Выявление оптимальных конструктивных параметров ветрового колеса ветроэнергетической установки модели АВЭУ6-4М на основе моделирования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Гульков, А. Н., Заславский, Ю. А., Ступаченко, П. П. Применение магнитной обработки воды на предприятиях Дальнего Востока. - Владивосток : Изд-во Дальневосточного университета, 2000 - 134 с.

2 Иванов, И. А. Применение зол и топливных шлаков в производстве строительных материалов. - М. : ИАСВ, 2004 - 234 с.

Материал поступил в редакцию 10.06.14.

В. Г. Никифорова, А. А. Айдарханова, В. В. Никифоров, Р. Н. Сулейменова, А. Г. Нарханова Магниттж судыц цемент к^рамыныц к^рылуына эсер eiyi

С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.

Материал 10.06.14 баспаFа тYстi.

V. G. Nikiforova, A. A. Aydarkhanova, V. V. Nikiforov, R. N. Suleymenova, A. G. Narkhanova Influence of magnetic water on the structure of cement systems

S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.

Material received on 10.06.14.

Макалада крлдыцты цемент жуйесте калыпты жэне M^rnmmi судыц структуралыц цурылымы мен туцба механизмi туралы карастырылган.

The article describes the deposition mechanism and the structure of cement-slag systems in normal and magnetized water.

УДК 620.91.001.51

С. М. Нуркимбаев, И. А. Шумейко

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар

ВЫЯВЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОВОГО КОЛЕСА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МОДЕЛИ АВЭУ6-4М 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 ветроагрегата «АВЭУ6-4М».

Наблюдение за действующими ветроэнергетическими установками, в основном кустарного производства, в некоторых селах Лебяжинского района Павлодарской области показали их низкую эффективность и неустойчивость к ураганным порывам ветра. Установленная на одном из отгонных пастбищ ветроэнергетическая установка модели АВЭУ6-4м мощностью 4 кВт (рисунок 1),

ранее выпускавшаяся АО «Павлодарский машиностроительный завод», находится не в рабочем состоянии: выведено из строя двухлопастноеветровое колесо в результате воздействия ураганного порыва ветра, не работает механизм ориентации навстречу воздушному потоку. В период до выхода из строя установка АВЭУ6-4М при очень больших габаритах (диаметр ветрового колеса 6 м, высота мачты около 15 м) начинала свою работу при скорости воздушного потока не менее 3,5 м/с развивая при этом значительно более низкую мощность по отношению к номинальной.

Рисунок 1 - АВЭУ6-4М на отгоне в Лебяжинском районе

Потребность же в высокоэффективных ветроэнергетических установках, особенно на отгонных пастбищах, крестьянских подворьях и в других отдаленных от линий электропередач точках, очень высокая.

Целью настоящей работы является создание ветрового колеса (далее ВК) на базе ветроэнергетической установки модели АВЭУ6-4М, которое обеспечило бы значительное повышение эффективности по моменту, частоте вращения и мощности при общем снижении диаметра ВК и высоты мачты с использованием метода регулирования частоты вращения ВК применяемого в старом варианте. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующее задачи:

1. Разработать копию конструкции ВЭУ АВЭУ6-4М с сохранением механизма автоматического регулирования угла атаки лопастей и, соответственно, частоты вращения ВК№.

2. Разработать и изготовить аэродинамическую трубу диаметром соответствующим диаметру ВК модели-копии АВЭУ6-4М.

3. Выполнить экспериментальные исследования зависимостей момента (М), частоты вращения (п), мощности (№) от входных конструктивных параметров, а именно:

- оценить значение М, п иNВК с лопастями-копиями модели АВЭУ6-4М для числа лопастей равного двум, трем и четырем;

- оценить значение М, п иNВК с лопастями из листовой стали для различной относительной площади лопасти и различного числа лопастей, а также различной формы лопастей во фронтальной плоскости.

Разработана и изготовлена модель-копия ветроэнергетической установки АВЭУ6-4М в масштабе 1:4. Диаметр по концам лопастей оказался равным 1,6 м. Исследования выполнялись с помощью аэродинамической трубы, обеспечивающей постоянную скорость воздушного потока равную 3,5 м/сна выходе трубы. Момент измерялся с помощью специального тормозного устройства предусмотренного в модели-копии АВЭУ6-4М с предварительным получением тарировочного графика. Частота вращения определялась с помощью электронного тахометра. Мощность определялось как произведение момента на угловую скорость по формуле

Как видно из полученных графических зависимостей М, п и N от угла атаки (рисунки 2-4) момент растет с увеличением угла с 7°до 23°, а именно: на 31 % для двухлопастного ветроколеса (ВК), на 20 % для трехлопастного ВК и на 16 % для четырёхлопастного ВК. Частота вращения падает на 7 % для двухлопастного, на 4,7 % для трехлопастного и на 4,6 % для четырёхлопастного ВК. Мощность также растет с увеличением угла атаки: для двухлопастного ВК на 26 %, для трехлопастного на 16 % и для четырёхлопастного ВК на 16 %. Исходя из вышеизложенного наиболее оптимальным углом атаки является угол равный 23°. Дальнейшее увеличение угла атаки приведет к более значительным потерям по частоте вращения.

С увеличением числа лопастей для наиболее оптимального угла атаки (а=22°-23°) частота вращения ВК незначительно падает: на 3,8 % при переходе с двух- на трехлопастное и на 4,6 % при переходе с двух- на четырех лопастное ВК. Момент и мощность при этом значительно возрастают: момент возрастает на 27 % при переходе с двух- на трехлопастное ВК и на 36 % при переходе с трех- на четырехлопастное ВК. По мощности трехлопастное колесо эффективнее двухлопастного на 25 %, а четырехлопастное ВК эффективнее по мощности трехлопастного ВК на 10 %. Таким образом, в случае необходимости выбора ВК по числу лопастей-копий АВЭУ6-4М конструкции ВК целесообразно остановить выбор на четырехлопастном ВК.

М,

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О

н-мЫМ(а)

0,24 0,29

0,2

■

15° 23°

п, об/мин

500 400 300 200 100 О

280 272 260

15° 23°

N. Вт N=^01)

25 20 15 10 5 О

7,9

5,8

■

7° 15° 23°

Рисунок 2 - Зависимость М, п и угла атаки для ВК с числом лопастей - копиями равным двум

Рисунок 3 - Зависимость М, п и угла атаки для ВК с числом лопастей

копиями равным трем

м,нмМ=Ца)

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0,45

0,38 0,42

I 1

15° 23°

п, об/мин

п=Ца)

500 400 300 200 100

260 255 248

1 ■

7° 15° 23°

Ы, Вт N=^01)

25 20 15 10 5 0

10,3 11,2 11,/

■ ■

7° 15° 23°

Рисунок 4 - Зависимость М, п и угла атаки для ВК с числом лопастей - копиями равным четырем

Значения М, п и N при использовании центробежного механизма регулирования угла атаки практически не изменились, что говорит о недостаточной частоте вращения ВК для данных условий.

Однако сравнительно низкая эффективность исследованного ВК с традиционной формой лопасти во фронтальной плоскости с аэродинамическим профилем в поперечном сечении и очень малой относительной площадью вызвала необходимость поиска конструкции лопастей, которая при меньшем диаметре ВК обеспечила бы повышение эффективности по М, п и N.

Исследовались М, п и N развиваемые ВК с лопастями из листовой стали трапецеидальной формы во фронтальной плоскости с переменной вогнутостью к (рисунок 5)

оснобание основание

а) б)

Рисунок 5 - Лопасти из листовой стали трапецеидальной формы

К периферийной части лопасти вогнутость уменьшается. Такие лопасти, как показали исследования [6], повышают эффективность по всем параметрам на 20-25 % по сравнению с лопастями с постоянной вогнутостью. Причем в процессе исследований менялось положение основания лопасти: за основание принималось меньшее основание трапеции (рисунок 5, а) и большее основание трапеции (рисунок 5, б).

Экспериментальные исследования зависимостей М, п и N от конструктивных параметров выполнялись в следующей последовательности:

1. ВК с числом лопастей 1 = 2, основание лопасти - меньшее основание трапеции, углы атаки фиксированные (7°, 15°, 23°); менялась относительная площадь лопасти (отношение площади лопасти к омываемой воздушным потоком полезной площади ВК): = 0,02, = 0,032, = 0,041.

2. Для наиболее оптимального значения относительной площади оценивалось значение М, п иN для ВК с тремя и четырьмя лопастями.

3. Для наиболее оптимального значения относительной площади оценивались значения М, п и N для ВК с двумя, тремя лопастями, но с основанием лопасти соответствующего большему основанию трапеции.

4. Для ВК обеспечивающего максимальную эффективность выполнены исследования зависимости М, п иN с использованием механизмов поворота лопастей. Результаты исследований представлены в виде графиков зависимости М, п и N от угла атаки, относительной площади, числа лопастей (рисунки 6-8).

М=^а) С]

М, Н-м 1 '

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Л зэ 0,35

0,29

7° 15° 23°

п, об/мин П=^а) а1,Вт№=Ца)

400

зоо 200 100 о

420

1 1

25 20 15 10

5

О

13,6 14,8 15,3

15° 23°

7° 15° 23°

Рисунок 6 - Зависимость М, п и N от угла атаки для ВК с числом лопастей равным двум с относительной площадью - 0,020

М, Н'м\

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

М=^а) п, об/мин п=^а)

~вт41--ОтН" °'45

II

400 300 200 100 О

,420 415 412

1

15°

23°

15° 23°

18 17,8 19,4

7° 15° 23°

Рисунок 7 - Зависимость М, п и N от угла атаки для ВК с числом лопастей равным двум с относительной площадью - 0,032

М, Н м\

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

15° 23°

п, об/мин

п=ОД

500 400 300 200 100 о

310 306

1 1

7° 15° 23°

N.

25 20 15 10 5 0

Вт N=^<2)

17,3 17

15°

23°

Рисунок 8 - Зависимость М, п и угла атаки для ВК с числом лопастей равным двум с относительной площадью - 0,041

Из приведенных графиков видно, что наиболее оптимальным углом атаки является угол равный 23°. Поэтому все сравнительные оценки по М, п и N выполнялись для этого угла.

С увеличением относительной площади с = 0,02 до = 0,032 (рисунки 6 и 7) для ВК с двумя лопастями момент возрастает на 22 %, частота вращения падает на 1,9 %, мощность растет на 21 %, с Б2 = 0,032 до = 0,041 момент возрастает на 15 %, частота вращения падает на 26 % и мощность также падает на 12 %. Таким образом оптимальным значением относительной площади является значение равное Б2 = 0,032.

Для ВК с этим значением относительной площади выполнено сравнение М, п и N для ВК с тремя и четырьмя лопастями (рисунки 9 и 10). Момент, развиваемый трехлопастным ВК на 41 % больше момента развиваемого двухлопастным ВК, частота вращения трехлопастного ВК на 2 % ниже двухлопастного и мощность на 12 % больше мощности развиваемым трехлопастным ВК.

Четырехлопастное ВК развивает момент на 17 % больше трехлопастного, частота вращения его на 2 % ниже и мощность на 16 % выше. Следовательно, наиболее эффективным является ВК с числом лопастей 1 = 4, относительной площадью Б2 = 0,032, трапецеидальной формы из листовой стали с переменной вогнутостью.

Значения М, п и N оценивались для двух-, трех- и четырехлопастных колес с основанием со стороны большего основания трапеции. Результаты исследований незначительно отличаются от ранее полученных для ВК с основанием меньшего основания трапеции.

Рисунок 9 - Зависимость М, п и N от угла атаки для ВК с числом лопастей равным трем и относительной площадью - 0,032

Рисунок 10 - Зависимость М, п и угла атаки для ВК с числом лопастей равным четырем и относительной площадью - 0,032

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 Шефтер, Я. И. Использование энергии ветра. - М. : «Энергия», 1983. - 201 с.

3 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.

4 Шумейко, И. А., Нуркимбаев, С. М. «Повышение эффективности маломощных ветровых электрических установок». - Praha, Publishing House «Education and Science» s.r.o., 2013. - 7 с.

5 Шумейко, И. А., Нуркимбаев, С. М., Христодоров, А. А. Выбор оптимального варианта формы и относительной площади лопасти ветрового колеса ветроводоподъемной установки на основе моделирования. - «Наука и техника Казахстана». - № 1-2, 2013. - 8 с.

Материал поступил в редакцию 10.06.14.

С. М. Нуркимбаев, И. А. Шумейко

Модельдеу непзшде «АВЭУ6-4М» моделшщ желд1 энергетикальщ желд1к децгелегш курудыц тшмд1 конструктива елшемдерш табу

С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.

Материал 10.06.14 баспаFа тустг

S. M. Nurkimbayev, I. А. Shumeiko

Choice of the optimal structural parameters of the wind wheel of the wind turbine «АВЭУ6-4М» on the basis of design

S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.

Material received on 10.06.14.

Авторлар бул мацалада «АВЭУ6-4М» крндырлыгътъщ жумысынъщ максималды тшмдшгт цамтамассыз ету мацсатында оцтайлы конструктивтж тштдерт аныцтау ушт аудан жагына цатысты жэне де эр тyрлi munmi цалыцтардыц тштт салыстыру арцылы жузеге асырады.

In the article the authors compare the different types of blades in both the due form and on their relative area with an aim of exposure of the optimal structural parameters providing maximal efficiency of work of the wind turbine «АВЭУ6-4М».