Об одной математической модели современных ветротурбин

А.К. Тулепбергенов  (Алматы)

Существует большое разнообразие конструкций ветротурбин, но по принципу работы их можно разбить на два основных типа: а) работающие за счет сил давления ветра (парусные), б) за счет подъемной силы крыла (пропеллерные и Дарье). Вращение ветротурбины первого типа происходит вследствие лобового действия силы динамического давления ветра на плоскость рабочей лопасти. Из-за плохообтекаемости рабочих лопастей ветротурбина имеет небольшую быстроходность, ее габариты ограничены, и коэффициент использования энергии ветра не превышает 0,12-0,15. Таким образом, рабочие лопасти такой турбины создают на ветровой поток большее сопротивление, чем снимают с него часть энергии. Производство таких турбин  также не развито. Наибольшее применение и развитие на сегодняшний день получили ветроагрегаты, работающие за счет подъемной силы крыла. Они имеют сравнительно высокий коэффициент использования энергии ветра 0,45. Их делят на два типа по расположению вращающихся валов и рабочих лопаток: а) горизонтально - осевые (тип пропеллерный); б) вертикально - осевые (“Дарье”). Все теории по исследованию аэродинамики современных ветротурбин можно разделить на три группы: 1) импульсные теории, основанные на модели следа в виде трубок тока, подразделяющиеся на однотрубчатую, многотрубчатую и двойную многотрубчатую модели; 2) вихревые теории, основанные на модели свободного или жесткого следа; 3) теории местной циркуляции. Хотя все эти модели развивались за рубежом, начиная с 1977 г., на достаточно высоком уровне и были получены хорошие теоретические результаты, сопоставленные с экспериментом, но они не могут раскрыть полную физическую (аэродинамическую) картину взаимодействия ротора «Дарье» с воздушным потоком. В данной работе предлагается математическая модель взаимодействия прямолопастной ветротурбины «Дарье» с воздушным потоком, которая описывается полными уравнениями Навье-Стокса и неразрывности. В качестве аэродинамических сил сопротивления ветровому потоку берутся проекции осредненных сил сопротивления и подъемной силы лопасти (в обратном направлении) на оси ОX и ОY в виде сосредоточенных источников и входят в правую часть уравнений движения. Для определения этих массовых сил сначала определяется угол атаки и скорость атаки, а коэффициенты подъемной силы и сил сопротивления зависят только от угла атаки. Данную модель можно применить также для расчета аэродинамических параметров ветротурбины пропеллерного типа. В докладе излагаются полученные результаты расчета.