Muhtar Isataev

В работе представлено экспериментальное исследование вертикальной ветроэнергетической установки типа Дарье с коаксиальными валами и обгоняющей муфтой с углом зацепления 30°, направленное на повышение стартовых характеристик и устойчивости вращения при низких скоростях ветра. Предложенная конструктивная схема обеспечивает фазовое согласование вращения коаксиальных валов и одностороннюю передачу крутящего момента, что способствует улучшению самозапуска и снижению пульсаций момента. Эксперименты провели в аэродинамическом туннеле собственной конструкции. Испытывали четырёхлопастной ротор с профилем NACA 0021 при скоростях воздушного потока 6, 7 и 8 м/с. Частоту вращения снимали лазерным бесконтактным тахометром с точностью ±1 %; каждый режим прогоняли трижды и дальше работали со средними значениями. Для чистоты сравнения рассмотрели базовую конфигурацию без углового опережения (0°) и вариант с фазовым смещением 30°. Картина получилась вполне однозначная. Обгоняющая муфта с углом зацепления 30° даёт более интенсивный разгон ротора на промежуточных режимах, уменьшает инерционные потери между коаксиальными валами и в целом делает динамику вращения спокойнее и предсказуемее. При росте скорости воздушного потока разница между конфигурациями постепенно сглаживается – и это логично: когда ветра достаточно, установка и так выходит на режим без “подпорок”. В итоге фазовое смещение показывает себя как рабочий инструмент именно для старта и низко-умеренных скоростей. Предложенную конструктивную концепцию можно использовать при разработке вертикально-осевых ВЭУ, рассчитанных на эксплуатацию в условиях слабого и умеренного ветра. Ключевые слова: ротор Дарье; ВЭУ; коаксиальные валы; обгоняющая муфта; профиль NACA0021; стартовые характеристики.

Энергоэффективность тепличных сооружений в значительной степени определяется теплоизоляционными свойствами ограждающих конструкций, среди которых полиэтиленовые покрытия остаются наиболее распространёнными благодаря доступности и технологичности. Однако традиционные двойные плёночные системы ограничены нестабильностью воздушного слоя и высоким уровнем конвективных потерь. В данной работе исследуются теплоизоляционные характеристики новой секционированной воздухонаполненной конструкции, в которой воздушная прослойка разделена на независимые камеры, препятствующие циркуляции воздуха и формирующие устойчивый тепловой барьер. Экспериментальная установка включала двухслойную полиэтиленовую систему с заданной геометрией камер, тепловой нагнетатель и пирометрическую систему контроля. Было проведено измерение температурных профилей и расчёт теплового потока через плёночное ограждение. Полученное значение коэффициента теплопередачи составило U=3,48 Вт/(м2⋅K), что существенно ниже, чем у стандартного одинарного полиэтилена, и сопоставимо с характеристиками 8–10-миллиметрового многокамерного поликарбоната. Результаты подтверждают, что секционирование воздушного слоя эффективно подавляет макроконвекцию и обеспечивает повышение термического сопротивления без существенного увеличения массы и стоимости конструкции. Отмечено, что лабораторные условия не учитывают воздействие ветра, солнечной радиации и осадков, поэтому для окончательной оценки необходимы полевые испытания. Дополнительно предложено применение CFD-моделирования для прогнозирования поведения воздушных камер в различных климатических сценариях и оптимизации геометрии секций. Проведённое исследование демонстрирует высокий потенциал секционированной воздухонаполненной плёнки как доступного и энергоэффективного решения для тепличных покрытий нового поколения. Ключевые слова: секционированная плёнка, воздухонаполненный слой, теплопередача, коэффициент теплопередачи, полиэтиленовое покрытие, энергоэффективные ограждающие конструкции.

This paper presents a comprehensive numerical investigation of the aerodynamic performance of a three-bladed vertical-axis Darrieus wind turbine equipped with asymmetric airfoil blades, with the primary aim of evaluating the influence of blade geometry on torque generation and overall aerodynamic efficiency. The study focuses on a detailed analysis of rotor flow behavior, including the spatial distributions of velocity and pressure fields, the formation and evolution of flow separation zones, and the development of a turbulent wake structure downstream of the rotor over a wide range of operating conditions. Numerical simulations were carried out using the Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations coupled with the k–ω SST turbulence model, which provides reliable prediction of near-wall flow behavior, adverse pressure gradients, and unsteady aerodynamic effects typical for vertical-axis wind turbines. The obtained results demonstrate that the asymmetric blade profiles interact more effectively with the incoming airflow at moderate tip speed ratio values, leading to improved torque characteristics and a noticeable reduction in negative torque regions. In particular, the maximum average torque coefficient was observed at tip speed ratio values close to 2.5, where the aerodynamic performance of the rotor reached its optimum due to balanced lift and drag forces acting on the blades. At higher tip speed ratio values, despite the stabilization of the flow structure and reduction of large-scale vortical formations, a decrease in aerodynamic efficiency was identified, and the findings of this study provide a scientific basis for optimizing blade geometry and selecting efficient operating regimes in the design of Darrieus-type vertical-axis wind turbines with asymmetric airfoils.

Бұл мақалада жоғары критикалық бу генераторларының термодинамикалық циклдерін оңтайландыру мәселелері жан-жақты қарастырылады. Қазіргі энергетика саласында жоғары қысым мен температура аймағында жұмыс істейтін бу-энергетикалық қондырғылардың тиімділігін арттыру – энергия үнемдеу мен экологиялық тұрақтылықты қамтамасыз етудің негізгі бағыты болып табылады. Зерттеу барысында Ренкин циклі негізіндегі супер-критикалық және ультра-супер-критикалық режимдердегі бу генерациясының термодинамикалық параметрлері талданып, олардың энергетикалық және эксергетикалық көрсеткіштері салыстырылды. Оңтайландыру мақсатында регенеративтік жылу алмасу жүйелері, аралық қайнау процестері және эксергетикалық талдау әдістері қолданылды. Бұл тәсілдер бу генераторларының пайдалы әсер коэффициентін (ПӘК) арттыруға, жылу шығындарын азайтуға және отынның тиімді пайдаланылуын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, зерттеу нәтижелері жылу балансының сапасын жақсартуға және парогенерация жүйелерінің тұрақты жұмысын қамтамасыз етуге бағытталған. Теориялық есептеулер нақты өндірістік параметрлермен салыстырылып, жоғары критикалық бу генераторларын жобалау мен жаңғыртудың тиімді жолдары көрсетілді. Мақала энергетикалық қондырғылардың тиімділігін арттыру бойынша практикалық ұсыныстар ұсына отырып, заманауи энергетика үшін ғылыми және инженерлік тұрғыдан маңызды үлес қосады. Бұл зерттеу нәтижелері жоғары критикалық бу генераторларының болашақ даму бағыттарын айқындап, энергия тиімділігі жоғары әрі экологиялық тұрғыдан таза энергетикалық жүйелерді жобалауға ғылыми негіз қалайды. Кілтті сөздер: бу генераторы, термодинамикалық цикл, энергетикалық тиімділік, оңтайландыру, регенерация, аралық қайнау, бу турбинасы.

В данной статье рассматриваются новая технологическое решение конструкции с механическим отводящим механизмом от не эффективной зоны при вращениях крыльев вертикально- осевого ветродвигателя. Основная цель исследования – создание простой конструкций решающей повышение КПД с обгоняющим механизмом расположений крыльев ветродвигателя относительно друг друга с учетом простаты изготовления с анализом технологичности учитывающий снижение технологической себестоимости. Исследование новой конструкций для отводящего механизма было проведено патентный анализ зарубежных и отечественных схожих систем отведения крыльев ветродвигателя относительно друг от друга. Результаты конструкций обгоняющего механизма показывают, что изменение крыльев относительно друг друга на 30 градусов показывает, что скорость воздушного потока значительно влияет на тяговую силу и скорость вращения ветроколеса. В ходе применение обгоняющего механизма установлено, что максимальная тяговая сила достигается за счет отведение от ветровой тений крыла, находящегося в одной линий рядом расположенного крыла ветродвигателя. Предлагаемая конструкция может быть использованы для дальнейшего проектирования более эффективных ветроустановок, обладающих улучшенными аэродинамическими характеристиками. Данная конструкция также подчеркивает значимость оптимизации конструкции ветродвигателя для достижения большей производительности и простаты изготовлений с низкой технологической себестоимости. Ключевые слова: энергия ветра, ветротурбина вертикально-осевого типа, отводящий механизм, защита, конструкция

This paper presents a numerical study of the optimization of the geometric parameters of a four-bladed Darrieus vertical-axis wind turbine (VAWT) with a NACA 0021 aerodynamic profile. The aim of the study was to increase the aerodynamic efficiency of the turbine by selecting optimal values of the rotor diameter and blade chord length. The Taguchi method using an orthogonal array was used as an optimization method, which reduced the number of necessary calculations from 77 to 20 while maintaining the reliability of the analysis. CFD modelling was performed in the ANSYS 2022 R2 Fluent software environment based on a two-dimensional non-stationary model, including a full rotor revolution and an analysis of the steady-state mode for the twentieth cycle. As a result of the analysis, the optimal parameters were determined: rotor diameter D = 3 m and chord length c = 0.4 m. Additionally, for the selected configuration, the numerical model was validated by constructing the dependence of the power coefficient Cp on the tip speed ratio λ in the range from 0.2 to 2.8. The maximum value of Cp was 0.35 at λ = 2.2, which is an increase of ~64% compared to the least efficient rotation mode in the considered range of λ. The obtained results allow us to conclude that the Taguchi method can be used in combination with CFD modelling for fast and accurate optimization of the aerodynamic parameters of low-power wind turbines.

In this study, we conducted experimental and numerical investigations of a Darrieus rotor with asymmetrical blades, which has two structural configurations—with and without horizontal parallel plates. Experimental tests were conducted in a wind tunnel at various air flow velocities (ranging from 3 m/s to 15 m/s), measuring rotor rotation frequency, torque, and thrust force. The computational simulation used the ANSYS 2022 R2 Fluent software package, where CFD simulations of air flow around both rotor configurations were performed. The calculations employed the Realizable k-ε turbulence model, while an unstructured mesh with local refinement in the blade–flow interaction zones was used for grid generation. The study results showed that the rotor with horizontal parallel plates exhibits higher aerodynamic efficiency at low wind velocities compared to the no-plates rotor. The experimental findings indicated that at wind speeds of 3–6 m/s, the rotor with plates demonstrates 18–22% higher torque, which facilitates the self-start process and stabilizes turbine operation. The numerical simulations confirmed that horizontal plates contribute to stabilizing the air flow by reducing the intensity of vortex structures behind the blades, thereby decreasing aerodynamic drag and minimizing energy losses. It was also found that the presence of plates creates a directed flow effect, increasing the lift force on the blades and improving the power coefficient (Cp). In the case of the rotor without plates, the CFD simulations identified significant low-pressure zones and high turbulence regions behind the blades, leading to increased aerodynamic losses and reduced efficiency. Thus, the experimental and numerical modeling results confirm that the Darrieus rotor with horizontal parallel plates is a more efficient solution for operation under low and variable wind conditions. The optimized design with plates ensures more stable flow, reduces energy losses, and increases the turbine’s power coefficient. These findings may be useful for designing small-scale wind energy systems intended for areas with low wind speeds.

Бұл жұмыста аэродинамикалық құбырда жүргізілген симметриялы емес пішінді қалақшалардың тәжірибелік нәтижелері қарастырылады, ондағы ағын жылдамдығы мен атқылау бұрыштарының әртүрлі мәндерінде көтеру күші мен маңдайлық кедергі коэффициенттері зерттелді. Нәтижелер симметриялы емес формадағы қалақтар атқылау бұрыштары 180°-тан 210°-қа дейінгі аралықта көтеру күші мен маңдайлық кедергі коэффициенттерінің ең жоғары мәндеріне жететінін көрсетті, бұл талдауға сәйкес коэффициенттер Cx = 1,68 және Cy = 3,45 құрады. Бұл деректер қалақшалардың төменгі жел жылдамдығында жоғары тиімділігін көрсетеді, бұл оларды орнынан қозғалу мәселесінің сипаттамалары мен жоғары қуат өндіру маңызды болып табылатын жел энергетикалық қондырғыларында (ЖЭҚ) қолдану үшін перспективалы етеді. Алынған нәтижелер симметриялы емес қалақтары бар роторлардың дизайнын одан әрі жетілдіру үшін пайдаланылуға мүмкіндік береді, бұл олардың орнынан қозғалу сипаттамаларын жақсартуға және қуат коэффициентін арттыруға көмектеседі. Бұл зерттеу жел электр қондырғыларының конструкциясы мен пайдалану параметрлерін оңтайландыру бойынша ұсыныстар әзірлеуге ықпал етеді, бұл өз кезегінде олардың сенімділігі мен экономикалық тиімділігін арттыруы мүмкін. Осылайша, жұмыс жел энергетикасы саласындағы білімді кеңейтуге және әртүрлі аймақтардың энергетикалық инфрақұрылымына ЖЭҚ-ты кеңінен енгізуге ықпал ететін технологияларды әзірлеуге бағытталған. Кілтті сөздер:орнынан қозғалту мәселесі; атқылау бұрышы; симметриялы емес пішінді қалақшалардың аэродинамикасы; маңдайлық кедергі коэффициенті; көтеру күші.

This paper presents the results of wind tunnel experiments, where lift and drag coefficients were studied at various angles of attack and flow speeds, alongside numerical simulations conducted in ANSYS. The main objectives of this study are to investigate the aerodynamic characteristics and self-starting capabilities of three-bladed Darrieus rotors with asymmetrical blades and assess their efficiency. This study presents results on pressure distribution, velocity contours, and the impact of the angle of attack on pressure and aerodynamic characteristics. The results show that blades with asymmetric shapes achieve maximum values of lift and drag coefficients at angles of attack between 180° and 210°, with peak coefficients of Cx = 1.38 and Cy = 2.84, respectively. These findings indicate high effectiveness of the blades at low wind speeds, making them promising for use in WEIs where good starting characteristics and high power output are especially important. A good correlation was found between experimental data and numerical simulation results. This study contributes to the development of recommendations for optimizing the design and operating parameters of wind-driven powerplants, which in turn can improve their reliability and economic efficiency. Thus, the paper aims to expand the knowledge in the field of wind power engineering and to develop technologies to facilitate a wider adoption of wind-driven powerplants in the energy infrastructure of different regions.

It is shown that the aerodynamics of turbulent jets flowing from rectangular nozzles is significantly influenced not only by the presence or absence of limiting end walls, but also by the development of large-scale coherent vortices formed at the initial section of the jet. It is established that in the case of large-scale vortices formed at the initial section with axes parallel to the free edge of the nozzle, they can either rest against the end walls with their ends, or close on themselves at the end walls, covering the initial section of the jet. It is shown that the initially formed annular vortices covering the initial section of the jet deform as they move away from the nozzle and turn into vortex cords with axes parallel to the direction of the jet. As a rule, the vortex cords are arranged symmetrically relative to the axis and have opposite directions. These vortices are the main cause of the appearance of an uneven velocity and temperature profile along the axis. At the same time, large-scale primary vortices with their ends rest against the end walls and cannot cause the appearance of maxima and minima of the velocity profile along the axis. In this case, the development of the boundary layers at the end walls is similar to the development of the boundary layer of a homogeneous flow in a flat channel.