В настоящее время остро стоит вопрос экологии, и потребность в получении чистой энергии с каждым годом становится всё более актуальной. Решением этой проблемы может служить ветроэнергетика, которая на сегодняшний день является одной из наиболее перспективных видов возобновляемой энергии в мире. Ветряные турбины не загрязняют окружающую среду и не создают вредных выбросов, таких как сера и азотные оксиды, являющиеся причиной смога и других форм загрязнения воздуха. Стоит добавить, что в последние годы ветроэнергетика активно развивается и в России, где уже функционирует несколько крупных компаний, занимающихся строительством ветропарков.
Принцип работы ветроэнергетических установок (ВЭУ) достаточно прост: они преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью лопастей и генератора. А использование данной энергии способствует снижению уровня загрязнения атмосферы и уменьшению экологического следа.
Однако, несмотря на очевидные преимущества, ветроэнергетика остаётся достаточно дорогим решением. Высокая стоимость оборудования, постоянные расходы на эксплуатацию и ограниченный срок службы значительно уменьшают рентабельность таких проектов. Поэтому уже на этапе проектирования важно учитывать все возможные проблемы и рассматривать различные варианты, чтобы сделать этот способ производства энергии более выгодным. Одним из путей является оптимизация с помощью инструментов, позволяющих сократить время разработки и снизить затраты на создание новых изделий.
Компания ЛС-Технологии приняла участие в разработке лопастей и оптимизации их аэродинамических характеристик для ВЭУ, предназначенной для установки в местах сильных ветров. Поэтому, в данной статье мы поделимся своим опытом и расскажем, как можно достичь оптимальных результатов при проектировании формы лопастей ветряка, а также какими инструментами следует пользоваться для получения наилучших характеристик в кратчайшие сроки. В качестве наиболее близкого прототипа будем опираться на исходные паспортные характеристики модели Vestas V90 мощностью 3 мегаватта (Рис. 1)
Параметризация лопастей, как первый шаг
При разработке геометрии мы столкнулись с особенностью, заключающейся в том, что лопасть ветряка не имеет единого профиля по всей своей длине. В корневых сечениях лопасти применяются профили из семейства DU, обеспечивающие необходимые прочностные характеристики, тогда как на концевых сечениях используются профили из семейства NACA, отвечающие аэродинамическим требованиям.
Перейдем к следующему аспекту. При подходе к оптимизации важно работать с настоящей трехмерной геометрией, а не просто с набором плоских сечений. Создав трехмерную модель в CAD-системе, выяснилось, что на лопасть ВЭУ приходится более 100 исходных точек, на которые невозможно воздействовать напрямую с помощью оптимизатора из-за осцилляций и зазоров, возникающих на поверхностях изделия. Кроме того, такое большое количество точек ограничивает возможность изменения формы модели в широком диапазоне.
Как итог – попытка создать геометрию в CAD-системе с минимальным числом параметров, способную изменять форму в реальном времени и деформироваться в широком диапазоне, не увенчалась успехом.
Как же быть? Гораздо эффективнее разработать геометрию лопасти с помощью программного обеспечения Flypoint Parametrica, которое сократит количество управляемых параметров, путем наложения специальных деформационных кривых на исходные сплайны, и обеспечит возможность управления формой модели в режиме реального времени.
Забегая немного вперед, отметим, что важным моментом является то, что благодаря высокому качеству поверхностей удалось сразу передать геометрию на производство оправки, что сократило время на согласование между конструкторами и производителями.
Моделирование аэродинамики лопасти ветряка
Перейдём к следующему этапу — математическому моделированию обтекания роторной части ВЭУ на номинальном режиме. Для определения аэродинамических характеристик ветротурбины были заданы следующие начальные условия:
- Номинальная мощность ветрогенератора – 3 МВт;
- Номинальная скорость набегающего потока – 16 м/с;
- Скорость вращения ветротурбины – 16,1 об/мин;
- Диаметр ротора – 90 м;
- Длина лопасти – 44 м.
Для решения задачи использовалась программа Star-ССM+, где применялись нестационарные уравнения Навье-Стокса и модель турбулентности k-ω SST Ментера.
Далее была создана расчетная область, а её границы задавались на таком расстоянии от поверхности ротора, на котором исключается влияние граничных условий на получаемые результаты (Рис. 4).
Расчетная сетка составила 7 миллионов ячеек, а параметр у+ находился в пределах от 30 до 120. В рамках работы также проводился анализ вихревых структур, образующихся при взаимодействии воздушного потока с ротором ветрогенератора (Рис. 5).
Для более глубокого понимания влияния аэродинамических характеристик на конструкцию лопастей, следует рассмотреть особенности профилей и их роль в эффективности работы ветрогенератора.
Коротко о важном
Система управления ветрогенератором обеспечивает максимальную эффективность преобразования энергии ветра в электричество. Она контролирует скорость ветра и регулирует угол поворота лопастей, чтобы оптимально использовать воздушный поток. Для достижения этого важно понимать особенности обтекания роторной части ВЭУ воздухом. Поэтому обратим внимание на профиль, лежащий в основе лопасти ветрогенератора (Рис. 6), и рассмотрим ключевые характеристики:
- В каждом сечении профиль лопасти наклонён под определённым углом к плоскости вращения. Этот угол называется углом установки β;
- Роторная части ВЭУ вращается под воздействием воздуха со скоростью Uветра. Скорость вращения и скорость ветра влияют друг на друга, и их сочетание позволяет понять, с какой общей скоростью Uотн воздух попадает на лопасть;
- Для более точных расчётов силы сопротивления воздуха, которые действуют на конструкцию, проецируются на оси декартовой системы координат (будто мы смотрим на движение по вертикали и горизонтали). И по полученным данным вычисляется угол атаки α;
- НО необходимо учитывать не только скорость вращения и скорость ветра, но и угол установки лопасти. Поэтому реальный угол атаки α̍ немного отличается. Он вычисляется через разность угла атаки α и угла установки β.
Определение реальных углов атаки на всех участках лопасти важно для расчета, так как это помогает понять особенности обтекания и спланировать оптимизацию формы изделия. Поэтому в нашем подходе мы акцентируем внимание именно на расчете реальных углов атаки, поскольку эти параметры являются ключевыми для улучшения аэродинамической эффективности лопасти.
Цель оптимизации
Для того, чтобы создать такую лопасть ВЭУ, которая будет максимально эффективно преобразовывать энергию ветра в электричество необходимо определить главную цель оптимизации и задать управляющие параметры, которые будут варьироваться и менять конструкцию в процессе оптимизации.
Итак, постановка задачи оптимизации выглядит следующим образом:
- Целевая функция – повышение значения момента на номинальном режиме работы ВЭУ, при этом мощность не должна значительно превышать 3 МВт.
- В качестве управляемых параметров выбраны углы установки лопасти ветряка – 3 параметра по длине лопасти в диапазоне от - 4 до 4 градусов.
Управляя углами установки, мы тем самым находим такое положение лопастей, при котором достигается максимальная мощность, и как следствие, генерируется максимальное количество энергии.
Автоматизированная оптимизация в три этапа
Рассмотрим более подробно, как осуществляется каждый этап оптимизации:
- На первом этапе создается параметрическая 3D-модель ветроколеса в Flypoint Parametrica;
- Далее модель передается в решатель Star-CCM+, где также в автоматическом режиме создается расчетная сетка и выполняется расчет;
- Полученные в результате расчета аэродинамические характеристики ВЭУ, отправляются в оптимизатор pSeven, который осуществляет поиск оптимального значения целевой функции.
Данный процесс значительно упрощает наша программная платформа LS-TECH Framework. Благодаря программе каждый этап связан, настроен и, что особенно важно, автоматизирован. Это снижает порог входа в оптимизационные задачи и позволяет сократить время специалиста на выполнение рутинных операций.
Важно добавить, что результат гарантирован вне зависимости от того какой решатель (будь то Star-CCM+, Fluent или FlowVision), а также оптимизатор (pSeven, Ansys optiSLang или IOSO) вы хотите использовать в работе. Кроме того, в LS-TECH Framework возможно подключить коды собственной разработки и провести оптимизацию с применением некоммерческого ПО.
Платформа LS-TECH Framework входит в Реестр Российского программного обеспечения и уже применяется на крупных предприятиях нашей страны.
Результаты оптимизации
Перейдем к заключительной части – анализу до и после оптимизации. В результате оптимизации лопастей ВЭУ на номинальном режиме удалось увеличить значения момента и мощности установки на 36%. Такое значительное увеличение мощности удалось достичь благодаря нахождению оптимального распределения углов атаки по длине лопасти.
Важно подчеркнуть, что в результате оптимизации значение номинальной мощности превысило требуемую характеристику в 3 мегаватта. Поэтому, были проведены дополнительные расчеты, в которых скорость ветра на номинальном режиме оставалась неизменной, а скорость вращения ветротурбины была уменьшена на 1 оборот в минуту. Особо отметим, что при этом мы сохранили оптимальное значение реального угла атаки на концевом сечении лопасти.
Дополнительные расчеты помогли достичь мощности чуть выше 3 МВт при сниженной скорости вращения ротора. Это снизит нагрузку на ротор и продлит срок службы подвижных частей ветротурбины.
На рисунках 8 – 9 представлено изменение углов установки лопасти до и после оптимизации для относительных радиусов равных 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 соответственно.
Проведенное исследование показывает, как сильно могут измениться интегральные характеристики при изменении углов установки лопасти, несмотря на ограниченный диапазон изменения параметров.
Производство лопастей после оптимизации
Сейчас полноразмерная лопасть длиной 44 метров находится в производстве. Кроме того, специально для демонстрации возможностей нашего Заказчика, мы подготовили уменьшенную копию лопасти ветротурбины длиной 6 метров. Данную модель мы также получили в Flypoint Parametrica и передали напрямую на производственный станок, минуя большое количество промежуточной конструкторской документации. Шестиметровая копия была изготовлена с применением современных технологий и представлена на Петербургском Международном Экономическом Форуме (ПМЭФ).
Результаты и выводы
С помощью Flypoint Parametrica мы создали параметрическую 3D-модель лопасти с небольшим количеством управляемых параметров и без упрощения ее исходного математического описания. Меняя всего три параметра, удалось проанализировать множество вариантов углов установки и найти положение лопастей, при котором генерируется максимальное количество энергии.
Весь процесс оптимизации был автоматизирован с помощью нашей платформы LS-TECH Framework, а цикл оптимизации не требовал участия инженера на каждой итерации, что существенно сократило время проектирования.
Результат оптимизации оказался значительным: мощность ветряка увеличилась на 36%, при сохранении всех заданных ограничений, что повысило эффективность работы установки.
Наша технология трехмерной параметрической оптимизации вновь показывает свою эффективность. А полноразмерная лопасть, разработанная с использованием Flypoint Parametrica и LS-TECH Framework, уже находится в производстве и в будущем будет обеспечивать электричеством жителей нашей страны.
Спасибо, что дочитали нашу статью до конца! Мы искренне ценим вашу поддержку и интерес к нашей работе. Если материал вам понравился, обязательно поставьте лайк — это поможет другим тоже найти данную статью. Подписывайтесь на наш Дзен-канал, чтобы не пропустить новые интересные материалы. Ваши лайки и подписки мотивируют нас развиваться и создавать ещё больше полезного контента. Если у вас остались вопросы или мысли по статье, пишите в комментариях — мы с радостью ответим каждому!
Возможно вам будет интересно изучить другие наши статьи: