ДВУХРОТОРНЫЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АГРЕГАТЫ КАРУСЕЛЬНОГО ТИПА
Казгосженпу, ул. Айтеке би 99, Алматы, 050000, Казахстан
e-mail: *****@***ru
Группа казахстанских ученых – энтузиастов по использованию энергии ветра, с целью снижения уровня наступающего парникового эффекта в течение последних 20 лет разрабатывают вертикально-осевые аппараты (типа Дарье), с двумя коаксиально расположенными валами вращения (двухроторные ветроагрегаты) [1-13].
К настоящему времени разработаны и предложены 3 версии этих агрегатов. Как известно, конструкция Дарье имеет единственный вал вращения, и прямолинейный размах связан с двумя противоположно расположенными рабочими лопастями (см. рис. 1). Отличительной особенностью предлагаемого устройства является использование в конструкции принципа автономности работы двух коаксиально расположенных валов, связанных с турбиной и передающих энергию ветра двум генераторам тока. Таким образом, мощность, снимаемая двумя электрогенераторами постоянного тока суммируются. Для центрирования соосно установленные валы вращения отделены друг от друга опорными подшипниками, что обеспечивает возможность их независимого вращения: как согласованного в одну и ту же сторону, так и в противоположные. Размахи и рабочие лопасти могут быть выполнены в виде симметричных крыловых профилей NASA. Вращение ветроагрегата происходит за счет действия подъемных сил на рабочие лопасти. Рабочая лопасть может быть связано с валом вращения с помощью маха или способом тропоскино (см. рис. 1).
Рисунок 1а – Ветротурбина Дарье с прямыми лопастями. Рисунок 1б – Ветротурбина Дарье системы тропоскино (с загнутыми лопастями)
Чтобы оба вала вращались с одинаковой скоростью в зависимости от ветрового потока и сохраняли своё начальное положение, имеется электронный фиксатор, поддерживающий их вращение с одинаковой и постоянной угловой скоростью
.
Ветроагрегат Бидарье-1
Первая версия двухроторных машин названная Бидарье-1, уже достаточно широко известный ветроагрегат в Казахстане. В какой-то мере такой ветроагрегат можно рассматривать как два агрегата Дарье вложенных друг в друга и развернутых на 900 так, что размахи перпендикулярны друг к другу [1-3,6-9,11].
Вначале была изготовлена действующая лабораторная модель (см. рис. 2) и испытана в аэродинамической трубе. Действующая модель ветротурбины Бидарье-1 изготовлена в АО НИИ “Гидроприбор” (г. Уральск). Размеры модели подобраны так, чтобы она свободно помещалась в рабочем участке аэродинамической трубы этого института.
Каждая пара лопастей была соединена взаимно перпендикулярными размахами. Таким образом, четыре лопасти отстояли друг от друга на 90°. Фотография самой модели ветротурбины Дарье приведена на рис. 2а и б.
С целью сравнения величин коэффициентов использования энергии ветра ξ модель могла работать как в режиме Дарье, так и Бидарье-1.
Рис. 2. Двухроторные Бидарье-1: a) действующая лабораторная модель Бидарье-1. б) модель Бидарье-1 в рабочем участке аэродинамической трубы (вид сверху)
Предлагаемое устройство Бидарье-1 помещено в один корпус и состоит из двух коаксиально расположенных валов вращения, с которыми рабочие лопасти связаны с помощью размахов. Отличительной особенностью устройства является использование в конструкции принципа автономности работы валов вращения, соединенных с ветротурбиной и передающих энергию ветра двум электрическим генераторам.
Полупромышленный образец Бидарье-1
Убедившись в эффективности двухроторной машины на действующей лабораторной модели была изготовлена полупромышленный образец ветроагрегата Бидарье-1 (см. рис. 3).
Конструкция полупромышленного образца этого аппарата позволяет вращаться коаксиально расположенным валам в противоположенных направлениях. В этом случае можно использовать один двухконтурный электрогенератор.
Испытания ветроагрегата Бидарье-1 показали, что коэффициент использования энергии ветра ξ на 40% выше, чем у Дарье при одинаковых мощностях ветроагрегата (см. рис. 4 заштрихованный участок). Величина ξ достигает предельной величины ограниченной постулатом Бетца и даже может несколько превысить. Дело в том, что Бидарье-1 составлен из двух обычных Дарье, каждый из которых примерно имеет ξ=0,3, а в сумме дает порядка 0,6.
Рис. 4. Зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ для различных типов и конструкций ветротурбин от степени их быстроходности χ.
Ветроагрегат HBI-rotor
Разработка и изготовление Бидарье-1 подсказала возможность создания новой версии двухроторной машины HBI-ротора [4-6].
Этот агрегат представляет собой двухлопастную систему (см. рис. 5). Система состоит из двух полуразмахов с одной рабочей лопастью каждый, один из полуразмахов связан с центральным валом вращения, а другой – с наружным. В результате каждая рабочая лопасть, связанная с тем или другим полуразмахом работает автономно, независимо от другого. Загромождение на пути ветра уменьшается. Вращение обеих размахов должны происходит в одну и ту же сторону, с одинаковой угловой скоростью 
. Это приводит к увеличению ометаемой площади.
Рис. 6. Форма ометаемых площадей
обеих рабочих лопастей HBI-ротора
Таким образом, каждый из двух рабочих лопастей вращается самостоятельно по ометаемой площади в виде кольцевых поверхностей, равным диаметру ветротурбины и шириной – длине рабочих лопастей. Обе противоположно расположенных лопастей балансирует друг друга и независимы. Соответственно вторая лопасть с полумахом вращает наружный вал и имеет ометаемую площадь практически таких же видов, как и лопасть связанный с центральным валом. Схематически ометаемые площади обеих лопастей показано на рисунке 6.
Отсюда видно, что общая ометаемая площадь получается в 2 раза больше, чем у обычного Дарье. В результате количество энергии ветра используемого ветроагрегатом HBI-ротором должно возрасти вдвое, при высокой культуре производства.
Опытный вариант HBI-ротора
Разработаны и изготовлены действующий лабораторный (см. рис. 5) и опытный вариант ветроагрегата HBI ротор мощностью 5 кВт (см. фото на рис. 7). Центральный вал связан с помощью полуразмаха с одной лопастью, наружный вал - с полуразмахом со второй лопастью, которые расположены под углом 180° друг другу. Такое положение поддерживается с помощью специального фиксатора. Автономность вращения валов обеспечиваются разделяющими их шарикоподшипниками. Вырабатываемые двумя электрогенераторами энергии суммируются, что приводит к заметному увеличению коэффициента ξ, чем обычное Дарье.
Рис. 7. Опытный вариант двухроторного
ветроагрегата HBI-ротор мощностью 5 кВт
Ветроагрегат Бидарье-2
Разработка и создание двух первых версий двухроторных ветроагрегатов привели к возможности создания уникальнейшей машины, которая превосходит по всем параметрам (от высокой эффективности до простоты обслуживания) любые современные ветроэнергетические устройства. Она названа ветроагрегатом Бидарье-2 [10].
Принципиальная особенность ветроагрегата Бидарье -2 заключается в том, что в отличие от Бидарье-1 размахи имеют не прямолинейную, а Г - образную форму в виде двух полуразмахов, соединенных на одном из валов друг с другом под углом 900. Расчеты показывают, что такое конструктивное решение заметно увеличивает извлечение энергии ветра, определяющий практическую эффективность и коммерческую целесообразность ветроустановки.
Бидарье-2 представляет собой две автономные системы или две аэродинамически равноправных узла, которые балансируют друг друга вследствие жесткого соединения через металлические подшипники. Ввиду этого каждая пара представляет собой независимый ветроэнергетический агрегат. Поэтому достаточно рассмотреть одну из этих ветроэнергетических узлов, например, работу центрального вала вследствие воздействия ветрового потока на лопасти 1 и 4 (см. рис. 8). Это позволяет определить технико-экономические характеристики каждого узла независимо друг от друга. Полученные результаты на первом узле можно адекватно перенести на второй ветроэнергетический узел.
Бидарье-2, как и другие выше изложенные двухроторные машины имеет 2 коаксиальных вала вращения, отделенных друг от друга опорными подшипниками, что позволяет им вращаться автономно, в одну и ту же сторону, с одинаковой угловой 
На рис. 8 схематически показано соединение полуразмахов 5 и 6 и лопастей 1 и 4 с центральным валом вращения 10 и соединение полуразмахов 7 и 8 и лопастей 2 и 3 с наружным 11. Внешняя большая окружность это неподвижный корпус 12. Между этим корпусом 12 и наружным валом 11 находятся подшипники, как и в других наших двух роторных машинах. А второй ряд подшипников находятся между центральным 10 и наружным валом 11. Увеличение ξ связана с работами обеих узлов. Система с центральным валом вращения представляет собой первый узел Бидарье - 2. Аналогичный узел составляют полуразмахи 7 и 8 с лопастями 2 и 3 связанные с наружным валом вращения. Таким образом, ветроагрегат Бидарье-2 состоит из 2 узлов, работающих независимо друг от друга.
Проведен элементарный расчет для простого ветроагрегата Дарье и использованы эти результаты для двухроторной машины Бидарье -2. При этом, естественно, диаметр ветроколеса и угловая скорость простого Дарье и Бидарье – 2 должны быть одинаковыми.
С целью увеличения скорости ветра действующего на ветроагрегат предлагается концентратор ветровой энергии. Концентратор представляет собой систему сходящихся направляющих расположенных равномерным веером вокруг ветроагрегатов. Размеры направляющих концентраторов в данном случае позволяют увеличить скорость действующего на агрегат ветрового потока в два раза, при любом направлении ветра.
Выводы
1. На основании вышеизложенного и расчетных показателей, Бидарье-2 способно занять доминирующее положение в ветроэнергетике, в связи с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
2. Разрабатываемые нами двухроторным машинам, как по уникальной конструкции, так и технико-экономическим показателям аналогов в мире не существует.
3. При небольших размерах установки (диаметр размаха не более 6-7 метров) Бидарье-2 снимает с ветра в 4 раза больше энергии, чем обычное Дарье при таких же габаритах и скорости вращения. В результате мощность разрабатываемого ветроагрегата достигает мегаваттной величины.
4. Очень важно, чтобы Бидарье-2 был изготовлен при высокой культуре производства и из комплектующих высокого качества. Ветроагрегат Бидарье-2 можно использовать в разбросанных по степи Казахстана малых и средних хозяйствах, в пограничных заставах, для внутрипромысловых нефтепроводов тяжелых (парафинистых) нефтей. Будут полезны также для рыборазводных хозяйств находящихся на значительном расстоянии от населенного пункта и др. При необходимости можно организовать мощные ветропарки.
5. На разработку конструктивной и технологической документации, а также изготовления первого опытного образца Бидарье-2 (конструкторское бюро, технологи, опытные инженеры по сборке ВЭУ, материаловеды, слесарный цех с современными металлообрабатывающими станками и др.) и со всеми комплектующими потребуется около 1млн долларов. Понятно, что при серийном производстве Бидарье-2 его себестоимость будет, по крайней мере, на порядок дешевле.
Литература
, , Основы теории ветротурбины Дарье. - Алматы: КазгосИНТИ, 2001. - 104 с. Yershina A. K., Yershin Sh. A., Tulepbergenov A. К., Manatbayev R. K. Bi – Darrie windturbine. ASME – ATI – UIT 2010 Conference on Thermal and Environmental lssues in Energy Systems. Sorrento, Italу, from May 16th to 19th 2010. – P. 615-619. Предварительный патент № 000 РК, F03D 3/06 (2006/01). Ветротурбина Бидарье / , - № 000/0166.1; заявлено 15.02.2006; опубл. 15.02.2008, бюл. №2. Предварительный патент № 000 РК, F032D 9/00 (2006/01). Вертикально-осевая составная ветротурбина карусельного типа (варианты) / , - № 000/0165.1; заявлено 15.02.2006; опубл. 16.02.2009, бюл. № 2. Yershina A. K., Yershin Sh. A. Vertical – axial compound wind turbine of rotor - type. ASME – ATI – UIT 2010 Conference on Thermal and Environmental lssues in Energy Systems. Sorrento, Italу, from May 16th to 19th 2010. – P. 621 – 625. Теория и практика использования возобновляемых источников энергии: Учебное пособие. - Алматы: типография ТОО «378», 2015. – 216 с. Ainakul K. Yershinа, Chingiz Sh. Yershin. Progressive innovations in appling of wind energy. //Journal of International Scientific Publications: Materials, Metods& Technologies. Vol. 7, Part 3. 2013, European Union. –P. 4 — 12. Yershina A. K. A new promising version of Bi-Darrieus windturbine. //Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods and Technologies. Volume 8, ISSN 1314-7269 (Online), Published at: http: //www. 2014, European Union. – P. 465 —472. Yershinа А. К. Оn aerodynamics of Darius wind turbine with straight blades. International scientific conference. Education and without borders. Мunich, Germany. 18-20 ноября 2014 г. Патент № 000 РК, F03D 3/06 (2006/01). «Ветродвигатель». / , - № 000/0337.1; заявлено 11.04.2016; опубл. 15.11.2016, бюл. №15. Ершина A. K., Новая перспективная версия ветротурбины Дарье. International conference «Education, science and economics at universities and schools. Integration to international educational area” Tsaghkadzor, Armenia, 24—29 March 2014. - pp. 156-159. Аэродинамика ветротурбины Дарье системы тропоскино. REENFOR –2014 Международный форум по возобновляемой энергетике. Москва, Россия. 9-10 ноября 2014 г.
13. Ainakul Yershina, Rustem Manatbayev, Assylbek Tulepbergenov, Nurdaulet Kalassov. A two-dimensional mathematical modeling of Darrieus wind turbine. //15th "International Scientific Conference" RE & IT - 2016, SMOLYAN – BULGARIA – 2016. – P.9-15.
