.М. Ляхтер, разработавший конструкцию геликоидной (с лопастями изогнутыми по винтовой линий) турбины, отличающейся высокой сбалансированностью аэродинамической нагрузки.

Анализ опубликованных по этой проблеме материалов [8,12], не позволяет аргументировать выбор параметров ротора и, тем более, провести их оптимизацию при проектировании для конкретных условий эксплуатации. В работах [8,11] приводятся данные экспериментальных исследований некоторых частных случаев исполнения ортогональных турбин с декларируемыми большими энергетическими характеристиками по сравнению с аналогами. В частности, для погружного энергоблока представляет интерес

конструктивный вариант устройства направляющего пандуса или вута от дна русла реки к нижней отметке (уровню) трассы лопастей ортогональной турбины [12]. Устройство такого вута, как утверждается в данной работе, увеличивает коэффициент использования энергии потока Сп от 0,54 - в свободном потоке до 0,69 в схеме с вутом, быстроходность увеличивается до 3,5.

В работе [11] схема определения геометрических параметров проектируемой турбины основывается на зависимости коэффициента использования мощности потока Сп от относительной скорости движения лопасти, полученной в ходе экспериментов в гидравлическом лотке или в аэродинамической трубе при различных условиях. Однако основания для выбора конкретной энергетической характеристики не приводятся, так же как и точные значения параметров, при которых они были получены.

Следует отметить, что в рассмотренных работах недостаточно полно раскрывается влияние формы профиля лопасти на энергетические характеристики проектируемой турбины и критерии ее выбора.

Результаты приведенных выше исследований позволяют обобщить информацию о наиболее эффективном положении лопасти следующим образом: хорда лопасти должна быть ориентирована по касательной к круговой траектории движения или под углом (3..5°) к касательной. В ортогональной турбине используется действие тянущей силы, возникающей при обтекании лопастей с углами атаки, меньшими критического.

В работах [10,12] использованы упрощенные схемы расчета так называемого «идеального» агрегата или - «ноль-размерные» модели. Не останавливаясь подробно на деталях рассмотренных расчетных схем, отметим, что результаты оценок Сп по различным моделям сильно отличаются, а убедительные основания для выбора модели отсутствуют. Данные расчетные модели позволяют формально учесть многое - профиль лопасти (коэффициенты Су, Сх), количество лопастей, угол установки лопасти и

другое, однако торможение потока перед ОРК , а значит и быстроходность z и коэффициент С„ по этим моделям определяются на основании ряда допущений [12], экспериментально не подтвержденных. Кроме того, использование таких моделей не позволяет учесть влияние граничных условий.

Параллельно с развитием конструкции ортогональной турбины развивались и методы ее теоретических и экспериментальных исследований. Проблема проектирования ортогональной турбины заключается в тесной связи задачи конструкционной оптимизации и гидродинамических эффектов, т.е задача является мультидисциплинарной. Чтобы оптимизировать и изучить энергетическое и механическое поведения турбины, у инженера должны быть методы моделирования рабочего процесса с низкими временными затратами.

Среди множества методов теоретического исследования ортогональных турбины основными являются: теория элемента крыла {Blade element theory)', импульсная теория элемента крыла {Blade element momentum (BEM) theory)', одномерные тео�