Попытки повышения мощности, снимаемой турбиной ветроэнергетической установки (ВЭУ), с помощью ускорения направляемого на турбину ветрового потока известны давно. В качестве ускорителей чаще других предлагаются кольцевые диффузоры, внутри которых размещаются осевые турбины. Такие установки здесь именуются диффузорными ветроэнергетическими установками (ДВЭУ). Широкие исследования их применимости были проведены в США в 1990-х годах. Результаты кратко изложены в [1], где показана возможность повышения эффективности ветротурбины в ускорителе до 80 % по сравнению с ветроколесом того же диаметра в свободном потоке. В то же время финансовые затраты оценены как равные или ненамного выше, чем для традиционных ВЭУ. Эта оценка, по-видимому, привела к прекращению разработки ДВЭУ в США того времени.

Однако изобретательская активность и поисковые разработки ДВЭУ во всём мире не прекращаются по сей день. Остаются привлекательными такие преимущества над традиционными ВЭУ, как повышение безопасности, уменьшения габаритов, особенно вращающихся частей, возможности снижения акустических излучений и др. Рядом предприятий на инициативной основе разработано несколько моделей и экспериментальных образцов. Примером может служить созданная в Республике Казахстан в 2004 году композиционная ДВЭУ малой мощности. Её испытания подтвердили ожидаемую эффективность [2].

Одним из этих инициативных предприятий является компания ООО «НПП «Ветроэнергетические системы» («ВЭС»), ведущая поиск технических решений на базе математического моделирования течений воздуха вокруг различных конфигураций ДВЭУ. В качестве математической модели используются полные уравнения Навье-Стокса и Рейнольдса, замкнутые с помощью дифференциальной k–ω-модели турбулентности в модификации Ментера [3]. По сравнению с другими компаниями используется более тщательный подход к разработке аэродинамической схемы ДВЭУ, учитывающий влияние работающей турбины на поток в диффузоре и внешнее течение и другие детали. В параметрических расчётах кроме параметров геометрии диффузора и центрального тела турбины в широких пределах меняется коэффициент нагрузки турбины ψ, равный отношению перепада давления в плоскости установки турбины к скоростному напору невозмущённого ветра.

Поиск оптимальных параметров геометрии и значений ψ ведётся среди вариантов расчёта, демонстрирующих обтекание как стенок диффузора, так и поверхности центрального тела с минимальными зонами отрывных течений.

Профилировка лопаточной системы турбины (направляющий аппарат — рабочее колесо) ведётся для выбранного коэффициента нагрузки по специальной методике проектирования высоко нагруженных лопаточных систем. При этом соотношение чисел лопаток колеса и направляющего аппарата выбирается с точки зрения минимизации акустического излучения. В исследованиях на договорной основе при финансовой поддержке НПП «ВЭС» участвовали соответствующие подразделения ЦАГИ.

Методика расчёта параметров течения тестировалась на различных примерах. Применительно к ДВЭУ рассмотрена конфигурация реальной физической модели, обозначенной здесь как ДВ-1, разработанной старшим научным сотрудником ЦАГИ С. Г. Игнатьевым и испытанной в аэродинамической трубе. Неопубликованные результаты испытаний и геометрия модели были предоставлены автором в процессе его участия в оценке обсуждаемой методики. Получено удовлетворительное соответствие расчётного и экспериментального распределений давления по внутренним поверхностям диффузора и центрального тела при работающей турбине и без неё.

Результаты расчётов модели ДВ-1 не только подтвердили количественные значения параметров течения внутри диффузора, но и позволили дать качественное объяснение источников возможных неудач при проектировании ДВЭУ. Дело в том, что модель ДВ-1 проектировалась в 1980-х годах на основе характерной для изобретателей того времени раздельной оптимизации ускорителя и турбины.

Принципы формирования аэродинамической компоновки диффузорной ветроэнергетической установки высокой эффективности . 10/2017. Фото 1

По расчётным и экспериментальным данным ускоритель из двух кольцевых крыльев, сечения которых продольной плоскостью вместе с центральным телом показаны на рис. 1а, без турбины в районе её установки увеличивал скорость потока в плоскости предполагаемой установки турбины, по сравнению с невозмущённым, практически вдвое. Трёхлопастная турбина также была одной из лучших моделей с коэффициентом использования энергии ветра в свободном потоке ξ, близким к 0,5. Однако, испытания ДВ-1, проведённые в аэродинамической трубе С. Г. Игнатьевым, не показали какого-либо возрастания ξ. 

С помощью обсуждаемой методологии этот не ожидавшийся разработчиком результат можно объяснить с помощью цветных диаграмм распределения горизонтальных составляющих расчётной скорости, отнесённой к скорости невозмущённого потока. Они построены на рис. 1б при двух значениях нагруженности турбины.

Принципы формирования аэродинамической компоновки диффузорной ветроэнергетической установки высокой эффективности . 10/2017. Фото 2

Нулевой нагруженности соответствует левая картинка рис. 1б, близкой к проектной (ψ = 0,8) — правая. При ψ = 0 имеют место лишь ожидаемый отрыв потока в хвостовой части центрального тела и значительное увеличение скорости потока в поперечном сечении предполагаемой установки турбины. Однако при рабочей нагрузке возникает новая срывная зона на внешней поверхности диффузора с его носовой части, распространяющаяся на всю внешнюю поверхность и лишающая его ускорительных функций, ожидавшихся за счёт эффекта разрезного крыла. При этом проведённая в эксперименте визуализация пристенного течения на внутренней поверхности диффузора этого явления не обнаруживала.

Разработанный и тестированный таким образом математический комплекс программ позволил ООО «НПП «ВЭС» вести поиск оптимальных сочетаний геометрических и энергетических параметров ДВЭУ. На его основе найдена компоновка с диффузором из трёх кольцевых крыльев. На рис. 2 показан пример её расчёта в виде цветной диаграммы распределения скоростей потока в продольной плоскости. Чёрным закрашены профили кольцевых крыльев и контур центрального тела. Распределение скоростей соответствует близкому к оптимальному коэффициенту нагруженности турбины. Приняты меры по сокращению отрывной зоны в хвостовой части центрального тела. Для этого организован кольцевой проток между турбиной и центральным телом, видный на рис. 2.

Принципы формирования аэродинамической компоновки диффузорной ветроэнергетической установки высокой эффективности . 10/2017. Фото 3

Проток при близких к рабочим коэффициентам нагруженности турбины уменьшает диаметр указанной зоны отрыва, что должно приводить к росту перепада давления на турбине. Окончательно выбранная расчётная компоновка этой схемы реализована в действующей модели ДВЭУ мощностью 200 Вт, показанной на фотографии (рис. 3а), сделанной в процессе испытаний в аэродинамической трубе ЦАГИ. На рис. 3б представлены результаты этих испытаний в виде безразмерных характеристик: коэффициента вращающего момента на валу турбины M и коэффициента использования энергии ветра ξ в зависимости от коэффициента быстроходности Z, равного отношению скорости конца лопасти турбины (ωR) кскоростиневозмущённогопотока V. Приведённое здесь значение коэффициента ξ с максимальным значением 1,3 отнесено к площади диска турбины и скоростному напору невозмущённого потока.

Принципы формирования аэродинамической компоновки диффузорной ветроэнергетической установки высокой эффективности . 10/2017. Фото 4

Следует заметить, что значение ξ = 1,3 заметно превышает его величину для ротора такого же диаметра в открытом потоке, как и у большинства предлагаемых вариантов ДВЭУ. При аналогичном сравнении ДВЭУ между собой представляется логичным использовать площадь, определяемую не диаметром турбины, а максимальным диаметром диффузора. В рассмотренной компоновке соотношение указанных диаметров составляет 1,5. Исполнители данной работы пытались с учётом этого соотношения сопоставить полученную эффективность с другими вариантами ДВЭУ на основе публикуемых данных, имеющих не только рекламный характер, но и основанных на реальных измерениях. Таких же значений или выше пока не найдено.