Ветроэнергетика

Возобновляемые источники энергии давно завоевали свое место во многих странах. Использование энергии ветра и солнца сопряжено с меньшими выбросами в атмосферу по сравнению с традиционными ископаемыми видами топлива.

Наряду с европейскими странам, в России тоже ведутся разработки в области ветроэнергетики. Российские компании все больше хотят быть независимы от зарубежных поставщиков составных частей ветроэлектроустановок (ВЭУ).

Одним из ключевых элементов ВЭУ являются лопасти. Именно лопасти первыми «встречают» набегающий воздушный поток, который приводит к вращению ветротурбины. Это вращение, в свою очередь, передается на генератор, который производит электрический ток.

Наша компания имеет опыт сотрудничества в области проектирования лопастей ВЭУ и оптимизации их формы для установок большой мощности. В рамках этот статьи мы расскажем о задачах Заказчика, особенностях проектирования лопастей ВЭУ в Flypoint Parametrica, о результатах оптимизационных исследований, а также о взаимодействии Flypoint Parametrica с CAM-системами, необходимыми для управления станками с ЧПУ.

Описание задачи

Необходимо спроектировать с «нуля» внешнюю форму лопасти ВЭУ мощностью 3 МВт, провести оптимизацию формы ветроколеса на номинальном режиме ее работы с целью определения оптимальных углов атаки, а также передать оптимизированную форму лопасти в производство.

Проектирование формы лопасти ВЭУ в Flypoint Parametrica

Для разработки трехмерной параметрической модели лопасти в Flypoint Parametrica проведен глубокий анализ литературных источников, посвященных проектированию лопастей ВЭУ. В частности, теоретические исследования показали, что в основе лопасти лежат профили семейств DU и NACA 64. Таким образом, мы можем утверждать, что лопасть имеет не единую профилировку, что является типовым решением для ВЭУ промышленных размеров.

На основе найденных данных по математическому описанию профиля лопасти и основных распределений по ее длине, в Flypoint Parametrica была создана исходная трехмерная параметрическая модель ВЭУ мощностью 3 МВт cо следующими геометрическими характеристиками:

Диаметр роторной части	90 м
Длина лопасти	44 м
Ометаемая площадь	6362 м
Диаметр подшипника	2,110 м
Максимальная ширина лопасти	3,6 м

Внешний вид ротора ВЭУ и лопасти, полученной в Flypoint Parametrica приведены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 - Модель ветроколеса, полученная в Flypoint Parametrica

Рисунок 2 - Модель лопасти, полученная в Flypoint Parametrica

Программный комплекс Flypoint Parametrica позволил в кратчайшие сроки получить исходную геометрию, обладающую всеми преимуществами параметрической модели — формой лопасти можно с легкостью управлять, меняя любые геометрические характеристики, и, в режиме реального времени перестраивая модель. Наиболее наглядно преимущества использования Flypoint Parametrica при проектировании формы лопасти ВЭУ и ее оптимизации, продемонстрированы на видео.

Трехмерная параметрическая модель ВЭУ в Flypoint Parametrica

Численное моделирования обтекания ротора ВЭУ

Рассматривается роторная часть ВЭУ (лопасти на ступице с обтекателем) номинальной мощностью 3 МВт натурных размеров. Общий вид объекта исследований приведен на рисунке 3, расчетная области – на рисунке 4.

Для расчета аэродинамических характеристик использовались следующие исходные данные:

Номинальная скорость ветра	16 м/с
Номинальная частота вращения лопастей	16,1 об/мин
Используемые уравнения	URANS
Модель турбулентности	k-ω SST (Menter)

В видеоролике ниже показана визуализация вихревых структур, сходящих с ротора ВЭУ.

Рисунок 3 - Роторная часть ВЭУ

Рисунок 4 - Расчетная область

Визуализация вихревых структур

Отметим, что мощность (N) ветроэлектроустановки определяется как:

N = M \cdot ω,

где М – момент (Н·м),
а – угловая скорость (рад/с).

Таким образом, увеличивая момент при фиксированной угловой скорости путем подбора оптимальных углов установки лопасти, мы добиваемся увеличения мощности ВЭУ при номинальной скорости ветра.

Постановка задачи оптимизации формы лопасти ВЭУ

Таблица 2 - Условия задачи оптимизации формы гребного винта

Целевая функция	Увеличение характеристики момента на номинальном режиме работы ВЭУ
Алгоритмы оптимизации	Метамоделирование (на базе pSeven)
Управляемые параметры	Угол установки лопасти ВЭУ (3 параметра)
Диапазон изменения углов установки	-4...4°

Процесс оптимизации

Технология автоматизированной инженерной оптимизации, базируется на использовании программного комплекса Flypoint Parametrica, который позволяет без участия технического специалиста изменять параметры геометрии в исходном файле, мгновенно перестраивать модель и отправлять новую геометрию на расчет обтекания. После получения аэродинамических характеристик ротора ВЭУ при помощи численного моделирования, данные передаются в коммерческий оптимизатор pSeven, который на базе собственных алгоритмов метамоделирования ищет экстремум целевой функции.

Команда ЛС-Технологий специализируется на разработке технологии трехмерной параметрической оптимизации под ключ. Мы гарантируем Вам поставку решения на базе любых программных продуктов, как коммерческих, так и собственной разработки.

Наше решение всегда носит индивидуальный характер, мы внимательно изучаем задачи наших Заказчиков, требования к скорости и точности оптимизационных расчетов, а также уделяем особое внимание интеграции нашего решения с вычислительными ресурсами Заказчика.

Таким образом, наши клиенты получают готовое решение, в котором уже содержится геометрическая модель с необходимой глубиной параметризации, настроен расчет аэродинамических характеристик в CFD-пакете и отлажен процесс поиска оптимума в любом оптимизаторе.

Рисунок 5 - Процесс оптимизации

Результаты оптимизации

В результате оптимизации удалось существенно увеличить мощность ВЭУ, подобрав, оптимальные углы установки лопастей на номинальном режиме работы установки (табл.3).

Таблица 3 - Результаты оптимизации (1 итерация)

Наименование АДХ	До оптимизации	После оптимизации	Сравнение
Момент	1667	2281	36%
Мощность	2827	2827	2827

Как мы видим из таблицы 3, в результате оптимизации мощность ВЭУ увеличилась на 36% и значительно превысила свои номинальные значения.

Это говорит нам о том, что количество оборотов в минуту на номинальном режиме работы лопасти может быть уменьшено, при сохранении исходной скорости набегающего потока и найденного нами ранее оптимального распределения углов установки.

Таким образом, была проведена вторая итерация оптимизации тех же условиях, но число оборотов ротора в минуту было снижено с 16,1 до 15,1. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты оптимизации (2 итерация)

Наименование АДХ	До оптимизации	После оптимизации	Сравнение
Момент	2281	2044	-10,4%
Мощность	3846	3233	-15,9%

Из таблицы 4 мы видим, что в результате оптимизации при номинальной скорости ветра равной 16 м/с и числе оборотов в минуту равным 15, мы получаем номинальную мощностью равную 3233 МВт, что незначительно превышает теоретическое значение в 3 МВт. Снижение оборотов без потери эффективности ВЭУ несомненно, приводит к снижению нагрузок на конструкции турбины и положительно сказывается на работе движущихся механизмов объекта.

Также проведенное исследование показывает, насколько существенно могут измениться интегральные характеристики момента и мощности за счет изменения углов установки (и, следовательно, углов атаки) даже в узком диапазоне (рисунок 6).

Рисунок 6 - Распределение углов установки лопасти ВЭУ до и после оптимизации

Передача 3D-модели в производство

Форма лопасти, полученная в Flypoint Parametrica и затем оптимизированная под номинальный режим работы, была успешно передана на производственный станок в формате STL. Отметим, что STL, получаемый в Flypoint Parametrica, обладает очень высоким качеством, по сравнению с STL из CAD-систем, которые из-за особенностей работы геометрического ядра, минимизируют количество разбиений на треугольники на модели. Кроме того, в Flypoint Parametrica пользователь сам может управлять плотностью сеточного разбиения, в зависимости от требований к точности геометрии.

Примеры разбиений в Flypoint Parametrica продемонстрированы на рисунках 7 – 9.

Рисунок 7 - Разбиение низкой плотности

Рисунок 8 - Разбиение средней плотности

Рисунок 9 - Разбиение высокой плотности

Благодаря возможностям Flypoint Parametrica пользователь получает не только полный контроль над формой модели, но также может управлять плотностью поверхностной STL-сетки в зависимости от задач и требований к геометрии.

Для передачи геометрии на станок использовалось наиболее плотное сеточное разбиение, позволившее получить высококачественный STL. Далее, на основе данного STL была изготовлена матрица для полноразмерной лопасти, а также уменьшенной ее копии (рисунок 10). Уменьшенная 6-метровая лопасти ВЭУ была представлена Заказчиком на Петербургском международном экономическом форуме (ПМЭФ) в качестве выставочного образца.

Рисунок 10 - Стадии производства лопастей ВЭУ и демонстрация уменьшенной копии на ПМЭФ

свяжитесь с нами

Вы можете связаться с нами с помощью звонка, письма на e-mail или telegram

Отвечаем на заявку в кратчайшие сроки.