Рожкова Людмила Георгіївна. Нові форми профілів лопатей вертикально-осьових вітроустановок середньої швидкохідності

Краткое описание

Рожкова Людмила Георгіївна. Нові форми профілів лопатей вертикально-осьових вітроустановок середньої швидкохідності: дис... канд. техн. наук: 05.05.17 / Сумський держ. ун-т. - Суми, 2004

Рожкова Л. Г. Нові форми профілів лопатей вертикально-осьових вітроустановок середньої швидкохідності. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 гідравлічні машини та гідропневмоагрегати, Сумський державний університет, Суми, 2003 р.
У дисертації на основі аналізу літературних даних доведені можливість та доцільність створення нового класу вертикально-осьових вітроустановок - середньої швидкохідності, котрі працюють в зоні значень коефіцієнта швидкохідності 1 < q < 3. До цього часу цей діапазон q практично не використовувався через відсутність відповідних ВУ.
Розглянуто нестаціонарний характер обтікання лопатей у роторі вертикально-осьових ВУ і показано, що традиційні крилові лопаті не можуть бути ефективними в ВУ середньої швидкохідності з огляду на особливості аеродинаміки вітроколеса. Прийнята концепція розробки форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності, згідно з якою одною із основних якостей лопаті повинна бути адаптивність до умов обтікання. Запропоновані нові форми профілів лопатей, що відповідають даній потребі та виконано великий обсяг експериментальних досліджень як одиночних лопатей, так і роторів ВУ.
У результаті експериментів, проведених в аеродинамічній трубі ХАІ, дослідному гідробасейні та гідролотку Інституту гідромеханіки НАН України, на аеродинамічному стенді СумДУ, а також на натурних зразках вітроустановок потужністю 1 кВт і 2 кВт, одержані коефіцієнти Суі Схдля лопатей КН (з криловим незамкнутим профілем) при круговому обтіканні, картини їх обтікання при різних кутах атаки , характеристики потужності роторів з лопатями КН і двохелементними лопатями та відібрані найбільш ефективні лопаті для ВУ середньої швидкохідності: модифікація КН.-6 і двохелементні біпрофільні; дані лопаті забезпечують самозапуск ротору та досягнення високих значень коефіцієнта використання енергії вітру як при малих, так і при великих його швидкостях. Для двохелементних лопатей знайдено найбільш сприятливі варіанти геометрії профілів та їх відносного розташування. Запропонована методика розрахунку геометричних параметрів вітроколеса, експлуатаційних характеристик на базі одержаних модельних характеристик потужності ВУ з розробленими лопатями. Визначені критерії вибору кріплення лопатей і рекомендовані найбільш вдалі варіанти з використанням літературних даних та результатів досліджень, виконаних в лабораторії вітроенергетики СумДУ.
Виконана робота містить практично значущі результати для подальшого розвитку вітроенергетики.

1. Докладний аналіз механізму передачі енергії вітру на лопать, а також зміни аеродинамічних і характеристик потужності лопатевої системи і окремої лопаті в залежності від різних кінематичних і динамічних параметрів потоку і геометрії лопатевої системи привів до висновку про можливість, а з урахуванням потреб практики, і необхідність створення нового класу вертикально-осьових ВУ, названого вітроустановками середньої швидкохідності (1.0 < q < 3.0).
2. Експериментами, виконаними в аеродинамічній трубі Т-5 ХАІ, в дослідному гідробасейні Інституту гідромеханіки НАН України, на аеродинамічному стенді СумДУ, а також на натурних зразках вітроустановок потужністю 1 кВт і 2 кВт доведено, що для ВУ середньої швидкохідності в широкому діапазоні швидкостей вітру найбільш ефективними є лопаті типу КН, зокрема лопаті КН-6 і двохелементні. Лопатева система з даними лопатями забезпечує самозапуск ротора і досягнення високих значень коефіцієнта використання енергії вітру, порядку Ср0.35.
3. Досліджено вплив геометрії двохелементного профілю на його аеродинамічні характеристики; визначені оптимальні розміри щілини між елементами профілю, довжина хорди переднього елемента, співвідношення хорд обох елементів, відносна товщина повного профілю, коефіцієнт заповнення ротора. Таким чином, визначена найбільш сприятлива геометрія всього профілю.
4. Експериментальним шляхом отримані коефіцієнти опору Схі коефіцієнти піднімальної сили Суодиночної лопаті з профілем типу КН-4 при круговому обтіканні (0 a 3600). За запропонованою автором методикою з використанням цих коефіцієнтів виконані розрахунки тягнучої Fті радіальної Frсил для дискретних значень коефіцієнта швидкохідності і проведена оцінка величини коефіцієнта використання енергії вітру Ср.
5. Розглянуто нестаціонарний характер обтікання роторів вертикально-осьових ВУ і установлено визначальне значення характеристик нестаціонарності для вибору форми профілю лопаті. За результатами аналізу прийнята концепція розробки форм профілів лопатей вертикально-осьових ВУ середньої швидкохідності, відповідно до якої однією з основних якостей лопаті повинна бути адаптивність до умов обтікання, що і забезпечується за рахунок оригінальних форм запропонованих нових профілів. ВУ з такими лопатевими системами повинні мало впливати на навколишнє середовище внаслідок малої колової швидкості лопатей.
6. На підставі експериментальних даних автора, а також з використанням літературних джерел рекомендовані найбільш вдалі варіанти кріплення лопатей до вала. Розглянуто питання впливу шорсткості обтічної поверхні лопаті на її аеродинамічні характеристики, а також дана оцінка величини припустимої шорсткості. Запропоновано методику розрахунку геометричних параметрів вітроколеса, експлуатаційних характеристик ВУ і рекомендовані можливі матеріали для обшивання лопатей. Ці результати можуть знайти застосування при розробці конструкції конкретної вітроустановки.
7. В Україні в даний час найбільш необхідними є вітроустановки малої потужності які водопідйомні, теплогенеруючі, борошномельні і інші агрегати. Тому необхідно розробляти і виробляти багатоцільові вертикально-осьові вітроустановки середньої швидкохідності з малою потужністю. Строк окупності вітроустановки, що залежить від багатьох факторів, доцільно визначати за кількостю енергії, що виробляється нею протягом року.