Динамика колесной тележки, приводимой в движение ротором Савониуса

Ротор Савониуса представляет собой один из достаточно широко распространенных типов ветротурбин. Скорость вращения этого ротора существенно меньше, чем у горизонтально-осевых турбин и вертикально-осевых турбин типа Дарье. Однако он начинает вращаться уже при небольшой скорости потока, не требует дополнительных систем, обеспечивающих его переориентацию в случае изменения направления ветра, и развивает достаточно большой крутящий момент. Поэтому представляется целесообразным использовать его в качестве привода в различных механических или электромеханических системах. В данной работе рассматривается прямолинейное движение колесной тележки, приводимой в движение установленным на ней ротором Савониуса. Предполагается, что ветер составляет некоторый постоянный угол с прямой, вдоль которой движется тележка. Аэродинамическое воздействие на ротор описывается с помощью эмпирической модели, в рамках которой аэродинамические характеристики ротора (коэффициенты аэродинамического момента, силы лобового сопротивления и боковой силы) представляются в виде разложения в ряд Фурье по углу поворота ротора, причем коэффициенты этого ряда зависят от быстроходности (безразмерной угловой скорости) ротора. В дозвуковой аэродинамической трубе НИИ механики МГУ проведена серия экспериментов по определению аэродинамических характеристик ротора при разных скоростях набегающего потока и разных угловых скоростях ротора. На основе полученных экспериментальных данных предложены функции, приближенно описывающие зависимость указанных коэффициентов от быстроходности. Полученные зависимости использованы для исследования динамики тележки с ротором Савониуса. Построено осреднение системы уравнений движения по углу поворота ротора. Исследованы стационарные решения этой осредненной системы в зависимости от направления ветра. Показано, что при определенных значениях параметров в системе существуют два притягивающих режима, соответствующих движению в разные стороны. Проведено сопоставление поведения тележки в рамках полной системы уравнений движения и в рамках осредненной системы.

1. Roy S., Saha U. K. Review of experimental investigations into the design, performance and optimization of the Savonius rotor // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: J. Power & Energy. 2013. Vol. 227(4). P. 528—542. doi: 10.1177/0957650913480992.

2. Tartuferi M., D’Alessandro V., Montelpare S., Ricci R. Enhancement of Savonius wind rotor aerodynamic performance: a computational study of new blade shapes and curtain systems // Energy. 2015. Vol. 79. P. 371—384.

3. Liu Chen L., Chen J., Zhang Z. Review of the Savonius rotor’s blade profile and its performance // J. Renew. Sustain. Ener. 2018. Vol. 10. P. 013306. doi: 10.1063/1.5012024.

4. Bach G. Untersuchungen Über Savonius-Rotoren und Verwandte Strömungsmaschinen // Forschung auf dem Gebiete des Ingenierwesens. 1931. Vol. 2. P. 218—231.

5. Sheldahl R. E., Blackwell B. F., Feltzt L. V. Wind tunnel performance data for two- and three-bucket Savonius rotors // J. Energy. 1978. Vol. 2 (3). P. 160—164.

6. Fujisawa N. On the torque mechanism of Savonius rotors // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 1992. Vol. 40. P. 277—292.

7. Kamoji M. A., Kedare S. B., Prabhu S. V. Experimental investigations on single stage, two stage and three stage conventional Savonius rotor // Int. J. Energy Res. 2008. Vol. 32. P. 877—895. Doi:10.1002/er.1399.

8. Fernando M. S. U. K., Modi V. J. A numerical analysis of the unsteady flow past a Savonius wind turbine // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 1989. Vol. 32. P. 303—327. doi:10.1016/j.renene.2012.12.045.

9. D’Alessandro V., Montelpare S., Ricci R., Secchiaroli A. Unsteady aerodynamics of a Savonius wind rotor: a new computational approach for the simulation of energy performance // Energy. 2010. Vol. 35. P. 3349—3363. doi:10.1016/j.energy.2010.04.021.

10. Jaohindy P., McTavish S., Garde F., Bastide A. An analysis of the transient forces acting on Savonius rotors with different aspect ratios // Renewable Energy. 2013. Vol. 55. P. 286—295. doi:10.1016/j.renene.2012.

11. Nasef M. H., El-Askary W. A., Abdel-Hamid A. A., Gad H. E. Evaluation of Savonius rotor performance: static and dynamic studies // J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 2013. Vol. 123. P. 1—11.

12. Akwa J. V., da Silva Jr. G. A., Petry A. P. Discussion on the verification of the overlap ratio influence on performance coefficients of a Savonius wind rotor using computational fluid dynamics // Renewable Energy. 2012. Vol. 38 (1). P. 141—149. doi: /10.1016/j.renene.2011.07.013.

13. Ferrari G., Federici D., Schito P., Inzoli F., Mereu R. CFD study of Savonius wind turbine: 3D model validation and parametric analysis // Renewable Energy. 2017. Vol. 105. P. 722—734. doi: 10.1016/j.renene.2016.12.077.

14. Roy S., Saha U. K. Wind tunnel experiments of a newly developed two-bladed Savonius-style wind turbine // Applied Energy. 2015. Vol. 137. P. 117—125. doi:10.1016/j.apenergy.2014.10.022.

15. Kothe L. B., M ller S. V., Petry A. P. Numerical and experimental study of a helical Savonius wind turbine and a comparison with a two-stage Savonius turbine // Renewable Energy. 2020. Vol. 148. P. 627—638. doi: 10.1016/j.renene.2019.10.151.

16. Dosaev M. Interaction between internal and external friction in rotation of vane with viscous filling // Appl. Math. Mod. 2019. Vol. 68. P. 21—28. doi: 10.1016/j.apm.2018.11.002.

17. Xu K., Ge Y., Zhang D. Wake oscillator model for assessment of vortex-induced vibration of flexible structures under wind action // J. Wind. Eng. Ind. Aerod. 2015. Vol. 136. P. 192—200. Doi: 10.1016/j.jweia.2014.11.002.

18. Selyutskiy Y. D., Klimina L. A., Masterova A. A., Hwang S. S., Lin C. H. Savonius rotor as a part of complex systems // J. Sound Vibr. 2019. Vol. 442. P. 1—10. doi: 10.1016/j.jsv.2018.10.020.