Научная статья на тему 'Экспериментальные исследования четырехлопастной ветротурбины с лопастями типа «Колокол» '

Экспериментальные исследования четырехлопастной ветротурбины с лопастями типа «Колокол» Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
140
24
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
iPolytech Journal
ВАК
Ключевые слова
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ / ВЕРТИКАЛЬНАЯ ОСЬ / МОДЕЛЬ / АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / WINDMILL / VERTICAL AXIS / MODEL / AERODYNAMIC CHARACTERISTICS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Хозяинов Борис Петрович

Изложены экспериментальные исследования модели ветродвигателя с вертикальной осью вращения четырехлопастной ветротурбины при различных скоростях воздушного потока. Изучено влияние стабилизирующей плоскости лопасти типа «Колокол» на величину вращающего момента ветротурбины. Выполнено сравнение результатов исследований моделей ветротурбины различной комплектации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Хозяинов Борис Петрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXPERIMENTAL STUDIES OF A FOUR-BLADE WIND TURBINE WITH BLADES OF THE "BELL" TYPE

The article presents experimental studies of the model of a windmill with a vertical rotation axis of a four-blade wind turbine at different speeds of air flow. The author studies the effect of the stabilizing blade plane of the "bell" type on the magnitude of torque of the wind turbine. He performs the comparison of the study results of wind turbine models of different assembly.

Текст научной работы на тему «Экспериментальные исследования четырехлопастной ветротурбины с лопастями типа «Колокол» »

Библиографический список

1 .URL:http://www.astera.ru/it-rating/view.php?id=16&year=2008 (дата обращения: 17.10.2010)

2. Управление основными данными SAP URL: http://www.sap.com/cis/pdf/master_data.pdf (дата обращения: 17.10.2010)

3. Копайгородский А. Н. Методы, модели и программные средства построения информационной инфраструктуры исследований в энергетике: Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2008. 64 с.

4. Гуревич Д. Ф. Трубопроводная арматура: справочное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1981. 368 с.

5. Устинов Ю.М. Разработка средств автоматизации проектирования АСУТП на основе объектно-ориентированных баз данных. Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всероссийской науч.-практ. конф. (Иркутск, 26-30 апреля 2010 г.).112 с.

УДК 621.311

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧЕТЫРЕХЛОПАСТНОЙ ВЕТРОТУРБИНЫ С ЛОПАСТЯМИ ТИПА «КОЛОКОЛ»

Б.П. Хозяинов

Кузбасский государственный технический университет, 650099, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Изложены экспериментальные исследования модели ветродвигателя с вертикальной осью вращения четырех-лопастной ветротурбины при различных скоростях воздушного потока. Изучено влияние стабилизирующей плоскости лопасти типа «Колокол» на величину вращающего момента ветротурбины. Выполнено сравнение результатов исследований моделей ветротурбины различной комплектации. Ил.3. Табл.3. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: ветродвигатель; вертикальная ось; модель; аэродинамические характеристики.

EXPERIMENTAL STUDIES OF A FOUR-BLADE WIND TURBINE WITH BLADES OF THE "BELL" TYPE B.P. Hozyainov

Kuzbass State Technical University (Kemerovo) 28, Vesennyaya St., Kemerovo, 50099.

The article presents experimental studies of the model of a windmill with a vertical rotation axis of a four-blade wind turbine at different speeds of air flow. The author studies the effect of the stabilizing blade plane of the "bell" type on the magnitude of torque of the wind turbine. He performs the comparison of the study results of wind turbine models of different assembly. 3 figures. 3 tables. 2 sources.

Key words: windmill; vertical axis; model; aerodynamic characteristics.

Для ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветротурбины важнейшим фактором, влияющим на их мощность, является величина вращающего момента. В таких установках с медленным вращением ветротурбины увеличение величины вращающего момента повышает производительность и является одним из путей к повышению их конкурентоспособности по сравнению с традиционными установками - с горизонтальной осью вращения ротора.

Повысить величину вращающего момента, по мнению автора, можно, снабдив лопасть типа «Колокол» [1] стабилизирующей плоскостью. Цель эксперимента состояла в установлении влияния стабилизирующей плоскости лопастей типа «Колокол» на величину вращающего момента. В моделях применены лопасти, которые используют разность аэродинамических коэффициентов с наветренной и подветренной сторон при обдувании их с поворотом вокруг верти-

кальной оси на 360°.Модели ротора имели одинаковые размеры, диаметр ротора составлял с(=260 мм, а высота 226 мм.

Рис. 1. Схема испытания четырехлопастного ротора с лопастями 1-й модели

Первая модель была испытана с лопастями в виде полуэллипса размером 40*40 мм без стабилизи-

1Хозяинов Борис Петрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой строительных конструкций, тел.: (3842) 396331, 89132879187, e-mail: khozyainov-bp@ mail.ru

Hozyainov Boris, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the chair of Building Structures, tel.: (3842) 396331, 89132879187, e-mail: khozyainov-bp@mail.ru

рующей плоскости - только одна входная часть (рис.1). Вторая модель с такоИ же входной частью, но с добавлением стационарно установленной по оси лопасти стабилизирующей плоскости шириной Ьсп=40 мм (рис. 2).

Испытания моделей проводились в аэродинамической трубе 3-АТ-17,5/3, которая принадлежит научно-исследовательской и проектно-строительной фирме УНИКОН [2].

Рис. 2. Схема испытания четырехлопастного ротора с лопастями 2-й модели

Застопоренный ротор устанавливался на угол Y относительно продольной оси модели (см. рис. 1). Вначале были измерены величины моментов в обеих моделях при скоростях воздушного потока ^=9,34м/с, и2=13,88м/с, и3 =18,27 м/с и угле Y =0. Этим скоростям соответствуют

-\5

числа Рейнольдса ^е1=1,79-10

Ке2=2,66-105, «в3=3,5-105.

Скорость движения воздушного потока была распределена равномерно по сечению рабочей секции аэродинамической трубы. Уровень турбулентности потока £=1,8 %. Модель устанавливалась на расстоянии Х=1,45 м от среза сопла аэродинамической трубы.

Определение аэродинамического коэффициента момента Ст выполнялось по формуле

ст =

Кт • (М - М0)

Я ю ' ^ мид ' Г

где Кт - тарировочный коэффициент тензовесов; М, М0 - показания весов в процессе опыта и начальное показание измерительного прибора; дю - скоростной напор набегающего потока; 5миделя=0,05928 м — площадь миделевого сечения модели ротора; г - радиус ротора.

Результаты эксперимента и вычисленные по формуле коэффициенты занесены в табл. 1, 2, 3 и построен график (рис. 3).

Модель ветродвигателя, оборудованная лопастями без стабилизирующей плоскости (1-й модели), была испытана первой.

Таблица 1

Изменения коэффициента Ст в зависимости от смены скорости потока для четырехлопастного ротора, оборудованного лопастями 1-й модели при угле обдувания Y=0

[*е=и ■ С,Л Ст

Ке=1,79-105 Ст=0,18

Яе=2,66-105 Ст=0,19

Яе=3,5-105 Ст=0,29

Таблица 2

Изменения коэффициента Ст в зависимости от смены скорости потока для четырехлопастного ротора, оборудованного лопастями 2-й модели при угле обдувания Y=0

^е=и ■ С^ Ст

«е=1,79105 Ст=0,29

Яе=2,66-105 Ст=0,30

Яе=3,5-105 Ст=0,31

Таблица 3

Коэффициенты Ст четырехлопастного ротора с лопастями 1-й и 2-й моделей

Угол Y, град Ст 1 ср (ротор с лопастями 1-й модели) Угол Y, град Ст 2 ср (ротор с лопастями 2-й модели) Ст2 Ст1

0 0,026 0 0,297 11,27

10 0,028 10 0,204 7,27

20 0,003 20 0,065 37,66

30 0,071 30 0,092 1,29

40 0,260 40 0,235 0,91

50 0,338 50 0,360 1,07

60 0,290 60 0,344 1,19

70 0,201 70 0,338 1,68

80 0,046 80 0,337 7,30

90 -0,047 90 0,305 -6,49

Среднее значение 0,121 Среднее значение 0,260 2,12

Рис. 3. Зависимость От=^} четырехлопастного ротора с лопастями

1-й и 2-й моделей

Эксперимент выявил, что отсутствие стабилизирующей плоскости в лопасти снижает коэффициент Cm (на 37-38%) при скоростях воздушного потока от 9,34 до 13,88 м/с (см. табл. 1) по сравнению с величинами Cm2 соответствующих испытанию моделей, оборудованных лопастями со стабилизирующими плоскостями. При скорости потока 11=18,27 м/с величины Cm практически совпали.

Коэффициент заполнения объема ротора лопастями для этой модели равен КЗ=0,231, который определялся по формуле

^(П-ЬлУ^-П-^),

где п - количество лопастей; Ьл - средняя ширина лопасти, подставляемой под воздушный поток, за один оборот ротора; 2 п ^ - окружность, описываемая геометрическим центром лопасти за один оборот; ^ -радиус от оси вращения ветротурбины до геометрического центра тяжести лопастей.

Следующим испытывался четырехлопастной ротор с лопастями 2-й модели со стабилизирующей плоскостью и ^=0,347 (рис. 2). Результаты этих испытаний сведены в табл.2 и 3. Эксперимент проводился при тех же условиях, что и предыдущая модель.

Сравнение данных табл. 1 и 2 оказывает, что коэффициенты Cm четырехлопастного ротора с лопастями 2-й модели значительно выросли при повышении скорости воздушного потока по сравнению с лопастями 1-й модели. Например, при Яе=1,79^105 коэф-

фициент Cm вырос в 1,61 раза, при Яе=2,66105 - в 1,58 раза, а при Яе=3,5^105 - в 1,07 раза. Кроме того, эти результаты свидетельствуют также о том, что с повышением скорости воздушного потока свыше 18 м/с влияние стабилизирующей плоскости в лопасти на величину вращающего момента резко снижается.

Данные табл. 3 и графика (см. рис. 3) свидетельствуют о том, что стабилизирующая плоскость лопасти увеличивает вращающий момент на оси ротора. Среднее значение коэффициента Cm2 по сравнению с коэффициентом Cm1 увеличилось в 2,12 раза.

Анализ графика и таблицы свидетельствуют о том, что четырехлопастной ротор с лопастями второй модели имеет большие средние коэффициенты ^2=0,26, по сравнению со средним значением ^=0,121.

Просматривая таблицу показателей Cm, легко заметить, что четырехлопастной ротор с лопастями 1-й модели при обдувании в диапазоне от 0 до 30° и от 80 до 90° угла Y практически не работает. В роторе с лопастями 2-й модели такая же невосприимчивость воздушного потока наблюдается значительно в меньшем секторе (от 20 до 30°), что позволяет работать ротору более эффективно при его запуске.

Таким образом, можно сделать вывод, что использование стабилизирующей плоскости в лопасти типа «Колокол» заметно улучшает ее аэродинамические характеристики и увеличивает вращающий момент, а следовательно, эффективность работы ветродвигателя.

Библиографический список

1. Пат. №2135823, Российская Федерация, МПК6 Р 03 О 3/04. Ветродвигатель с лопастями «Колокол» или «Аякс» / Хо-зяинов Б. П., Хозяинов Д. Б., Хозяинова Г. Я. № 98113538/06; заявл. 07.07.98; опубл. 27.08.99, Бюл. № 24.

2. Хозяинов Б. П., Березин М. А. Методика проведения испытаний моделей ветроэнергетической установки в аэродинамической трубе 3-АТ-17,5/3 фирмы УНИКОН // Вестник КузГТУ. 2000. № 4. С. 38-42.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.