28 августа 2019

Проектирование и оптимизация формы лопасти ветроэлектроустановки

Отрасль:  Ветроэнергетика | Продукт: pSeven | Компания: Flypoint Software

Задача

Данная работа посвящена исследованиям в области ветроэнергетики, а именно, проектированию и оптимизации формы трёхмерной модели лопасти ветрогенератора номинальной мощностью 3 МВт.

В качестве исходных данных Заказчиком была предложена номинальная мощность ветроэлектроустановки (ВЭУ). Для создания исходной геометрии были найдены начальные распределения значений шага, длины хорды, толщины, саблевидности и откидки лопасти в зависимости от относительного радиуса. Кроме того, получено точное математическое описание профилей лопасти. На базе этих данных спроектирована трехмерная параметрическая модель роторной части ветротурбины в программе Flypoint Parametrica.

Форма рассмотренной модели представлена на рисунке 1, а ее геометрические характеристики приведены в таблице 1.

Flypoint-1

Рис.1 Геометрическая модель ротора ветротурбины

Таблица 1 – Геометрические характеристики модели ротора ВЭУ

Характеристика Значение
Диаметр модели 90 м
Длина лопасти 44 м
Число лопастей 3
Профили лопасти DU, NACA
Номинальная мощность ВЭУ 3 МВт
Номинальная скорость ветрового потока 16 м/c
Число оборотов на номинальной скорости ветра 16,1 об/мин

Отметим, что мощность ветрогенератора рассчитывается по формуле:

\(P = Q * ω\)

где \(Q\) – крутящий момент, \(кН*м\), а \(ω\) – угловая скорость, рад/сек.

Трудности

  • Отсутствие исходных данных для проектирования роторной части ВЭУ у компании-заказчика
  • Не единая профилировка лопасти ветрогенератора c большим количеством управляемых параметров
  • Высокое требование к качеству трехмерной модели, необходимое для изготовления лопасти

Решение

Численное моделирование обтекания ротора ВЭУ

Обтекание математической модели ротора потоком вязкого газа рассчитано путем решения нестационарных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу и замкнутых k-omega SST моделью турбулентности.

Визуализация вихревых структур, сходящих с лопастей ВЭУ, приведена на рисунке 2.

Flypoint-1

Рис.2 Визуализация вихревых структур ВЭУ, раскрашенных модулем скорости

Постановка задачи оптимизации

Для успешного решения данной задачи необходимо разработать полную технологию оптимизации формы объекта, которая будет включать в себя расчет обтекания ветроэлектроустановки потоком вязкого газа, и эффективный поиск экстремума целевой функции на основе быстрых алгоритмов метамоделирования.

Рассмотрим условия, при которых проведена оптимизация формы ветрогенератора (таблица 2):

Таблица 2. Условия задачи оптимизации формы лопасти ВЭУ

Целевая функция Увеличение крутящего момента на номинальном режиме работы ВЭУ
Алгоритм оптимизации Метамоделирование
Управляемые параметры Угол установки (3 параметра)

Задача оптимизации была решена с помощью программного комплекса pSeven 6.14 , из которого поступали команды на изменение геометрии в Flypoint Parametrica, а также на запуск расчета обтекания ветротурбины. Технология оптимизации средствами pSeven является полностью автоматизированной, что позволяет сократить ручной труд специалиста и найти лучшее решение в разумные сроки.

Результаты оптимизации

Результаты оптимизации формы модели лопасти ветрогенератора рассмотрим в таблице 3.

Таблица 3. Результаты оптимизации формы лопасти ВЭУ

  Начальные значения Результат оптимизации Сравнение
Крутящий момент 1667 кН*м 2281 кН*м 36%
Мощность ВЭУ 2827 кВт 3846 кВт 36%

Как мы видим, по результатам оптимизации мощность ВЭУ увеличена на 36% при условии изменения параметров, отвечающих за угол установки лопасти. Столь значительный прирост мощности связан с нахождением оптимального распределения угла атаки по длине лопасти ветротурбины по итогам оптимизации. Кроме того, данный результат достигнут благодаря работе именно с трехмерной геометрической моделью лопасти, а не только с плоским профилем.

Отметим, что в результате оптимизации получено значительное превышение максимальной мощности при заданных оборотах роторной части ВЭУ. В связи с этим, угловая скорость была уменьшена при сохранении оптимального значения угла атаки на концевом сечении лопасти. Этот подход позволил получить требуемую компанией-заказчиком мощность 3 МВт при меньших оборотах ротора, что, несомненно, приведет к снижению нагрузок и более длительной работе движущихся механизмов объекта.

Найденное значения оптимального угла атаки на концевом сечении лопасти в последствие было сохранено во всем рабочем диапазоне ветрогенератора путем варьирования числа оборотов ротора. Таким образом, удалось подобрать угловую скорость для обеспечения прироста мощности объекта при скоростях набегающего потока от 3 м/с до 20 м/с.

Производство

На сегодняшний день натурная лопасть находится на стадии производства, однако Заказчику была спроектирована также лопасть ВЭУ модельных размеров длиной 6 метров. Это было необходимо для участия компании в крупной международном выставке. Изображение выставочных образцов представлено на рисунке 3.

Flypoint-3

Рис.3 Лопасти ВЭУ модельных размеров на международной выставке в Санкт-Петербурге

Заключение

Спроектирована форма лопасти ветрогенератора, рассчитанного на номинальную мощность 3 МВт, проведен расчет обтекания ротора потоком вязкого газа и решена задача оптимизации формы лопасти на заданном режиме. В результате оптимизации в pSeven мощность ветрогенератора увеличена на 36%. Благодаря эффективному взаимодействию между pSeven, и Flypoint Parametrica готовый проект был передан на производственной станок спустя всего 3 месяца после начала работы.

Авторы:

  • Лаврищева Любовь Сергеевна, к.ф.-м.н, директор направления параметрического моделирования компании Flypoint Software, руководитель проектов в Крыловском государственном научном центре.
  • Новоселов Владимир Николаевич, генеральный директор компании Flypoint Software, ведущий инженер-программист в Крыловском государственном научном центре.
LinkedIn
VK

Заинтересовало решение?

Нажмите, чтобы запросить бесплатную 30-дневную демоверсию.

Запросить демо