Исследование и разработка метода расчета аэродинамических характеристик ветряных двигателей с вертикальной осью вращения
Диссертация
Автор: Неграш, Александр Сергеевич
Название: Исследование и разработка метода расчета аэродинамических характеристик ветряных двигателей с вертикальной осью вращения
Справка: Неграш, Александр Сергеевич. Исследование и разработка метода расчета аэродинамических характеристик ветряных двигателей с вертикальной осью вращения : диссертация кандидата технических наук : 05.07.01 Москва, 1987 246 c. :
Объем: 246 стр.
Информация: Москва, 1987
Содержание:
Введение
1 Методика расчёта аэродинамических характеристик ветродвигателя с прямыми лопастями, параллельными оси вращения, с учётом нестационарности обтекания
11 Постановка задачи
12 Аналитические выражения коэффициентов аэродинамических характеристик ветродвигателя
13 Анализ точности расчётов по предложенной методике
14 Выводы
2 Методика расчёта аэродинамических характеристик разновидностей ветродвигателя Дарье
21 Аэродинамические характеристики ветродвигателя с прямыми лопастями, отклонёнными от вертикали в плоскости, перпендикулярной радиусу-вектору лопасти
22 Аэродинамические характеристики ветродвигателя типа " giro mi it "
221 Зависимости аэродинамических характеристик ветродвигателя типа " giromitt " от конструктивных параметров
222 Оптимизация параметров ветродвигателя "giromi а "
223 Режим движителя ветродвигателя " giro mi LI "
224 Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными
23 Аэродинамические характеристики ветродвигателя с лопастями, изогнутыми по окружности
24 Выводы
3 Результаты систематических расчетов аэродинамических характеристик ветродвигателя с прямыми лопастями, параллельными оси вращения
31 Основные точки характеристики ветродвигателя
32 Зависимости аэродинамических характеристик ветродвигателя от его конструктивных параметров
33 Пример расчета характеристики ветродвигателя по основным точкам
34 Выводы
4 Экспериментальное исследование в аэродинамической трубе влияния относительного удлинения лопасти на энергетическую характеристику ветродвигателя с прямыми лопастями, параллельными оси вращения
41 Описание модели ветродвигателя и методики ее испытаний
42 Анализ результатов испытаний модели ветродвигателя
43 Выводы
Основные результаты работы
Введение:
При современном бурном развитии энергетики использование традиционных видов топлива может привести в обозримом будущем к исчерпанию их ресурсов. При их использовании возникают острые экологические проблемы. В связи с этим проблема использования энергии ветра вновь стала весьма актуальной.
Интенсивные исследования по проблеме использования энергии ветра ведутся в нашей стране и за рубежом / США., Канада, Великобритания, Франция, ФРГ, Швеция и др. /. Эти исследования направлены на создание ветряных двигателей / ветродвигателей / большой мощности /2-5 МВт и более /, а так&е на совершенствование ветродвигателей малой / до 100 кВт / и средней / до I МВт / мощности.
Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является разработка ветродвигателей с вертикальной осью вращения / ветродвигателей Дарье /, которые обладают рядом достоинств по сравнению с крыльчатыми ветродвигателями с горизонтальной осью вращения. К этим достоинствам относятся следующие: отсутствие сложных систем "установа на ветер" ротора ветродвигателя, отсутствие гироскопических нагрузок и возможность расположения электрогенератора на земле.
Разработка ветродвигателей с вертикальной осью вращения / ветродвигателей Дарье /, которые считаются основными конкурентами ветродвигателей с горизонтальной осью вращения, началась сравнительно недавно / с 1970 года /. К настоящему времени инженерная разработка ветродвигателей этого типа находится на начальной стадии по сравнению с обычными ветродвигателями с горизонтальной осью вращения. За рубежом для исследования ветродвигателей с вертикальной осью вращения применяют преимущественно численные методы расчёта аэродинамических характеристик с использованием ЭШ, проводят испытания моделей этих ветродвигателей в аэродинамических трубах и натурных условиях, а также осуществляют обширные опытно-конструкторские работы. Необходимо отметить, что несмотря на значительный прогресс в этих исследованиях, вет родвигатели с вертикальной осью вращения продолжают оставаться перспективным оъектом изучения.
В дальнейшем под термином "ветродвигатель" подразумевается ветродвигатель с вертикальной осью вращения, если нет уточнения типа ветродвигателя.
Исследования ведутся в нескольких направлениях. Экспериментальные исследования ветродвигателей представлены в работах / 44, 46, 55, 90 - 94, 89 /. Методы расчёта аэродинамических характеристик ветродвигателя рассматриваются в работах / 22, 31, 45, 48 - 55, 57, 58, 62, 63, 68, 71, 73, 75, 78, 83, 85 /. Анализ теоретических работ позволяет разделить их в зависимости от используемой в них математической модели на следующие четыре основные группы:
I/ работы, использующие модель единичной трубки тока / 54, 55 , 63, 73, 78, 85 /;
2/ работы, использующие модель множественных трубок тока / 49, 53, 57, 62, 68, 71 /;
3/ работы, использующие модель двух активных дисков / 31, 51, 58 /;
4/ работы, использующие вихревую модель / 22, 45, 48, 52, 75, 83 /.
Охарактеризуем кратко сущность каждой из этих моделей, поскольку терминология в перечисленных выше работах не является общепринятой.
В модели единичной трубки тока / 54, 55, 63, 73, 78, 85 / рассматривается взаимодействие ветродвигателя с потоком, проходящим через ометаемое сечение ветродвигателя. Этот поток называется трубкой тока. Используя теоремы об изменении количества движения и энергии, определяют средние аэродинамические характеристики ветродвигателя. При этом используют допущение о постоянстве скорости воздуха в поперечных сечениях трубки тока и применяют аэродинамические характеристики лопасти, полученные в стационарном потоке.
Модель множественных трубок тока / 49, 53, 57, 62, 68, 71 / отличается от модели единичной трубки тока тем, что допущение о постоянстве скорости в поперечных сечениях трубки тока не используется и трубка тока заменяется множеством независимых трубок тока, каждая из которых в данном поперечном сечении имеет своё значение скорости. Упомянутые теоремы применяются к каждой трубке тока, полученные элементарные значения силы / или мощности / суммируются. Использование этой модели позволяет вычислить аэродинамические характеристики ветродвигателя в ветровом потоке, неравномерном по высоте ротора ветродвигателя.
В модели двух активных дисков /31, 51, 58 / ветродвигатель заменяется двумя дисками, последовательно расположенными друг за другом перпендикулярно набегающему потоку.
При рассмотрении взаимодействия этих двух дисков с потоком предполагается, что параметры трубок тока в поперечных сечениях, находящихся за первым диском, служат параметрами набегающего потока для второго диска,
В вихревой модели взаимодействия ветродвигателя с потоком / 22, 45, 48, 52, 75, 83 / поле скоростей этого потока определяется наложением друг на друга следующих трёх потоков: набегающего, индуцированного присоединёнными вихрями и индуцированного вихрями следа. При этом принимаются те или иные допущения о движении вихрей следа. По найденному поэта скоростей вычисляются аэродинамические характеристики ве тродвигателя.
В работах / 31, 45, 48, 51, 52, 57, 58, 63, 68, 71, 73, 75, 78, 85 / используются численные методы решения полученных уравнений или вычисления интегралов.
В связи с интенсивным развитием ЭШ значение численных методов возрастает. Однако эти методы не позволяют сформулировать безразмерные параметры и критерии подобия, характеризующие исследуемое явление. Кроме того при наличии множества варьируемых параметров требуются значительные затраты машинного времени и возникает проблема представления полученной информации в компактной форме. В отличие от численных методов аналитические методы исследования позволяют сформулировать безразмерные параметры и критерии подобия, определяющие исследуемое явление, и представить результаты исследований в компактной критериальной форме.
Аналитические выражения коэффициентов средних аэродинамических характеристик ветродвигателя получены в работах
Сивади и Сильде / 22 /, Уилсона / 83 /, Лиссэмэна / 53 /, Хунджи / 49 /, Масгрова / 54 /, Масгрова и Мэйса / 55 /, Рида и Шаапа / 62 /, на которых мы остановимся подробнее ниже.
V-oo на коэффициент покрытия ометаемого сечения <э0 ьЬ
Здесь Ь и Г0 - длина хорды профиля лопасти и радиус ветродвигателя, L - число лопастей, V^oo модуль скорости ветрового потока. Однако поскольку в работе / 22 / рассматривается двумерная задача обтекания ветродвигателя идеальной жидкостью, то это существенно ограничивает возможность практического применения этой работы.
Все перечисленные вопросы имеют важное прикладное значение. Именно поэтому диссертационная работа посвящена решению этих вопросов. С этой целью в диссертации развивается единый подход к расчёту аэродинамических характеристик перечисленных вше разновидностей ветродвигателя Дарье и ветродвигателя "glromiLL " > выявляются наиболее общие безразмерные параметры и критерии подобия, определяющие взаимодействие с ветровым потоком каждого из перечисленных ветродвигателей к представляющие собой функции конструктивных параметров ветродвигателей. Это позволяет дать ответы на поставленные выше нерешённые вопросы аэродинамики этих ветродвигателей.
Среди экспериментальных работ, содержащих экспериментальные данные ветродвигателей с прямыми лопастями, параллельными оси вращения, / 44 , 46, 89, 90 - 93 / отсутствуют такие работы, в которых рассматривался бы вопрос о влиянии относительного удлинения лопастей на аэродинамические харак теристики ветродвигателя, несмотря на то, что существует широкая область применения этих ветродвигателей / 15 /. Поэтому в диссертации исследуется это влияние экспериментальным путём.
Таким образом, целью диссертации является исследование и разработка метода расчёта аэродинамических характеристик ветродвигателей с вертикальной осью вращения, позволяющего анализировать эти характеристики при изменении конструктивных параметров, и удобного для практического использования при проектировании ветродвигателей.
В диссертации автор защищает следующее:
I/ методику расчёта аэродинамических характеристик вет родвигателя, имеющего прямые лопасти, параллельные оси вращения, с учётом нестационарности обтекания;
2/ методику расчёта аэродинамических характеристик раз новидностей ветродвигателя Дарье: ветродвигателя с прямыми лопастями, отклонёнными от вертикали в плоскости, перпендикулярной радиусу - вектору лопасти, ветродвигателя с лопас тями, изогнутыми по окружности, а также ветродвигателя типа " giro mi it ";
3/ аналитические выражения коэффициентов аэродинамичес ких характеристик перечисленных ветродвигателей;
4/ наиболее общие безразмерные параметры и критерии подобия, определяющие взаимодействие с потоком этих ветродвигателей;
5/ результаты систематических экспериментальных исследований влияния относительного удлинения лопасти на энергетическую характеристику ветродвигателя с прямыми лопастями, параллельными оси вращения.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов работы, списка литературы и приложения. Она содержит 98 листов текста без учёта списка литературы и приложения. Список литературы содержит 94 наименования. Диссертация включает в себя 200 рисунков, II таблиц. Обозначения, рисунки и таблицы помещены в приложении. Общий объём диссертации составляет 246 листов.
|