Исследование гибкой лопатки с изменяемой геометрией Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 620.91

Н.С. Дружинин, Е.И. Кончаков

ДРУЖИНИН Николай Сергеевич - аспирант кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), КОНЧАКОВ Евгений Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).Е-таП: [email protected] © Дружинин Н.С., Кончаков Е.И., 2012

Исследование гибкой лопатки с изменяемой геометрией

Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований механических свойств лопаток ВЭУ. Лопатки выполнены из гибких материалов.

Ключевые слова: лопатка ВЭУ, экспериментальные исследования, механические свойства.

Investigation of flexible blade with variable geometry. Yevgeny I. Konchakov, Nikolay S. Druzhinin - School of Engineering (Far Eastern Federal University. Vladivostok).

The results of experimental studies, the study of the mechanical properties of wind turbine blades. The blades are made of flexible materials.

Key words: wind turbine blade, the experimental study, the mechanical properties.

Трудность разработки ВЭУ (ветроэнергетической установки) заключается в следующем: она должна выполнять противоположные требования: эффективно работать при возможно малых ветрах и надежно - при ураганных, т.е. при постоянно изменяющихся условиях. Особое значение имеют материалы, из которых изготавливаются ВЭУ. Так, в установках различного типа рабочие лопатки выполнены из гибких материалов.

Вращение лопатки рабочего колеса происходит при различных условиях: за время одного оборота вокруг оси может меняться скорость и направление ветра, другие характеристики, что приводит к многократному и интенсивному износу. Это особенно опасно для рабочих лопаток, изготовленных из гибких материалов. В них возникают большие углы деформации, которые приводят к уменьшению ресурса, износу материала, особенно в зимний период.

В нашем эксперименте в качестве направляющего аппарата использованы гибкие лопатки (ГЛ). Конструктивно лопатка состоит из стального каркаса, выполненного из труб. На каркасе закреплена банерная ткань (БТ).

Конструктивно выбор гибкой неподвижной направляющей лопатки (парус) обусловлен способностью гибких конструкций изменять свою геометрию при различных условиях.

Выбор материала лопатки обусловлен свойствами БТ и большим опытом использования ее на парусном флоте. Эта ткань сохраняет свои свойства даже в условиях многолетней эксплуатации без возникновения нежелательных деформаций. Кроме того, она не выгорает на солнце, легко сваривается, склеивается и шьется, устойчива к атмосферным и температурным воздействиям, имеет отличную гибкость. Неподверженность коррозии и водоотталкивающие свойства дают возможность работы при любых климатических условиях.

Парус работает следующим образом: при малых скоростях ветра входная кромка лопатки сохраняет свою форму, обеспечивая наибольший «захват» ветра, а при увеличении скорости больше расчетной, за счет давления ветра, кромка отгибается, и расход ветра через ВЭУ уменьшается, что уменьшает нагрузку на ротор.

На первом этапе исследования ГЛ как нового элемента ВЭУ необходимо изучить физические особенности: прочность материала и соединений [1].

Нами был разработан специальный стенд, на котором закрепляется исследуемый объект. Изготовленный для проведения экспериментальных исследований ГЛ специальный стенд служит для изучения механических свойств лопаток ВЭУ, выполненных из гибких материалов. Основа стенда - специальный жесткий стол из стальных листов толщиной 10-15 мм. Конструкция стола позволяет надежно закреплять испытываемую лопатку длиной более 2 м и шириной более метра. Для закрепления лопатки предусмотрены специальные кронштейны. Стенд оборудован нагрузочными устройствами и измерительным комплексом. В измерительный комплекс входят приборы, позволяющие измерять нагрузки в широком диапазоне величин (от 0 до 5000 Н), с точностью 0,01 мм и деформации с точностью 0,1 мм. В качестве нагрузочных устройств

используются динамометр растяжения эталонный марки ДР-0,5, состоящий из собственно динамометра и стрелочного индикатора часового типа и грузов. Существуют приборы для измерения усилий растяжения: тензометрические датчики и индикаторы, цифровые и механические динамометры. Динамометр растяжения марки ДР-0,5 механического типа, предназначенный для измерения статической силы растяжения, это и нагрузочное, и измерительное устройство, которое позволяет проводить прямые измерения и охватывает диапазон измеряемых значений. Имеет малую погрешность, экономичный, не требует дополнительных приборов и устройств. Имеет малые массогабаритные показатели, его конструкция проста и надежна. Удовлетворяет техническим условиям проводимых экспериментов. Динамометр представляет собой упругое стальное цилиндрическое тело с механическим измерительным индикатором часового типа и переходными элементами - резьбовыми шпильками, соединенными с упругим элементом при подготовке к работе, и фиксируемые контргайками при нагрузке, превышающей наибольший предел измерения на 10%. Металлическая линейка используется для измерения линейных перемещений.

Для проверки работоспособности паруса приводим формулы для расчета нагрузки, действующей на парус во время его работы [2].

Определение давления ветра на лопатки ВЭУ:

(1)

у и а —, % 2

где у - удельный вес воздуха (1,23 кг/м3), при Ратм=760 мм рт.ст., 1атм=288 К, О - ускорение силы тяжес

ти (9,81 м/с2), & - наибольшая скорость ветра (м/с)

а = -

1,23

и 2

9,81

& = 41 м/с, к=1,2

а =

16

а =

16

= 105

Р = к * а = 1.2 * 105 = 126, кг/м2.

1 7

(2)

(3)

(4)

р - <

сила, с которой ветер действует на парус, или нагрузка. Известны характерные скорости, используемые при расчетах ВЭУ [3], по формуле (4) рассчитываем нагрузку для этих скоростей ВЭУ (см. таблицу).

Нагрузка для скоростей ВЭУ

Характерная скорость м/с Ветровая нагрузка, кг/м2

Рабочая 11 9,1

Остановки 25 46,9

Предельно допустимая 50 187,5

Зависимость растяжения N от нагрузки Р при разном предварительном растяжении N. Растяжение близко к линейной зависимости от нагрузки

Испытания проводились сериями в несколько этапов с увеличением и уменьшением нагрузки. Закрепленная на стенде ГЛ при помощи грузов и динамометра подвергалась нагрузке. С индикатора динамометра считывалась величина растяжения. А с помощью металлической линейки определялся прогиб лопатки. На рисунке в виде графика представлены полученные данные измерений. НВ - увеличение нагрузки, НУ - уменьшение нагрузки, цифра показывает серию испытаний (см. график).

Итак, экспериментальные исследования показали, что БТ, выбранная в качестве материала лопатки, способна выдерживать ветровые нагрузки при скорости ветра более 40 м/с. Конструкция лопатки будет изменять свою геометрическую форму при превышении рабочей скорости 11 м/с. Применение текстильных, композитных материалов позволяет уменьшить массу установки, а также уменьшить нагрузку на элементы крепления ВЭУ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. 384 с.

2. Эрдеди А.А. Теоретическая механика и сопротивление материалов. Высш. шк., 2002. 318 с .

3. Янсон Р.Я. Ветроустановки. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2007. 36 с.

2

и