CC BY
16
УДК 621.548
ДО. ДМИТРШВ, С.А. РУСАНОВ, ОС. КОСТЕРНИЙ, ОН. ВОЙЦЕХОВСЬКИЙ
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
КОНСТРУКТИВНО - МЕТРОЛОГ1ЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТ1 ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМЕХАН1ЧНОГО ПРИВОДУ ЕНЕРГОУСТАНОВКИ "КАСКАД - 3"
Проведено оцгнку електромехатчних характеристик енергоустановки каркасного типу "КАСКАД-3". На основi теоретичних розрахунюв крутного моменту на осях турбт, в залежност1 eid швидкостi та тиску наб^аючого повiтряного потоку, визначено взаемозв'язок мiж параметрами повтря, мехатчноЧ передачi (мультиплжатора) та електрогенератора, до^джено параметри потужностi та необхiднi значення крутних моментiв електрогенератора, яю закладено для проектування мультиплжатора енергоустановки "Каскад 3 ".
Ключовi слова: енергоустановка, "КАСКАД - 3", потужтсть, крутний момент, електрогенератор.
D.Q. DMYTRIEV, S.A. RUSANOV, A.S. KOSTERNY, A.N. WOJTSEKHOVSKI
Kherson National Technical University
CONSTRUCTIVE AND METROLOGICAL QUALITY ASSURANCE AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ELECTRO - DRIVEN POWER PLANTS "CASCADE - 3"
Abstract
The estimation of Electromechanical characteristics of the power plant frame type "CASCADE-3 ", on the basis of theoretical calculations of the torque axis turbines depending on the speed and pressure of the oncoming air flow correlations between parameters of air, mechanical transmission (multiplier) and the generator, the investigated parameters of capacity and the required value of torque of the electric generator, which are incorporated for the design of multiplier plant " CASCADE - 3".
Keywords: energy machine, "CASCADE - 3 ", power, torque, electrical machine.
Постановка проблеми
Сучасна ринкова економша висувае принципово нов1 вимоги до якосп продукцп. Виживання будь-якого щдприемства, його стшке становище на ринку товар1в i послуг визначають р1внем конкурентоспроможносп, яка характеризуеться двома показниками - рiвнем цши та рiвнем якосп продукцп, причому яшсть продукцп стае чи не найголовншим чинником у поведшщ споживача, коли вш вибирае товар. Кожен товар повинен бути ноаем рiзних конкретних властивостей, що ввдображають його кориснють i ввдповщають певним вимогам людини. Корисшсть товару характеризуеться споживчою варпстю, а споживча варпсть мае визначатись вщповщною яшстю.
У сучасних умовах виробники будь-яко! техшчно! продукцп чггко усвщомлюють, що без розширення номенклатури виробiв, модернiзацil iснуючих продуктiв або створення нових конкурентоздатних зразк1в, юнування !х пiдприемств стае неможливим. Тому, маючи початкову промислову дiяльнiсть iз в1дносно простими виробничими задачами, прагнуть знайти новi конструкцil i властивосп виробiв, що можуть конкурувати на ринку продуклв i послуг в майбутньому. Як правило, малi пiдприемства не мають власних розвинених конструкторських вiддiлiв, здатних на теоретичному i експериментальному рiвнi забезпечити яшсть нових виробiв, але мають прагнення це зробити. Нередко так1 спроби, заснованi на досвiдi виробника та шту!тивному пошуцi, зак1нчуються невдачею.
У практищ застосовуються рiзнi методи пвдтвердження вiдповiдностi того чи iншого виду продукту необхщним вимогам. Це можуть здшснювати виробники, замовники, продавцi або незалежш органи й органiзацil. Тому юнуе проблема всебiчного системного забезпечення нових бiзнес-проектiв на шляху "щея - спосiб - конструкцiя - параметри - яшсть". У таких випадках кадровий, науковий i матерiально-технiчний потенцiал технiчних унiверситетiв може бути ефективно використаний для реалiзацil даних проектiв. У пiдвищеннi якостi продукцп особливо важливу роль вiдiграють l! стандартизацiя i сертифiкацiя. У нашш краlнi правовi та органiзацiйнi засади стандартизацп, спрямованi на забезпечення едино1 технiчноl полiтики у цiй сфер^ регулюються Законом Украхни «Про стандартизацш».
У рамках даного твердження було проведено дослвдження вiдповiдностi якосп мало1 вiтроенергетичноl установки "Каскад-3", принцип i компоновку яко1 замовник запропонував Херсонському нацiональному технiчному унiверситету (тема ГР № 2/2014, договiр вщ 16.06.14 р.).
Аналiз останшх дослвджень i публiкацiй
В ХНТУ на кафедрi основ конструювання згiдно з договором ГР№02/14 вiд 16.06.14 проведено попередн теоретичнi дослiдження очАкувано! потужносп ВЕУ "КАСКАД-3" за наданими замовником (Ремiзовим П.П.). компоновкою i розмiрами. Проведено математичне i комп'ютерне моделювання методом к1нцевих елементiв полiв повпряних потоков у конфузорi установки. ВЕУ "КАСКАД-3" представлено як математичну систему тривимiрною твердотiльною моделлю. На вхвд модел1 введено: геометрiя ВЕУ «КАСКАД-3», швидшсть набiгаючого повiтря на фронтальнш площинi конфузора, тиск назовнi, умови обертання турбiни як функцiя орАентаци лопатки вiд кута повороту турбши. На виходi математично! моделi отримано: поле розподiлення швидкостей повiтря в конфузор^ поле рiзницi тиску, крутний момент на ос турбiни, потужшсть на осi валу турбiни.
Основш результати попереднiх дослвджень (рис.1):
1. Проведений розрахунок швидкостi повiтряного потоку без лопаток турбши тдтвердив концепцш замовника щодо шдвищення значения швидкосп у просвiтi м1ж барабаном i стiнкою конфузору до максимального у 3,9 разiв при швидкостi наб^аючого потоку 12 м/с i до максимального значення у 2,5 разiв при швидкостi набiгаючого потоку 6 м/с.
2. Середш значення коефщенту пiдвищення швидкостi у просвiтi лопатки турбши за рахунок використання конфузору складае 1,8 - 3,2 рази в залежносп ввд швидкостi набгаючого потоку.
3. Збiльшення фронтально! площi конфузору (раструба) не впливае на коефщент шдвищення швидкостi.
4. Встановлено значний вплив наявностi лопатки i миттевого кута повороту турбiни як перепони складно! форми на розподшення полiв швидкостi i тиску в зон конфузору. Тобто, структура турбши змшюе швидк1сть у просвiтi по п.1 i п.2.
5. Розрахунок крутних моменпв i очiкувано! потужносп на осях турбiн проведено для середньостатистично! швидкостi набiгаючого потоку в нашому регiонi 5 м/с i встановлено для надано! замовником компоновки ВЕУ «Каскад-3» на рiвнi ввд 1,2 кВт. Данi значення можна розцшювати як початковi, що забезпечуе установка на мiнiмальних швидкостях повпря в Херсонськ1й областi (роздiл 10 звпу).
6. При моделюваннi зовшшньо! задачi набiгання повiтряного потоку на фронтальну площину конфузору отримано нелшшш розподiлення швидкостi як епюр значень на входi повiтря в конфузор i зниження швидкостi повiтря у середньому в 2 рази по середин площини раструба енергоустановки. Це пояснюеться наявнiстю гiдравлiчного опору в зош конфузору на рiвнi 1,5 кПа.
7. Проведенi натурнi експериментальш вимiрювання швидкостi повiтря чашечними анемометрами моделей МС-13 ГОСТ 6376-74 i АРИ-49 ГОСТ7193-74, що подтвердили зменшення швидкостi повiтря з 5 м/с у середовищi до 2,5 м/с на входi в конфузор, однак збшьшення у просвiтi лопатки до 7,5 м/с.
Формулювання мети дослщження
Метою досл1дження е проведення незалежно! оцiнки характеристик i властивостей енергетично! установки i встановлення технiчних умов, визначення вiдповiдностi енергоустановки каркасного типу "КАСКАД-3" вимогам стандартiв, проведення попередньо! сертифiкацi! енергоустановки замовника на !! безпечнiсть та екологiчнiсть з метою виходу на мiжнародний ринок.
Викладення основного матерiалу досл1дження
Ведомо, що вимоги до якосп встановлюються i фiксуються в нормативних шформативно-техшчних документах: державних, галузевих, фiрмових стандартах, техшчних умовах на продукцiю, у техшчних завданнях на проектування або модершзацш виробiв, у кресленнях, технолопчних картах i технологiчних регламентах, у картах контролю якосп, а стандартизащя узаконюе впровадження показник1в та норм якосп продукцi!, технологiчних процесiв i прийомiв, послуг у вiдповiднiй сферi виробництва. Кожна органiзацiя-виробник продукцi! чи послуг повинна прагнути до максимального дотримання всiх вимог, передбачених у тих нормативних документах, яш вона використовуе.
Державш стандарти Укра!ни мiстять обов'язковi та рекомендацiйнi вимоги. До обов'язкових вадносяться:
- вимоги, що забезпечують безпеку продукцл для життя, здоров'я та майна громадян, Г! сумюшсть а взаемозамiннiсть, охорону навколишнього середовища, а також вимоги до методiв випробувань цих показнишв;
- вимоги техшки безпеки та ппени пращ з посиланнями на вАдповАднА саштарш норми А правила;
- метролопчш норми, правила, вимоги та положення, як1 забезпечують достовАршсть А точнють вим1рювань;
- положення, як1 забезпечують технчну сумАсшсть шд час розробки, виготовлення, експлуатацп продукцп.
а)
б)
в)
Рис.1. Загальний вигляд та енергетичш параметри виготовленоТ енергоустановки "КАСКАД -3"
У науковш лаборатори кафедри основ конструювання спроектовано та виготовлено стенд для перевАрки генератора.
Ш
Рис. 2. Виготовлений дослщний стенд (а) 1 кшематична схема стенду по принципу мотор-терези (б) для вим1рювання струмо-швидшсних характеристик електрогенератора: 1 - шпиндель, 2 - ведучий шкчв клино-пасовоТ передач!, 3 - ведений шк1в, закр1млемий на корпус! генератора 4 з обмотками, 5 - вкь генератора з високоенергетичними постшними
магнггами, 6 - важшь, 7 - динамометр
У даному випадку вибираемо фрикцiйну передачу тому, що вона мае ряд переваг, основними з яких е: плавнють та безшумнiсть роботи, простота конструкцп та експлуатаци, а також низька цша колiс.
а)
б)
Рис. 3. Силова схема фрикцшноТ передач! мультиплшатора (а) та ¡мов!рне м!сце розташування осей ! ролишв фрикцшноТ передач! на каркас! конфузора енергетичноТ установки (б)
Основн! параметри мультиплжатора
Вихвдш даш для проектування : матер1ал для ведучого та веденого колю: крутний момент ведучого колеса, що визначеного теоретично швидкосп обертання ведучого та веденого вал1в прийняте перевальне ввдношення 1=0,1.
Необхвдна сила притискання колю визначаеться за формулою (рис. 3, а):
де кр - коефщент режиму роботи передачу
М1 - номшальний момент на ведучому колесц
f - коефщент тертя;
Б1 - дАаметр ведучого колеса.
Визначаемо сили реакци на опорах валАв фрикцшно! передачА (рис. 3, б):
а) б)
Рис. 4. Область проектних значень сили притискання О ролишв (а) та сили реакщТ Я на валах (б)
фрикцшноТ передачi мультиплiкатора
ПеревАрка працездатносп фрикцшно! передачА за критерАем зносостшкосп робочих поверхонь кол1с визначимо по формулА Герца-Беляева (рис. 4)
ак = 0,836 •
кнг-МгЕ \ +1
^ /-Д--5 /
де кнг - коефщент навантаження;
Епр - приведений модуль нормально! пружностц \ - передавальне вцщошення.
/ + I г -1
—^ ьи
(3)
а) б)
Рис. 5. Контактнi напруження на поверхнi ролишв фрикцшноТ передачi мультиплiкатора енергоустановки в залежностi вщ дiаметра Б! та коефiцieнта тертя f при В=0.05 (а) та ширини
ролишв В при f=0.4 ( б)
Основш параметри жорсткосп та мщносл поворотно-опорних частин конфузору
енергоустановки
Розрахунок осьового моменту шерци та геометричних параметрiв валу поворотно! ос конфузору (рис. 5):
^ -Г
пот
~ З-Е-у
(4)
де Епот - сила набиаючого потоку;
I - висота конфузору (плече екивалентного згинаючого моменту);
у - прогин центрально! ос конфузору. З визначеного осьового моменту шерци розрахуемо значення дiаметру цилiндричного валу поворотно! осi:
¿ос=11—= 0.15л,. к
(5)
Рис. 6. Область визначення осьового моменту
шерци J в залежностi в1д сили повгтря набiгаючого потоку Гпот (м/с) та граничного прогину у (м) еквiвалентного плеча I
Розрахунок геометричних параметрiв опорних ролишв поворотноТ частини конфузору по критерто
контактно!' мiцностi
Iмовiрнi значення контактних напружень на роликах поворотно! опори визначаемо за формулою Герца-Беляева для контакту цилiндра з площиною (рис. 6):
ег„ = 0,418-
Я
ъ )
(6)
де
Яоп - величина сили реакцп на ролику поворотно! опори, Н; Ь - ширина ролику поворотно! опори, м; Як - радпс ролику поворотно! опори, м.
2е+€7
01 01
а)
б)
Рис. 7. Контактнi напруження (6н, Па) поверхонь ролика i опорноТ площини при Roп=5406 Н в залежност вiд ширини i радiусу ролика (а) та (б) в залежност в1д сили реакци Roп та ширини
ролика Ь при радiусi ролика Rк=0.06 м
Висновки
За результатами дослщження зроблено наступи! висновки: - на основ! теоретичних розрахуншв крутного моменту на осях турбш енергетично! установки "Каскад 3" в залежносп вiд швидкостi та тиску набiгаючого повiтряного потоку визначено взаемозв'язок мiж параметрами повiтря, мехашчно! передачi (мультиплiкатора) та електрогенератора;
- виготовлено дослщний стенд для випробувань струмо-швидшсних характеристик електрогенератора за схемою мотор-терези, що плануеться для використання в енергоустановщ;
- дослцркено параметры потужносп та необхвдш значения крутних моментов електрогенератора, яш закладено для проектування мультшшкатора енергоустановки "Каскад 3";
- визначено область проектных значень сил притискання ролишв фрикцшно! передач! у залежносп ви jiaMCTpiß та матер1ал1в;
- визначено область проектних значень сил реакцш на опорах вал1в фрикцшно! передач!;
- перев!рено працездатшеть мультшшкатора за критер!ем Герца-Беляева;
- визначено iMOBipHi жорстюсть та nepepi3 поворотно! oci конфузора за критер!ем мщностк
- визначено дiапазон сил, що д1ють на опорнi ролики поворотно! частини конфузору та геометричш характеристики ролишв кочення.
Напрямки подальших дослвджень В подальшому плануеться визначення оптимальних числових значень конструктивних параметрiв енергетично! уставки "Каскад 3" за отриманими областями рiшень.
Список використаноТ лггератури
1. Янсон Р.А. Ветроустановки: Учеб. пособие / Под редакцией М.И. Осипова. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2007. - 36 с.
2. Рензо Д, Зубарев В.В. Ветроэнергетика. - Москва.: Энергоатомиздат, 1982. - 271 с.
3. Приходько A.A., Редчиц Д.А. Компьютерное моделирование аэродинамики подвижных роторов ветроагрегатов Дарье и Савониуса // Аэрогидродинамика: проблемы и перспективы. - 2006. -Т. 2. - С. 120-142.
4. Пат. № 91379 Укра!на, МПК F03B 13/10. Енергетичний пристрш «КАСКАД-3»/ Ремiзов П.П. -№ a2013 11898; Заявлено 09.10.2013; Надрук. 10.07.2014; Бюл. №13/
5. Ремизов П.П. Моделирование работы турбины гидродинамического устройства "Каскад-М" / П.П. Ремизов, С.А. Русанов, Д.А. Дмитриев // Вост.-Европ. журн. передовых технологий. -2012. - № 2/8. - С. 64-67.
6. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - Москва, 1948.
7. Дмитрiев Д.О. Прогнозована потужшсть вироенергетично! установки «КАСКАД - 3» / Д.О. Дмитрiев, П.П. Ремiзов, С.А. Русанов, О.О. Лобов // Перспективш технологи та прилади. -2014 - №5(2) - С. 41-46
