probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2023-25-1-45-57probener-2552Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESИсследование ветряной турбины малой мощности горизонтального типаInvestigation of a horizontal low power wind turbineШаманинС. Ю.ShamaninS. Yu.

Шаманин Сергей Юрьевич – студент

г. Екатеринбург

Sergei Yu. Shamanin

Yekaterinburg

shamanin0090@gmail.comБлиновВ. Л.BlinovV. L.

Блинов Виталий Леонидович – канд.техн.наук., доцент кафедры «Турбины и двигатели»

г. Екатеринбург

Vitalii L. Blinov

Yekaterinburg

v.l.blinov@urfu.ruСавченкоВ. В.SavchenkoV. V.

Савченко Владислав Владимирович – аспирант

г. Екатеринбург

Vladislav V. Savchenko

Yekaterinburg

Vladislav.savchenko@urfu.meБродовЮ. М.BrodovYu. M.

Бродов Юрий Миронович – д-р техн. наук, зав. кафедрой «Турбины и двигатели»

г. Екатеринбург

Yurii M. Brodov

Yekaterinburg

u.m.brodov@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation2023230420232514557Copyright © Шаманин С.Ю., Блинов В.Л., Савченко В.В., Бродов Ю.М., 20232023Шаманин С.Ю., Блинов В.Л., Савченко В.В., Бродов Ю.М.Shamanin S.Y., Blinov V.L., Savchenko V.V., Brodov Y.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2552ЦЕЛЬ

ЦЕЛЬ. Разработка и создание экспериментально стенда, проведение натурного эксперимента, верификация разработанной численной модели плоского аэродинамического профиля S809 на основе его безразмерных характеристик, произвести анализ обтекания профиля при различных углах атаки.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ. Рассмотрена методика исследования структуры потока вокруг ветряной турбины с использованием численных методов газовой динамики, основанных на решении системы уравнений Навье-Стокса. Использованы математические методы моделирования с помощью модели турбулентности k-ε и SST.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ. По результатам проведенного исследования спроектирован лабораторный стенд при помощи систем автоматизированного проектирования САПР и изготовлен на 3D принтере методом FDM печати. Проведено экспериментальное исследование зависимости частоты вращения ветряной турбины от угла установки лопасти и получаемого напряжения в сети, изменение коэффициента мощности и КПД ветряной электроустановки в зависимости от скорости ветра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработанная ветряная турбина обладает мощностью 2,6 Вт при скорости ветра 4 м/с. Данное изобретение рекомендуется использовать с целью обучения методам проектирования и конструирования аналогичных установок. Для разработанного ветрогенератора возможно проводить оптимизацию работы с использованием метода численного трехмерного термогазодинамического моделирования, оценивать характер течения потока на нерасчетных режимах работы, что ускоряет процесс создания конечной установки и улучшает ее параметры эффективности.

THE PURPOSE

THE PURPOSE. Development and creation of an experimental stand, carrying out a full-scale experiment, verification the numerical model of a NREL S809 airfoil based on its dimensionless characteristics, analyze the flow around the airfoil at different angles of attack.

METHODS

METHODS. A technique for studying the flow structure around a wind turbine using numerical methods of gas dynamics based on solving the system of Navier-Stokes equations is considered. Mathematical modeling methods were used using the k-ε and SST turbulence model.

RESULTS

RESULTS. In this study, a laboratory stand is designed using CAD systems and created using additive FDM printing technologies An experimental study of the dependence of the rotation speed on the blade angle and the resulting voltage in the electric system, the change in the power factor and efficiency of a wind power plant depending on the wind speed was carried out.

CONCLUSION

CONCLUSION. The developed wind turbine has a power of 2.6 W at a wind speed of 4 m / s. This invention is recommended for the purpose of teaching methods of design and construction of similar installations. For the developed wind turbine, it is possible to optimize the work using the method of numerical three-dimensional thermogasdynamic modeling, to evaluate the nature of the flow at off-design operating modes, which speeds up the process of creating the final installation and improves its efficiency parameters.

ветряная турбинаэкологияхарактеристикавычислительная газовая динамикаверификациявозобновляемые источники энергииwind turbineecologycharacteristicCFDverificationrenewable energy sourcesReferencesНасырова Е.В., Тимербаев Н.Ф., Леухина О.В., Мазаров И.Ю. Aнализ данных ветромониторинга в Республике Татарстан. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019. Т. 21. № (6). С. 39-50.Nasyrova EV, Timerbayev NF., Leukhina OV, et al. Data analysis wind monitoring in the Republic of Tatarstan. Power engineering: research, equipment, technology. 2019;21(6):39-50.Манкевич О.О., Оценка энергопотенциала ветроэнергетики на территории Российской Федерации // Вестник магистратуры, Учредители: ООО Коллоквиум (Йошкар-Ола), 2020. С. 10-12.Mankevich O.O., Assessment of the energy potential of wind energy on the territory of the Russian Federation. Vestnik magistratury, OOO Kollokvium (Yoshkar-Ola), 2020. pp. 10-12.Шаманин С.Ю., Блинов В.Л., Горюнова И. Ю., Верификация численной модели обтекания потоком воздуха аэродинамического профиля s809 для лопастей ветряной турбины // Международная научно-практическая конференция «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика» Екатеринбург, 2019. С.691-694.Shamanin SYu, Blinov VL, Goryunova IYu. Verification of the numerical model of air flow around the airfoil s809 for wind turbine blades. International Scientific and Practical Conference «Energy and Resource Saving. Power supply. Unconventional and renewable energy sources. Nuclear Energy»Yekaterinburg, 2019, pp. 691-694.Hand M., Simms D., Fingersch L. J., Jager D., Larwood S., J.Cotrell, and Schreck, S. Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI: Wind Tunnel Test Configurations and Available Data Campaigns.// Tech. rep., National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2001. pp. 13-59.Hand M, Simms D., Fingersch L. J., Jager D., et al. Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI: Wind Tunnel Test Configurations and Available Data Campaigns. Tech. rep., National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2001. pp. 13-59.Somers, D. M. Design and Experimental Results of the S809 Airfoil // Pennsylvania, Airfoils, Incorporated State College, 1997.Somers DM. Design and Experimental Results of the S809 Airfoil. Pennsylvania, Airfoils, Incorporated State College, 1997.Ansys helper [Электронный ресурс] URL: https://ansyshelp.ansys.com/ Дата обращения: 01.08.2019.Ansys helper Available at: URL: https://ansyshelp.ansys.com/ Accessed to: 01.08.2019.Advances in wind power. Edited by Rupp Carriveau. [Электронный ресурс] URL: https://www.intechopen.com/books/advances-in-wind-power Дата обращения: 21.08.2019.Advances in wind power. Edited by Rupp Carriveau. Available at: URL: https://www.intechopen.com/books/advances-in-wind-power Accessed to: 21.08.2019.Байков В.Н., Волынов М.А., Взаимная согласованность закономерностей течения и гидравлического сопротивления // Вестник МГСУ. 2013. № 5. С. 133—140.Baikov VN, Volynov MA. Mutual consistency of the laws of flow and hydraulic resistance. Vestnik MGSU. 2013;5:133-140.Брянская Ю.В., Перемежаемость течения при переходном режиме гидравлического сопротивления // Вестник МГСУ. 2013.Bryanskaya YuV, Intermittency of the flow in the transient regime of hydraulic resistance. Vestnik MGSU. 2013.Matyushenko A. A., Garbaruk A. V., Adjustment of the k-ω SST turbulence model for prediction of airfoil characteristics near stall // Journal of Physics: Conference Series 2016. 769 с.Matyushenko AA, Garbaruk AV, Adjustment of the k-ω SST turbulence model for prediction of airfoil characteristics near stall. Journal of Physics: Conference Series 769. 2016.Pironneau O., Rodi W., Ryhming I.L., Numerical Simulation of Unsteady Flows and Transition to Turbulence // UK, Cambridge University Press , 2008.Pironneau O, Rodi W, Ryhming IL, Numerical Simulation of Unsteady Flows and Transition to Turbulence. UK, Cambridge University Press , 2008.Савенко А.Е., Османов Э.Ш., Расчет реализуемой мощности и выработки электроэнергии одиночно стоящей ветроустановкой // Вестник КГЭУ. 2019. №1 (41) С. 68-78.Savenko AE, Osmanov ESh. Calculation of the realized power and electricity generation by a single-standing wind turbine. Bulletin of KSPEU. 2019;1 (41):68-78.Aleksin, V.A. Numerical Simulation of the Interaction of Unsteady Surface Blowing (Suction) with Turbulent Near-Wall Flow // Fluid Dynamics, Maik Nauka/Interperiodica Publishing. 2019. C. 797-811.Aleksin VA. Numerical Simulation of the Interaction of Unsteady Surface Blowing (Suction) with Turbulent Near-Wall Flow. Fluid Dynamics, Maik Nauka. Interperiodica Publishing pp. 797-811.Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И., Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика // Харьков: Нац. Аэрокосм. Ун-т, Севастополь: Севаст. Нац. Техн. ун-т, 2004. - 519с.Krivtsov VS, Oleinikov AM, Yakovlev AI. Inexhaustible energy. Book. 2- Vetroenergetika. Kharkiv: National Aerospace University, Sevastopol: Nat. Tech. University of Sevastopol 2004. pp. 519.My blade [Электронный ресурс] URL: https://drive.google.com/drive/folders/ 1pAidAFoU27PKSZAWu1VawrrQ37x4p8iJ?usp=sharing. Дата обращения: 20.09.2019.My blade Available at: URL: https://drive.google.com/drive/folders/ 1pAidAFoU27PKSZAWu1VawrrQ37x4p8iJ?usp=sharing. Accessed to: 20.09.2019.Testo 425, Термоанемометр со стационарно подсоединенным зондом с обогреваемой струной [Электронный ресурс] URL: https://www.chipdip.ru/product/testo-425 Дата обращения: 04.09.2019.Testo 425, Thermo-anemometer with a permanently connected hot-wire probe Available at: URL: https://www.chipdip.ru/product/testo-425 Accessed to: 04.09.2019.Березкин М.Ю., Синюгин О.А. География инвестиций в возобновляемую энергетику мира // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2018. №4.Berezkin MYu, Sinyugin OA. Geography of investment in the renewable energy sector of the world. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 5, Geografiya. 2018;(4):68-74.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.