Синтез ветроустановки малой мощности с вертикальной осью вращения
На правах рукописи
Морозов Дмитрий Александрович
синтез ветроУстановки
малой мощности с вертикальной осью вращения
05.02.18 – теория механизмов и машин
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический
университет»
Научный руководитель доктор технических наук
Пушкарёв Андрей Эдуардович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Плеханов Федор Иванович
кандидат технических наук,
профессор
Боровиков Юрий Алексеевич
Ведущая организация Институт прикладной механики Уральского
отделения Российской академии наук, г. Ижевск
Защита состоится 11 марта 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»
Автореферат разослан 27 января 2011 г.
Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» 27 января 2011 г.
Режим доступа: http//www. istu.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук,
профессор А. В. Щенятский
Общая характеристика работы
Актуальность. В настоящее время вопрос рационального использования энергетических ресурсов является одним из наиболее важных для экономики Российской Федерации. В конце ноября 2009 года Государственная дума РФ приняла закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышения энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Принятый закон, действующая в стране Государственная программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года направлены на реализацию активно проводимой государством политики сбережения и рационального использования энергетических ресурсов – богатства нашей страны. К возобновляемым источникам энергии, на которые в настоящее время обращается пристальное внимание, относится ветер.
Ветроэнергетические установки, работающие в Европе и США, обладают, как правило, большой мощностью, имеют высокую цену. Серьезным недостатком установок пропеллерного типа является исключение из оборота прилежащей территории вследствие ультразвуковых колебаний. Кроме того, для большинства регионов России характерны среднегодовые скорости ветра до 5 м/с. Существующие установки рассчитаны на значительные ветровые потоки (8–10 м/с) и предназначены для использования, как правило, в приморских районах.
Известные методы проектирования ветроустановок ориентированы, в основном, на установки пропеллерного типа большой мощности. Широко исследована совместная работа ветроустановок и насосов различных типов. Установкам малой мощности с вертикальной осью вращения уделено меньше внимания, исследования посвящены отдельным их образцам. Не освещен вопрос выбора оптимальной структуры ветроустановки, работающей при слабом ветре, связь структуры с назначением ветроустановки и ее основными функциями. Актуальна проблема создания методов синтеза параметров этих ветроустановок при ограничениях на скорость ветра, габариты и массу устройства.
Существующая проблема определила цель исследования.
Цель исследования. Повышение эффективности ветроустановок, работающих при малых скоростях ветра, путем разработки научно обоснованной методики их структурного и параметрического синтеза.
Из цели следуют задачи исследования:
1. Исследование структурных и функциональных связей ветроустановок, создание их функционально-структурной модели.
2. Разработка методики структурного синтеза ветроустановок на основе функционально-структурной модели.
3. Синтез схем ветроустановок, отвечающих основным и дополнительным условиям синтеза.
4. Разработка методики параметрического синтеза ветроустановки малой мощности на основе математического моделирования динамики работы ветроустановки.
5. Проведение экспериментов с целью проверки адекватности разработанной математической модели и уточнения основных параметров ветроустановки.
Объект исследования – ветроустановки малой мощности.
Предмет исследования – методы проектирования ветроустановок малой мощности.
Методы исследования. Использовались методы теории механизмов и машин, функционально-структурного анализа, теоретической механики, прикладной аэродинамики, теории подобия.
Достоверность результатов основывается на применении известных теоретических положений фундаментальных наук, апробированных аналитических методов, подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также сравнением полученных результатов с исследованиями других авторов.
Научная новизна результатов исследования:
1. Разработана функционально-структурная модель ветроустановок, основанная на классификации их по назначению, способу использования ветрового потока, переменности площади ветроприемника.
2. Создана методика структурного синтеза схем ветроустановок малой мощности на основе предложенной оригинальной функционально-структурной модели ветроустановок с учетом дополнительных условий синтеза – ограничений по скорости ветра и габаритам установки.
3. Синтезирован ряд новых структурных схем ветроустановок с вертикальной осью вращения с дополнительными поворотными решетчатыми элементами, имеющих повышенный коэффициент использования энергии ветрового потока при малых скоростях ветра.
4. Разработана методика параметрического синтеза схем ветроустановок малой мощности на основе созданной математической модели динамики движения лопастей ветроустановки, учитывающей раскрытие дополнительных поворотных элементов, переменность угла атаки, параметры решетчатой лопасти, и позволяющие реализовать основное условие синтеза – максимальный цикловой КПД ветроприемного устройства.
5. Получена аналитическая зависимость между массо-габаритными и кинематическими параметрами ветроустановки, которая позволяет рассчитать ее минимальные габариты.
6. Теоретически и экспериментально обосновано применение методики расчета решетчатых крыльев к расчету ветроустановки при динамическом синтезе ветроустановки с решетчатыми лопастями.
Практическая ценность работы:
– разработанные методики расчета использованы при проектировании ветроустановок малой мощности и выборе их параметров;
– предложенные конструкции ветроустановок с дополнительными поворотными элементами отличаются меньшей массой и габаритами и лучшими энергетическими характеристиками, чем существующие;
– экспериментальный стенд, защищенный патентом РФ, позволил выбрать параметры ветроустановки и служит прототипом для серийного изготовления установки;
– результаты исследования использованы в практике научно-производственных предприятий Удмуртской республики: ООО «УралТрейд», ООО «Редуктор».
На защиту выносится:
1. Функционально-структурная модель ветроустановок, позволяющая вести синтез наиболее рациональных схем ветроустановок.
2. Методика синтеза схем ветроустановок на основе функционально-структурной модели.
3. Ряд структурных схем ветроустановок с вертикальной осью вращения с дополнительными поворотными решетчатыми элементами.
4. Методика параметрического синтеза схем ветроустановок малой мощности на основе математической модели динамики движения лопастей ветроустановки.
5. Методика расчета минимальных габаритов ветроустановки с дополнительными поворотными элементами с использованием аналитической зависимости.
6. Методика расчета схемы ветроустановки с решетчатыми лопастями.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на конференциях: «Исследование путей повышения долговечности и надежности деталей машин» (Владимир, 2005 г.), ХI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (Саранск, 2006 г.); выставке-сессии инновационных проектов (Ижевск, 2007 г.); Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экология, экономика, практика применения» (Улан-Удэ, 2008 г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2008 г.); научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений» (Екатеринбург, 2009 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Научный потенциал – современному АПК» (Ижевск, 2009, 2010 гг.).
Результаты исследования использованы на ООО «УралТрейд» при разработке перспективных планов мелкосерийного производства, в том числе ветроэнергетической установки малой мощности для потенциальных потребителей Удмуртской Республики.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 1 патенте на полезную модель и в 15 статьях, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, содержит список литературы из 134 наименований, из них 13 на иностранных языках, изложена на 140 страницах, содержит 47 рисунков, 13 таблиц.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность исследования, приведена научная новизна работы, сформулированы цель и задачи исследования.
В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы повышения эффективности ветроустановок, а также методов синтеза этих устройств.
Проектирование ветроустановок основывается на методах синтеза теории механизмов и машин, основа которых заложена в трудах П. Л. Чебышева. Методы синтеза развивались Н. И. Левитским, Ю. Л. Саркисяном, С. А. Черкудиновым. Структурный синтез механизмов начат Л. В. Ассуром, продолжается в трудах А. П. Малышева, И. И. Артоболевского, В. В. Добровольского, Л. Т. Дворникова, Э. Е. Пейсаха. Методы динамического синтеза механизмов развивались в трудах Я. Л. Геронимуса, Л. Эйлера, Н. И. Колчина, Г. А. Смирнова, И. И. Вульфсона и др. Синтез самоустанавливающихся механизмов представлен в работах Л. Н. Решетова. Динамический синтез механизмов в настоящее время является одним из наиболее актуальных разделов теории механизмов и машин. Выбор структуры целесообразно вести с применением методов функционально-стоимостного анализа, в приложении к задачам машиностроения рассматривавшемся в трудах Н. К. Моисеевой, М. Г. Карпунина, А. И. Половинкина, В. Н. Гринберга.
Н. Е. Жуковский, внесший большой вклад в развитие динамики машин, создал теоретические основы расчета ветродвигателей. Его последователями были Г. Х. Сабинин, Н. В. Красовский, Е. М. Фатеев, В. Н. Андрианов. Ими, в частности, широко исследована совместная работа ветроустановок, сельхозмашин, насосов различных типов.
На сегодняшний день вопросами разработки, применения и агрегатирования ветроустановок с другими источниками энергии, а также созданием методов и систем управления ветроустановками занимаются В. Н. Кутепов, В. В. Вессарт, А. В. Иванов, Д. В. Зубарев. Разработке перспективных схем ветроустановок посвящены работы А. Н. Борового, Б. П. Хозяинова, А. И. Кузнецова, А. М. Кулакова, В. П. Овечкина, А. С. Артамонова, Ю. М. Антонова, Г. П. Герасимова, А. С. Алиева, Г. В. Викторова, В. Н. Толмачева, T. Ackermann, E. Hau, R. Gasch, R. L. Hills, P, Rosas, O. Martin, J. N. Sorensen, R.M. Mayer и др.
На рис. 1 представлена структурная классификация применяемых в настоящее время ветроустановок.
Многочисленные ветроустановки анализируются в литературе, прежде всего, по основному качественному показателю – коэффициенту использования энергии ветра СN, который определяется отношением мощности ветроустановки N к мощности ветрового потока N0: СN =N / N0. Максимальное теоретическое его значение СNmax = 0,593, так как воздух должен покинуть пределы ветроустановки с ненулевой скоростью. Современные ветроустановки пропеллерного типа имеют коэффициент использования энергии ветра 0,41 – 0,47.
Второй показатель – номинальная скорость ветра, при которой работает ветроустановка.
Рис. 1. Структурная классификация ветроустановок
Ветроустановки пропеллерного типа начинают работать со скоростей ветра, превышающих 6 м/с. На большей части континентальной территории России средняя скорость ветра в течение года равна 4–5 м/с. Ветроустановки с вертикальной осью вращения (на основе роторов Дарье, Савониуса, Масгрува, Эванса и их модификаций) работают на меньших скоростях ветра. Основная проблема этих установок – малая и неравномерная скорость вращения ротора, которая решается применением мультипликаторов, многополюсных генераторов и аккумуляторов энергии.
В последнее время работы многих исследователей, как отечественных, так и зарубежных, посвящены ветроустановкам, использующим эффект Магнуса. Проекты ветроустановок с эффектом Магнуса разрабатываются с 1924 г. (А. Флеттнер, Б. Б. Кажинский). С 2002 г. в КБ «Полет» (Омск) проектируется опытный образец ветроустановки мощностью до 50 кВт при диаметре колеса 15 м. Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (в рамках федеральной программы) исследовал ветроустановки с эффектом Магнуса и предлагает свои разработки (официальный сайт ИТПМ СО РАН). В большинстве ветроустановок, использующих эффект Магнуса, предлагается принудительно раскручивать цилиндры либо с помощью дополнительных двигателей с подводом энергии извне, либо путем отбора части энергии потока на их раскручивание и поддержание вращения. С учетом КПД всех трансмиссий максимальное значение СN таких установок не может превысить СN установок пропеллерного типа.
Известные методы проектирования ветроустановок ориентированы, в основном, на установки пропеллерного типа большой мощности. Установкам малой мощности с вертикальной осью вращения уделено меньше внимания, исследования посвящены отдельным образцам ветроустановок. Не освещен вопрос выбора оптимальной структуры ветроустановки, работающей при слабом ветре, связь структуры с назначением ветроустановки и ее основными функциями. Для выбора наиболее рациональной схемы ветроустановки необходим подробный анализ ее структуры и функций, выполняемых структурными элементами, формулирование основных и дополнительных условий синтеза.
Во второй главе приводятся результаты функционально-структурного анализа и синтеза ветроустановок. Функционально-структурная модель представлена на рис. 2, состав функций приведен в табл. 1. Выбор структурной схемы ветроустановки ведется, в первую очередь, в соответствии с главными, или назначенческими функциями, при этом необходимо учитывать функции второго уровня, связанные с преобразованием и передачей энергии, а в некоторых случаях функции третьего и следующего уровней.
Методика структурного синтеза ветроустановки заключается в следующем. Каждому материальному элементу и выполняемой им функции соответствует свой вклад. Так, вклад всей ветроустановки в выполнение функций ГФ1 и ГФ2 определяется электрическим и механическим КПД; вклад ветроприемного устройства в выполнение функции ОФ21 определяется произведением критерия Бетца на механический КПД; вклад механизма регулирования (функция Ф221) – передаточной функцией и т.д. По заданной главной функции определяется структурная схема, имеющая лучшие коэффициенты. В структурной схеме ветромашины предполагается наличие мультипликатора, генератора тока, устройство аккумулирования энергии (рис. 3). Основное внимание при структурном синтезе уделено структурной схеме ветроприемника, выполняющего основную функцию ОФ21 и функции Ф211 и Ф212. В результате функционально-структурного анализа выявлено, что для скоростей ветра, не превышающих 6 м/с, наиболее перспективными структурными схемами являются схемы типа ротора Савониуса с вертикальной осью вращения. В этих схемах предлагается применить лопасть переменной площади, принимающей более обтекаемую форму на участке движения против ветра. Результаты синтеза представлены в табл. 2. Преимущество схем №№ 5, 6, 8 заключается в том, что наряду с силой сопротивления используется подъемная сила – подобная лопасть взаимодействует с набегающим потоком аналогично решетчатому крылу: в результате взаимного действия планов лопасти резко увеличивается критический угол атаки (до 40–50°) в сравнении с монопланной лопастью, увеличивая таким образом диапазон влияния подъемной силы.
Рис. 2. Функционально-структурная модель ветроустановки
Таблица 1
Состав функций ветроустановки
| Уровень модели | Индекс функции | Наименование функции |
| 1 | ГФ1 ГФ2 ДФ3 | Получение электрической энергии Совершение механической работы Рекламная |
| 2 | ОФ11 ОФ21 ОФ22 ОФ23 | Преобразование механической энергии в электрическую энергию Прием энергии воздушного потока Преобразование энергии ветра в механическую энергию Передача энергии рабочим механизмам |
| 3 | Ф211 Ф212 Ф213 Ф214 Ф221 Ф231 | Создание необходимого момента трогания Обеспечение необходимой быстроходности Ориентация ветроприемного устройства по направлению ветра Увеличение кинетической энергии воздушного потока Регулирование частоты вращения вала ветроколеса Обеспечение расчетной частоты вращения вала генератора |
| 4 | ВФ2111 ВФ2112 ВФ2131 ВФ2132 ВФ2133 ВФ2134 ВФ232 ВФ233 ВФ234 ВФ235 | Снижение зоны турбулентности Подъем ветроколеса на высоту прямолинейного течения воздушных потоков Создание крутящего момента для ориентации ветроустановки по направлению ветра Крепление аэродинамических поверхностей Передача вращения для механизмов ориентации Обеспечение поворота корпуса ветроустановки Размещение вала ветроколеса Размещение подшипниковых узлов Размещение верхнего передаточного механизма Размещение генератора |
Рис. 3. Схема ветроустановки:
1 – ветроприемное устройство, 2 – механизм ориентации, 3 – регулятор частоты вращения, 4 – трансмиссия, 5 – муфта, 6 – мультипликатор, 7 – генератор, 8 – инвентор, 9 – аккумуляторные батареи, 10 – датчик угла поворота, 11 – тахометр, 12 – амперметр, 13 – вольтметр
Таблица 2
Синтезированный ряд структурных схем ветроустановок с лопастями переменной площади
Методика синтеза структурных схем ветроустановок с помощью функционально-структурной модели состоит из следующих этапов. На первом этапе задается главная функция ветроустановки, определяются ограничения по скорости ветра, мощности и габаритам ветроустановки. На втором этапе из ряда структурных схем отбираются те, которые соответствуют скоростному диапазону. Из ряда альтернатив, с помощью полной функционально-структурной модели, по коэффициентам вклада структур в выполнение функций определяется ряд конкурирующих структурных схем. Окончательное решение о выборе той или иной структурной схемы принимается после параметрического синтеза.
Третья глава посвящена разработке методики параметрического синтеза ветроустановок. На этом этапе синтеза определяются постоянные параметры выбранной схемы ветроустановки по заданным динамическим свойствам.
Выходными параметрами синтеза ветроустановки являются: радиус ротора R, высота ротора H, количество створок n выбранной схемы с дополнительными поворотными элементами, их длина l, положение центров масс створок xцм, масса m и моменты инерции I створок.
В качестве целевой функции выбран цикловой КПД ветроприемного устройства установки, содержащий интеграл от работы аэродинамических сил за один поворот ротора при установившемся режиме работы ветромашины:
. (1)
Здесь – плотность воздуха, Ма – момент аэродинамических сил, действующих на лопасти ветроустановки; S0 – условная площадь, ометаемая ветроколесом; t – время одного оборота ротора. Момент Ма зависит от коэффициентов аэродинамических сил, скорости ветра и угла атаки лопасти. В принятом диапазоне скоростей аэродинамические коэффициенты могут быть приняты постоянными и взятыми из широко известных руководств по прикладной аэродинамике. В большей степени момент Ма зависит от угла атаки лопасти и ее отдельных поворотных элементов.
Найти максимальное значение функционала (1) можно, проведя динамический анализ ветроустановки. Математическая модель составлялась с помощью принципа Даламбера. Приняты следующие допущения: положение центра давления поворотного элемента остается неизменным, трение в кинематических парах отсутствует, плотность и скорость набегающего потока, а также угловая скорость вращения ротора постоянны. Расчетная схема приведена на рис. 4.
а б
Рис. 4. Расчетная схема открытия (а) и закрытия (б) дополнительного поворотного элемента
Уравнение кинетостатики при открывании поворотного элемента (рис. 4, а):
, (2)
где 
– момент сил инерции поворотного элемента (створки) относительно его центра масс; 
и 
– относительная тангенциальная и переносная силы инерции; 
– нормальная аэродинамическая сила; 
, 
, 
– масса, момент инерции и площадь створки; 
– расстояние от оси вращения створки до ее центра масс; 
– плечо переносной силы инерции; 
– производная от коэффициента нормальной аэродинамической силы 
по углу атаки 
; 
.
Угол атаки 
зависит от конструктивного угла 
, угла поворота ротора и угла поворота створки. Исходя из уравнения (1) и схемы рис. 4, определены критические углы положения ротора, при которых происходит открытие и закрытие створок:
, 
. (3)
Здесь 
– быстроходность. Угол 
является критическим на участке, когда аэродинамическая сила преодолевает силу инерции и закрывает створку. Тогда 
. В этом выражении величинами 
, 
, 
, 
, 
можно варьировать, а остальные принять постоянными.
Отношение 
выразим через 
и 
– плотность материала и толщину створки:
. (4)
Таким образом, в ходе динамического анализа ветроустановки получена аналитическая зависимость (4) между массо-габаритными и кинематическими параметрами ветроустановки, которая позволяет разработать методику расчета ее минимальных габаритов.
Методика расчета минимальных габаритов ветроустановки с дополнительными поворотными элементами заключается в следующем. Учитывая плотность и прочностные свойства различных конструкционных материалов, произведение 
будет меняться в пределах от 2 до 8 кг/м2; 
= 1,2 кг/м3. Задаемся быстроходностью Z; пусть например, 
; принимаем также 
. В этом случае выражение (4) принимает вид 
. Величиной 
варьировать трудно, и, таким образом, уменьшить размеры установки можно только путем уменьшения расстояния от оси вращения створки до ее центра масс 
. При равенстве 
и 
расстояние 
. Точное значение R можно найти, определив движение дополнительного поворотного элемента.
Математическая модель движения поворотных элементов позволяет разработать методику параметрического синтеза ветроустановок с вертикальной осью вращения, имеющей дополнительные поворотные элементы. Из уравнения (1) получаем для процессов открытия и закрытия поворотных элементов:
(5)
Из уравнений (5), в общем случае решаемых численными методами, учитывая отсчет углов от 1 и 2, на участке открытия 
, на участке закрытия 
. При этом величины 
и 
принимаем постоянными. Момент инерции створки относительно оси вращения 
представим как 
, где 
– коэффициент, зависящий от распределения массы створки относительно оси вращения; для плоской пластины 
. Тогда
. (6)
Используя приведенные выше значения, получаем 
. Отметим также, что отношение 
не зависит от угловой скорости ротора.
Дальнейшее решение зависит от величин 
, 
, 
, являющихся основными параметрами данной установки. Пусть, например, 
; 
; 
. Используя зависимости (3), определим начало открытия и закрытия створки: 
, 
. Расчет структурной схемы (табл. 3, № 1) по разработанной методике представлен на рис. 5, а, б.
Добиться уменьшения времени закрытия t2 можно, увеличив частоту 
. Из формулы (6) следует, что реально это можно сделать, уменьшив расстояние b. Приближенно, при,. Точный расчет показан на рис. 6.
Таким образом, методика параметрического синтеза, основанная на математической модели движения поворотных элементов ветроустановки, позволяет проанализировать влияние массо-габаритных параметров установки на процесс открытия и закрытия поворотных элементов и оценить эффективность функционирования всей установки.
а б
Рис. 5. Изменение угла поворота створки, угла атаки створки и угла поворота ротора во время открытия (а) и закрытия (б) створки
Имея дифференциальные уравнения движения поворотного элемента (5), можно вычислить момент Ма в формуле (1). Для расчета решетчатой лопасти ветроустановки (синтезированные схемы №№ 5, 6, 8 в табл. 3) была адаптирована методика расчета решетчатых крыльев С. М. Белоцерковского. Особенностью методики расчета ветроустановки является разбиение полукруглой лопасти на ряд прямоугольных участков и нахождение Ма как суммы моментов на участках.
Расчетная схема представлена на рис. 7, 8. Суммарный момент от аэродинамических сил определится как 
, где 
– момент силы сопротивления, 
– момент подъемной силы, 
, 
– плечи подъемной силы и силы сопротивления соответственно. Коэффициенты 
и 
определяются из зависимостей:
,
где 
– коэффициент сопротивления при расположении плана вдоль потока, 
– коэффициент, учитывающий затенение планов, величина 
выбирается в зависимости от угла атаки согласно методике С. М. Белоцерковского.
Рис. 6. Влияние положения центра масс створки на время закрытия створки
Рис. 7. Расчетная схема решетчатой лопасти
а б в г
Рис. 8. Схема ветроустановки с решетчатой лопастью:
а – решетчатая лопасть, б – начало работы первого участка,
в – начало работы второго участка, г – начало работы третьего участка
Проведенные расчеты позволяют сделать вывод, что замена полукруглой лопасти тремя прямолинейными участками при расчетах суммарной работы аэродинамических моментов не отличается от ее замены четырьмя прямолинейными участкам, что позволяет рекомендовать схему с тремя участками для дальнейших расчетов. Кроме того, на третьем участке подъемная сила и сила сопротивления компенсируют друг друга, что позволяет исключить его из расчета.
Выявлено, что при площади лопасти ветроколеса 0,625 м2 наилучшее соотношение высоты лопасти к ее ширине равняется 0,2 при количестве планов лопасти n = 4.
На рис. 9 представлена расчетная мощность ветроустановки с решетчатыми лопастями с учетом перекрытия рабочих областей каждой лопасти.
Рис. 9. Зависимость мощности от угла поворота ротора
Разработанная ветроустановка сравнивалась с ротором Савониуса и ветроустановкой пропеллерного типа «Форвард-0,5», имеющих одинаковые площади ветроприемного устройства (рис. 10, 11). Из расчетов следует, что предлагаемая установка обладает лучшими энергетическими характеристиками в области малых скоростей ветра. Учитывая функционал (1), цикловой КПД ветроприемного устройства разработанной установки в диапазоне скоростей от 2 до 6 м/с составляет 0,34, что на 16% выше, чем у ветроустановок-прототипов.
Рис. 10. Сравнение ротора Савониуса (1) Рис. 11. Сравнение установки пропеллерного
и предлагаемой установки (2) типа «Форвард-0,5» (1) и предлагаемой (2)
В четвертой главе приведены результаты экспериментальной работы. Целью создания экспериментального стенда была проверка функционирования синтезированной структурной схемы ветроустановки и обоснование методики расчета решетчатых лопастей. Экспериментальный стенд защищен патентом РФ.
Определены критерия подобия, соблюдение которых необходимо для проектирования экспериментальной установки и проведения экспериментов: критерии Рейнольдса и Струхаля. Рассчитаны размеры модели, удовлетворяющие критериям подобия. Общий вид экспериментального стенда представлен на рис. 12, фотографии стенда – на рис. 13, 14, результаты экспериментов – на рис. 15.
а б
Рис. 12. Испытательный стенд ветроустановки:
а – главный вид; б – вид сверху;
1 – каркас; 2 – верхний подшипниковый узел; 3 – вал ветродвигателя; 4 – лопасть; 5 – фланец; 6 – подшипниковый узел лопасти; 7 – нижний подшипниковый узел; 8 – рама; 9 – муфта фланцевая; 10 – мультипликатор; 11 – генератор; 12 – амперметр; 13 – вольтметр; 14 – стробоскопический тахометр; 15 – упор; 16 – перекладина; 17 – ось; 18 – крышка; 19 – крышка
Стенд состоит из ветроприемного устройства, каркаса, передаточного механизма (мультипликатора), рамы, генератора, измерительных приборов. Частота вращения вала ветроколеса замеряется стробоскопическим тахометром 14. Вращение передается на вал генератора постоянного тока 11, на клеммах которого амперметром 12 и вольтметром 13 измеряется сила тока и напряжение (при подключенной нагрузке), вследствие чего может быть определена мощность ветроустановки. Первый вариант установки был испытан в потоке воды с целью визуализации характера обтекания элементов решетчатой лопасти. Угол атаки изменялся путем поворота фронтальной плоскости модели относительно набегающего потока. Второй вариант стенда позволил провести динамические испытания. Эксперименты фиксировались на видеокамеру, обработка данных проводилась на компьютере.
а б
Рис. 13. Первый (а) и второй (б) варианты экспериментального стенда
Рис. 14. Испытания в потоке Рис. 15. Раскрытие створок
В результате экспериментов подтверждено функционирование конструкции и выявлено, что открытие и закрытие дополнительных поворотных элементов происходит в требуемый момент времени. Замеры угловой скорости вращения ротора показали хорошую сходимость эксперимента и расчета: расхождение не превышает 8 %.
Таким образом, экспериментально подтверждены: функционирование ветроустановки и методика расчета решетчатых лопастей ветроустановки при ее динамическом синтезе.
В заключении подводятся итоги диссертации, приводятся основные результаты и формулируются следующие выводы.
1. Разработанная функционально-структурная модель ветроустановок, основанная на классификации их по назначению, способу использования воздушного потока, переменности площади ветроприемника, позволила определить качество исполнения функций структурными элементами ветроустановки и выявить оптимальную для малых скоростей ветра структурную схему ветроустановки с вертикальной осью вращения с дополнительными поворотными элементами.
2. На основе функционально-структурной модели с учетом условий синтеза, включающих ограничения по скорости ветра и габаритам установки, синтезирован ряд новых структурных схем ветроустановок дополнительными поворотными решетчатыми элементами, обладающих повышенным коэффициентом использования энергии воздушного потока на малых скоростях ветра (на 15–20 % большим, чем у аналогов).
3. На основе математической модели динамики движения лопастей ветроустановки, учитывающей раскрытие дополнительных поворотных элементов, переменность угла атаки, параметры решетчатой лопасти, разработана методика параметрического синтеза, которая позволила выбрать параметры ветроустановки, имеющей минимальные габариты при максимальном использовании энергии ветрового потока: радиус ротора равен 1 м, высота ротора 1,2 м.
4. Обоснована возможность применения при синтезе схем ветроустановок аналитической зависимости между массо-габаритными и кинематическими параметрами. Выявлено, что решающее влияние на функционирование ветроустановки и ее габариты оказывает расстояние от оси вращения поворотного элемента до его центра масс. Определены минимальные габариты ветроустановки малой мощности с вертикальной осью вращения: при радиусе ветроустановки 1 м оптимальное расстояние до центра масс равно 0,04 м.
5. Применение методики расчета решетчатых крыльев к расчету ветроустановки с решетчатыми лопастями позволило определить оптимальные параметры решетчатой лопасти: при площади лопасти ветроколеса 0,625 м2 соотношение высоты лопасти к ее ширине равняется 0,2 при количестве планов лопасти n = 4. При расчете аэродинамических сил решетчатой лопасти доказана возможность замены полукруглой лопасти тремя прямолинейными участками, причем на третьем участке подъемная сила и сила сопротивления компенсируют друг друга, что позволяет исключить его из расчета.
6. Синтезированная схема ветроустановки с решетчатыми лопастями более эффективно использует энергию воздушного потока в диапазоне скоростей от 2 до 6 м/с, чем установки пропеллерного типа, и имеет цикловой КПД ветроприемного устройства, равный 0,34, что на 16% больше, чем у аналогичных ветроустановок с вертикальной осью вращения, использующих силу аэродинамического сопротивления.
7. Результаты экспериментов показывают совпадение расчетных и экспериментальных данных с точностью до 8%, что позволяет рекомендовать выбранный и обоснованный вариант ветроустановки с вертикальной осью вращения с дополнительными поворотными элементами для изготовления опытного образца.
Таким образом, на основе рассмотрения функциональных и динамических связей в ветроустановке разработана и обоснована методика структурно-параметрического синтеза ветроустановок малой мощности, работающих при слабом ветре и обладающих улучшенными массовыми, габаритными и энергетическими характеристиками.
Результаты исследования отражены в следующих публикациях.
Патент
- Пат. на полезную модель 90850 РФ, МПК F03D 7/06. Ротор ветродвигателя / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев. – № 2009128668/22 ; Заявлено 24.07.2009. – Опубл. 20.01.2010. – Бюл. № 2. – 2 с.
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК
- Морозов, Д. А. Функционально-структурная модель ветроэнергетических установок / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев // Вестник Ижевского государственного технического университета, 2008. – № 1. – С. 34 – 38.
- Морозов, Д. А. Динамика ветроэнергетической установки с решетчатыми лопастями // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск «Актуальные проблемы машиностроения», 2009. – С. 102–104.
- Морозов, Д. А. Динамика малогабаритной ветроэнергетической установки с дополнительным поворотным элементом / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев // Вестник Ижевского государственного технического университета, 2009. – № 2. – С. 17 – 20.
- Морозов, Д. А. Ветроэнергетическая установка малой мощности // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2010. – № 6. – С. 20–21.
- Морозов, Д. А. Синтез структурной схемы и параметров ветроустановки малой мощности / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев // Вестник Ижевского государственного технического университета, 2010. – № 4. – С. 25 – 29.
Статьи в сборниках материалов конференций
- Морозов, Д. А. Увеличение долговечности механизмов свободного хода / А. И. Леонов, Р. В. Тесаков, Д. А. Морозов // Исследование путей повышения долговечности и надежности деталей машин : матер. науч.-технич. конф. (февраль 2005 г., Владимир) – Владимир : Изд-во ВГПУ, 2005. – С.37–43.
- Морозов, Д. А. Метод преобразования координат в задаче синтеза механизмов / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев // Материалы ХI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (17–21 апреля 2006 г., Саранск). В 3 ч. Ч. 3: Технические науки. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2006. – С. 127–130.
- Морозов, Д. А. Малогабаритные ветроэнергетические установки // Сборник докладов выставки-сессии инновационных проектов, заявленных в программу «УМНИК» (18–20 апреля 2007г., Ижевск). – Ижевск : Изд-во «Ассоциация «Научная книга», 2007. – С. 123–125.
- Морозов, Д. А. Функциональный анализ ветроэнергетических установок // Энергообеспечение, электромеханика и электропривод: матер. докладов III молод. Междунар. научн. конф. «Тинчуринские чтения» (24–25 апреля 2008 г., Казань). – Казань : Изд-во КГЭУ, 2008. – С. 91–92.
- Морозов, Д. А. Параметрический анализ ветроэнергетической установки с дополнительным поворотным элементом / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования : матер. Всерос. науч.-технич. конф. (12–14 мая 2008 г., Томск). – Томск : Изд-во Томского политехнич. ун-та, 2008. – С. 144–146.
- Морозов, Д. А. Выбор конструктивно-компоновочной схемы малогабаритной ветроэнергетической установки // Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экология, экономика, практика применения : матер. Междунар. науч.-практич. конф. (27 июля – 1 августа 2008 г., Улан-Удэ). – Чита : Изд-во Читинского гос. ун-та, 2008. – С. 121–125.
- Морозов, Д. А. Выбор и определение критериев подобия при проектировании экспериментальных ветроэнергетических установок малой мощности // Новые материалы и технологии : матер. Всерос. науч.-технич. конф. (11–12 ноября 2008 г., Москва). – М. : Изд-во МАТИ, 2008. – С. 57.
- Морозов, Д. А. Проектирование экспериментальной ветроэнергетической установки на основе математического моделирования // Наука. Технологии. Инновации : матер. Всерос. науч. конф. молодых ученых (6–9 декабря 2007 г., Новосибирск). В 7 ч. Ч. 3. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. – С. 176–178.
- Морозов, Д. А. Расчет мощности малогабаритной ветроэнергетической установки // Научный потенциал – современному АПК : матер. Всерос. науч.-практич. конф. (17–20 февраля 2009 г., Ижевск). Т. III. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009. – С. 82–86.
- Морозов, Д. А. Мощностные характеристики ветроэнергетической установки с решетчатыми лопастями // Математическое моделирование механических явлений : матер. науч.-технич. конф. (25–26 апреля 2009 г., Екатеринбург). – Екатеринбург : Изд-во УрГГУ, 2009. – С. 28–32.
Подписано в печать 26.01.2011. Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 4.
Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.
