CC BY
13
автомобилей, целесообразно применение прогрессивных и экономичных способов. Одним из этих способов является хромирование. Так как этот метод имеет лучшие значения коэффициентов технико-экономической эффективности и долговечности.
Methods of restoration of operability of the gas distribution mechanism valve are presented inthe article. Now at repair of details of automobiles and trucks,application ofprogressive and economic ways is expedient. One of these ways is chromium plating. As this method has the best values of the technical and economic efficiency and durabilitycoefficients.
УДК 621.311.24.(524)
И. А. ШУМЕЙКО, С. М. НУРКИМБАЕВ, А. А. ХРИСТОДОРОВ
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА ФОРМЫ И ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДИ ЛОПАСТИ ВЕТРОВОГО КОЛЕСА ВЕТРОВОДОПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ
В настоящей статье авторы сравнивают различные типы лопастей как по форме, так и по их относительной площади с целью выявление оптимальных конструктивных параметров обеспечивающих максимальную эффективность работы ветроводоподъемной установки.
Казахстан имеет значительные ресурсы возобновляемой энергии, особенно ветровсй. С географической и метеорологической точек зрения Республика Казахстан является одной из наиболее подходящих стран в мире для развития ветроэнергетики [1].
Одной из причин медленного внедрения ветроэнергетических установок для автономного энерго- и водоснабжения в РК является отсутствие ветроустановок эффективно работающих в условиях малых скоростей воздушных потоков, преобладающих в течение года. В связи с этим данная проблема требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований и разработки эффективных ветроэнергетических, в т. ч. ветроводоподъемных установок. В данной работе акцентировано внимание на повышение эффективности ветроводоподъемных установок широко применяющихся в сельском хозяйстве на отгонных пастбищах, частных подворьях, фермерских хозяйствах.
С целью определения наиболее оптимальных конструктивных параметров ветрового колеса, обеспечивающих наибольшие значения момента на его валу, частоты вращения и мощности и, как следствие, производительности ветроагрегата для подъема воды, исследовались следующие конструктивные варианты применяемых на практике лопастей ветроагрегатов различного назначения:
- аэродинамический, прямоугольной формы во фронтальной плоскости (рисунок 1, а);
и и 1У 1 1 и
- вогнутый из листовой стали, прямоугольной формы во фронтальной плоскости с постоянной вогнутостью (рисунок 1, б);
- вогнутый из листовой стали с постоянной вогнутостью трапецеидальной формы во фронтальной плоскости (рисунок 1, в);
- вогнутый из листовой стали с уменьшающейся вогнутостью к периферии и трапецеидальной формы во фронтальной плоскости (рисунок 1, г).
а) б) в) г)
Рисунок 1 - Исследуемые формы лопастей в поперечном сечении и во фронтальной плоскости
Конструкция модели водоподъемного ветроагрегата и принцип действия приняты на основе ветроагрегата «Чайка-3» [4]. Экспериментальные исследования проводились с помощью аэродинамической трубы, обеспечивающей постоянную скорость воздушного потока в плоскости ветрового колеса равной и = 5,83 м/с. Измерения развиваемого ветроколесом момента выполнялось по схеме: определение соответствия момента М на валу ветроколеса (ВК) усилию Р (тарировка момента) - построение тарировочного графика функции М = f (Р) - создание нагрузки на тормозном барабане в процессе экспериментальных исследований до момента остановки ВК - фиксация значения усилия по динамометру - перевод усилия в момент по тарировочному графику.
Достоверность количественной оценки момента подтверждалась повторяемостью поведения функции М = А(Р) при многократном проведении тарировки и измерений одного и того же параметра в одних и тех же условиях. Разброс значений момента составил 3.. .5%. Частота вращения определялась с помощью электронного тахометра. Разброс значений частоты вращения при повторном проведении измерений частоты для одних и тех же условий составил 2.3%. Значение мощности определялось по формуле
где Ой - угловая скорость, определяемая из выражения
ЯП
,
30
п - частота вращения, об/мин.
По результатам экспериментальных исследований построены графические зависимости момента, частоты вращения и мощности в функции угла установки лопастей а (угла «заклинения») для всех вышеперечисленных типов лопастей при прочих равных условиях: диаметре ВК, скорости воздушного потока, числе лопастей, относительной площади лопасти (рисунки 3.1 - 3.8). Относительная площадь лопасти S определялась отношением площади лопасти к площади, ометаемой ветровым колесом за вычетом нерабочей площади ступицы ВК. В основной части экспериментальных исследований значение S для разных типов лопастей принято равным 0,0722.0,0757, т.е. практически постоянным.
Сравнивались значения момента, частоты вращения и мощности без привода на насос и с приводом, т.е. без нагрузки и с нагрузкой с учетом производительности для различных типов лопастей, а именно:
1. Аэродинамический прямоугольной формы и вогнутый из листовой стали той же формы во фронтальной плоскости с постоянной вогнутостью без привода на насос (рисунок 3.1 и 3.2).
Максимальное значение мощности, как основной характеристики любой ветроэнергетической установки, для ВК с аэродинамическим профилем составило 29,1 Вт при угле заклинения а = 30°. Для ВК с вогнутой формой лопасти из листовой стали Ктах = 20,9 Вт для того же угла, т.е. ВК с аэродинамическим профилем по мощности эффективнее ветроколеса с вогнутым профилем на 28 %. Аналогичное сравнение по моменту для этого же угла а показывает, что аэродинамический профиль практически не изменяет этот показатель, по частоте вращения аэродинамический профиль повышает эффективность вращения на 31 %.
Вывод: В среднем ВК с аэродинамическим профилем дает повышение эффективности на 30 % (с учетом отсутствия эффекта по моменту). Оптимальным углом заклинения является угол а в пределах 20°.. .30° для обоих типов профилей.
Сравнение момента, частоты вращения и мощности обеспечиваемых данными типами лопастей для случая работы ветроагрегата с приводом на насос показали следующие результаты (рисунок 3.3 и 3.4): повышение эффективности по мощности для ВК с аэродинамическим профилем на 31 %, по моменту- на 16 %, по частоте вращения- на 31 %, в среднем на 26 %, по производительности (рисунок 3.5 и 3.6) для того же угла а = 30° на 24 %.
Вывод 1: для ветроводоподъемнсй установки рекомендуется использовать конструкцию ВК с аэродинамическим профилем лопасти с прямоугольной формой во фронтальной плоскости, как наиболее простой. Такой выбор позволит повысить эффективность ветроагрегата на 25.. .30 % при одних и тех же диаметре ВК и скорости воздушного потока.
Однако аэродинамический профиль лопасти менее технологичен в изготовлении, чем вогнутый из листовой стали. Возникла необходимость проверки других форм лопастей из листовой стали во фронтальной плоскости с учетом степени и вида вогнутости.
2. Сравнивались формы лопастей из листовой стали с одинаковой степенью вогнутости (отношение высоты хорды к ширине лопасти) ранее рассмотренная
1 1 и и и
прямоугольной формы во фронтальной плоскости и трапецеидальной с одинаковой относительной площадью и при прочих равных условиях.
Результаты экспериментальных исследований представлены графически на рисунках 3.1 и 3.5 без привода и на рисунках 3.3 и 3.6 с приводом.
Максимальное значение мощности для ВК с прямоугольной формой лопасти составило 22,7 Вт при угле заклинения а = 20°. Для ВК с трапецеидальной формы -^шах = 23 Вт при том же угле, т.е. ВК с трапецеидальной формой по мощности эффективнее ВК с прямоугольной формой на 1,3%, по моменту на 15 %. По частоте вращения ВК с трапецеидальной формой уступает ВК с прямоугольной формой на 10%.
Рисунок 3.1 - Зависимость момента, частоты вращения и мощности от угла заклинения ВК с аэродинамическим профилем лопасти прямоугольной
формы без привода на насос
M, Н-м
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
M=f(a)
0,58 0,59 0,59 0,59
0,52
0,43 1
11° 15" 20" 25" 30" 35"
п, об/мин
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
n=f(a)
368 374
350 338
1 296
11° 15" 20" 25" 30" 35"
N, Вт
30
N=f(a)
25 20 15 10
22 7
20 22,2 20,9
18.3
15,8 1
11" 15" 20" 25" 30" 35"
Рисунок 3.2 - Зависимость момента, частоты вращения и мощности от угла заклинения ВК с вогнутыми лопастями из листовой стали без привода на насос
Рисунок 3.3 - Зависимость момента, частоты вращения и мощности от угла заклинания ВК с аэродинамическим профилем лопасти прямоугольной формы с приводом на насос
Рисунок 3.4 - Зависимость момента, частоты вращения и мощности от угла заклинания ВК вогнутыми лопастями из листовой стали прямоугольной формы с приводом на насос
Вывод 2: с незначительным преимуществом предпочтение следует отдать ВК с трапецеидальной формой, тем более эта форма является более традиционной и эстетичной.
Сравнение выходных параметров для случая работы ветроагрегата с приводом на насос показали следующие результаты (рисунок 3.4 и 3.6): снижение эффективности по мощности при переходе с ВК прямоугольной формой лопасти на трапецеидальную - на 9 %, по частоте вращения - на 11%, по моменту повышение эффективности на 9% и по производительности - снижение эффективности на 8 %. Но в связи с тем, что для ветроводоподъемных установок основным параметром является момент, который обеспечивает более устойчивую работу ветроагрегата при меньших скоростях ветра, а по моменту мы имеем некоторое повышение эффективности и с учетом эстетичности, оставляем в качестве рекомендуемой трапецеидальную форму лопасти во фронтальной плоскости.
Однако рассмотренная двенадцатилопастная конструкция ВК с трапецеидальной формой также значительно уступает по эффективности с ранее исследованной конструкцией ВК с аэродинамическим профилем. Это послужило поводом поиска других конструктивных изменений ВК с трапецеидальной и вогнутой формой лопасти из листовой стали.
Проведенные испытания ВК с этой же трапецеидальной формой, но с меньшей степенью вогнутости (в конечном приближении - плоскость) показали повышение частоты вращения, снижение момента и, практически, неизменность мощности, развиваемой ветровым колесом. Вместе с тем приближение формы лопасти к плоскости значительно снижает ее жесткость (эффект ребра жесткости). Поэтому для сравнительной оценки была принята лопасть вогнутая из листовой стали с уменьшающейся вогнутостью к периферийной части: у основания была принята вогнутость ш0 = ОД Б и на конце лопасти (периферийной части) тн = 0,025. ВК с этой лопастью сравнивалось с ВК с постоянной вогнутостью по длине лопасти и с ВК с аэродинамическим профилем лопасти. Результаты экспериментальных исследований приведены на рисунках 3.7 (без привода на насос), 3.8 (с приводом на насос) и с аэродинамическим профилем - рисунок 3.1
Максимальное значение мощности для ВК с трапецеидальной формой и уменьшающейся вогнутостью составляет 26,4 Вт при угле а = 15°. Для ВК с той же формой лопасти, но с постоянной вогнутостью - N = 20,2 Вт при том же угле а и N = 23 Вт при угле а = 20°, т.е. ВК с уменьшающейся вогнутостью лопасти дает повышение эффективности по мощности на 15% и снижение эффективности по мощности в сравнении с ВК с аэродинамическим профилем всего на 2% при угле заклинения а = 20°.
По моменту ВК с изменяющейся вогнутостью лопасти не дает повышения эффективности по сравнению с ВК с постоянной вогнутостью лопасти. По сравнению с ВК с аэродинамическим профилем - дает повышение эффективности по моменту на 17%.
Рисунок 3.5 - Зависимость момента, частоты вращения и мощности от угла заклинения ВК с вогнутыми лопастями трапецеидальной формы без привода на насос
М, Н'м M=f(«)
0,8
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД 0
0 44
0,36 0,41 0,41
0,24 1 0,32
11° 15° 20' 25° 30-- 35°
п, об/мин
500
n=f(a)
400 300 200 100 0
210 226 250 250 237 212
1 1 1
11° 15° 20-- 25° 30" 35"
Рисунок 3.6 - Зависимость момента, частоты вращения, мощности и производительности от угла заклинения ВК с вогнутыми лопастями трапецеидальной формы с приводом на насос
По частоте вращения ВК с изменяющейся вогнутостью лопасти дает повышение эффективности на 20% по сравнению с ВК с постоянной вогнутостью. ВК с аэродинамическим профилем по частоте вращения эффективнее с ВК с изменяющимся профилем для того же угла на 14 %.
Из сравнительного анализа следует, что ВК с трапецеидальной формой лопасти и уменьшающейся вогнутостью к ее периферии значительно эффективнее ВК с постоянной вогнутостью по длине лопасти и по моменту на 14 % выше ВК с аэродинамическим профилем лопасти.
Вывод 3: Для ветроводоподъемной установки наиболее оптимальным является двенадцатилопастиое ВК с трапецеидальной формой с уменьшающейся вогнутостью к периферийной части лопасти в пределах от т0 = °Д5 до ти = 0,025. Данный вывод подтверждается результатами экспериментальных исследований под нагрузкой.
м. Н'м м =««) Щв- п, об/мин
0,8 0,7 П о,ы 0,65 0,65 °'67 эии 423 428 410
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,54 400 300 200 100 322 275
и 11° 15° 1111 20-- 25° 30-- 35° и 11° 1 15° 20-- 25° зо-- 35°
Рисунок 3.7 - Зависимость момента, частоты вращения и мощности от угла заклинания ВК с изменяющейся вогнутостью лопастей трапецеидальной формы без привода на насос
Рисунок 3.8 - Зависимость момента, частоты вращения, мощности и производительности от угла заклинения ВК с изменяющейся вогнутостью лопастей трапецеидальной формы с приводом на насос
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Дорошин, Г. А., Перспективы использования ветроэнергетики в Казахстане. Доклад. В рамках проекта «Проект Программы развития ООН и Правительства Казахстана «Казахстан - инициатива развития рынка ветроэнергетики». - Алматы, 2006.
2 Национальная программа развития ветроэнергетики до 2015 г. с перспективой до 2014 г. Подготовка в рамках совместного проекта Министерства энергетики и минеральных ресурсов РК и Программы развития ООН «Казахстан - инициатива развития рынка ветроэнергетики». - Алматы-Астана, 2007.
3 Нурпеисова, Г. Б. Обоснование систем автономного электро- и водоснабжения агроформированной на базе ветроустановок. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Казахский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (КазНИИМЭСХ). Алматы, 2010.
4 Шефтер, Я. И. Использование энергии ветра. - М : «Энергия», 1983. - 201 с.
5 Ордабаев, М. Е., Шумейко, И. А., Коваль, Ю. А. «Исследование момента, частоты вращения ветрового колеса и мощности на валу в зависимости от числа, формы лопастей и угла атаки». - Алматы. 2011.- 5 с.
6 Шумейко, И. А., Нуркимбаев, С. М. «Повышение эффективности маломощных ветровых электрических установок», Praha, Publishing House «Education and Science» sxo., 2013. - 7с.
7 Шумейко, И. А., Коваль, Ю. А. Инновационный патент №№ 26174 на изобретение «Ветродвигатель с буревой защитой». (19)К2(13)А4(11)26174. 2012.
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар.
Материал поступил в редакцию 14.03.13.
И. А. Шумейко, С. М. Нуркимбаев, А. А. Христодоров
Жел кемепмен су кетеретш кондырлыгынын желдк децгелжтщ калактары шшш жене салыстармалы ауданнын YЙлгdмдi щсканныц модельдеулер непз1мен тагам
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.
Материал 14.03.13. баспаFа тусл.
I. А. Shumeiko, S. M. Nurkimbayev, А. А. Khristodorov
Choice of optimal variant of the form and relative area of the of wind wheel blade of the windwaterlifting setting on the basis of design
Pavlodar State University after S. Toraigyrov, Pavlodar.
Material received on 14.03.13.
Авторлар бул мацалада жел квмегiмен су квтеретт крндырлыгътъщ жумысыныц максималды тиiмдiлiгiн цамтамассыз ету мацсатында оцтайлы конструктивтж тштдерт аныцтау ушт аудан жагына цатысты жэне де эр тyрлi типтi цалыцтардыц тштт салыстыру арцылы жузеге асырады.
In the present article the authors compare the different types of blades both in form and on their relative area with the of aim exposure of optimal structural parameters providing maximal efficiency of work of the windwaterlifting setting.
