Обоснование оптимальных параметров ветрового колеса ветроэнергетической установки"АВЭУ6-4М"

УДК 621.311.24.

С. М. Нуркимбаев1, И. А. Шумейко2

'магистрант; 2профессор, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОВОГО КОЛЕСА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ«АВЭУ6-4М»

В данной статье авторы исследуют конструкцию ветрового колеса, обеспечивающую максимальную эффективность модернизированной установки модели АВЭУ6—4М на основе экспериментальных исследований.

Ключевые слова: ветроэнергетика, энергия, установка, лопасть, момент, мощность.

Целью настоящей статьи определение конструкцию ветрового колеса (ВК), обеспечивающую максимальную эффективность ветровой установки АВЭУ6-4М на основе экспериментальных исследований модели электрической станции

Так как исследуемая электрическая станция имеет двухлопастное ветровое колесо экспериментальные исследования выполнялись начиная с двухлопастного ВК и далее исследовались четырехлопастное, восьмилопастное ВК. Основной испытуемой формой лопасти явилась аэродинамическая форма лопасти реальной ВЭУ АВЭУ6-4М. Обозначим ее буквенным символом F0 (рисунок 1).

За основу предлагаемой формы лопасти принята традиционная трапецеидальная форма из листовой стали. Ранее проведенные исследования зависимости выходных параметров (момента, частоты вращения и мощности) от входных конструктивных параметров ВК [1] показали, что лопасти из листовой стали трапецеидальной формы с переменной уменьшающейся к периферии вогнутостью обеспечивают наименьшие потери по выходным параметрам. Поэтому в качестве исходной была принята упомянутая конструкция лопастей. Обозначаем ее буквенным символом F1. Угол установки а лопастей принят равным 23°, который был ранее выявлен как угол, при котором имели место наименьшие потери по моменту, частоте вращения и мощности. Следующая форма лопасти F2 отличается от формы F1 только тем, что по всей длине лопасти при угле а=23° не должен иметь место отрицательный угол а, т.е. вогнутость лопасти приобретает ассиметричный вид (рисунок 1, 2).

Р Р Р Р Р г Р

Рисунок1 - Принятые для исследования варианты лопастей

Рисунок 2 - Ассиметричная форма лопасти

Экспериментальные исследования проводились для трех значений относительной площади лопасти из листовой стали: S1=0,04, S2=0,053 и S3=0,07. Относительная площадь реальной лопасти ВЭУ АВЭУ6-4М равна S0=0,023. Исследования выполнялись с помощью аэродинамической трубы конической формы, в конце которой выполнена цилиндрическая часть, обеспечивающая перпендикулярность потока воздуха, направляемого на ВК.

Несмотря на разность скорости воздушного потока в различных точках сечения трубы в плоскости ее торца для всех испытуемых случаев условия проведения эксперимента оставались неизменными, в том числе и диаметр ветрового колеса, принятый равным D=1480 мм (рисунок 3).

а - у меньшего основания трапеции; б - у большего основания трапеции Рисунок 3 - Варианты закрепления лопастей

Измерения момента, частоты вращения и расчет мощности выполнялись по методике, изложенной [2].

Ранее [1] было показано, что обтекатель, установленный в центре ВК, включает в работу воздушный поток, ранее (без обтекателя) проходивший ветровое колесо не выполняя полезную работу.

С целью возможности сравнения результатов исследования проводились без обтекателя и с обтекателем. Результаты исследований представлены в матричной форме в таблицах 1, 2.

Таблица 1 - Двухлопастное ВК без обтекателя: D=1480 мм, d=370 мм, а=23°, длина лопасти 1„=555 мм

-Л-

--£—^Д

V,

II. и

имь

О.^ч

О 1 (5

Й,17

0.+Т

М1

4,51

и_

.111 и II

57

¡.17

: л.

№

I»

3>]

о:

¿л

Ьс

.Л.

! Т I

ч.л

т

ль

рз

4л*

4,11

[Ги1Ч.|^П П ИГ.Ч  чЗЕТМЛП-СЛИйН

П 4,111 I Ч

Ж!

11Я

№

I -.(

7.4

4,1

>1.1

и

я-1

К.]

и I

4 >.4

{1.4

ы

ЛГЧ «.I IJ.II

Л.Т

-+.и

ял С,0 1 1Г] Ni.ll

№ 11.1Г

III «.0

С.Ф

1£ .1

1Н.1

ил

1: 1 в.о

_-ii.ii

4 11 I 1111

Ш 9.-Ч !-D.il

и 1 ИН Л ' п II

О,С

И.н и,и

Л Р-.-П II 1 12,11

' ь-ч ll.lt 1Х|<

ки

ьи.:

1М

.17,5

•НО

1*. 2

Ю

эл

Таблица 2 - Восьмилопастное ВК с обтекателем: D=1480 мм, d=370 мм, а=23°, длина лопасти 1„=555 мм

Аналогичные таблицы выполнены для двухлопастного ВК с обтекателем, четырехлопастного ВК с обтекателем и без обтекателя, восьмилопастного без обтекателя Анализ выходных параметров двухлопастного ветрового колеса Анализ выходных параметров ветрового колеса без обтекателя Результаты экспериментальных исследований зависимости момента, частоты вращения и мощности от входных конструктивных параметров для

двухлопастного ветрового колеса без обтекателя представлены в таблице 5.1 и графически на рисунке 5.7.

Ветровое колесо с лопастями-аналогами ВЭУ АВЭУ6-4М имеет самые низкие значения момента и мощности (соответственно 0,291 Н-м и 1,77 Вт), частота вращения (п=58 об/мин) близка к самому минимальному значению. Потери же по этим параметрам практически максимальны.

Лучшим вариантом ВК с относительной площадью лопасти S1=0,04 является ВК с извернутой формой лопасти и с закреплением на оси со стороны большего основания трапеции (N=4,01 Вт).

Лучшим вариантом ВК с относительной площадью лопасти S2=0,053 является ВК с извернутой формой лопасти и с закреплением на оси со стороны меньшего основания трапеции (N=4,72 Вт). Однако, в итоге предпочтение следует отдать ветровому колесу с относительной площадью S3=0,07 с извернутой формой лопасти и с закреплением на оси со стороны большего основания трапеции, т.к. это значительно повышает жесткость лопасти и ее устойчивость к ураганным порывам ветра. Потери же по мощности по сравнению с ВК с относительной площадью S2=0,053 составляют всего 4%, а по моменту ВК с относительной площадью S3=0,07 обеспечивает повышение эффективности на 9%.

Анализ выходных параметров ветрового колеса с обтекателем

Результаты экспериментальных исследований зависимости момента, частоты вращения и мощности от входных конструктивных параметров для двухлопастного ветрового колеса с обтекателем представлены в таблице 5.2 и графически на рисунке 5.8.

Применение обтекателя в ВК с лопастями-аналогами обеспечило повышение эффективности по мощности на 1,6%, т.е. вариант двухлопастного ВК с лопастями-аналогами ^0) может быть исключен из возможных вариантов конструкций ВК.

Наилучшие показатели обеспечивает ВК с относительной площадью лопасти S3=0,07 с извернутой формой лопасти и с закреплением на оси со стороны меньшего основания трапеции. Однако, учитывая незначительные потери по мощности (6,5 %) по сравнению с ВК с этой же относительной площадью, но с закреплением оси со стороны большего основания трапеции предпочтение следует отдать последнему варианту как обеспечивающему значительное повышение жесткости ВК.

Ни одна из вышеперечисленных конструкций ВК как без обтекателя, так и с обтекателем не может быть использована в ВЭУ для подъема воды вследствие низких значений развиваемых момента и мощности. Из-за больших потерь по моменту, частоте вращения и мощности среди других конструкций внутри двухлопастного ВК даже наилучший вариант ВК с относительной площадью S3=0,07 и с закреплением на оси лопасти со стороны большего основания трапеции с обтекателем может быть рекомендован только для маломощной ВЭУ для освещения помещения или, в лучшем случае, для освещения помещения с подзарядкой аккумуляторной батареи.

Выполнен также анализы выходных параметров четырехлопастногоВК и восьмилопастногоВК.

Итоговая характеристика результатов экспериментальных исследований

Как показали экспериментальные исследования традиционная конструкция ВК с закреплением лопастей со стороны меньшего основания трапеции дает худшие результаты по моменту и мощности для всего диапазона относительных площадей (от минимального Sm.n=0,04 до максимального Smax=0,07). По частоте вращения только для средних значений относительной площади она может оказаться выше. Так для восьмилопастного ВК с относительной площадью S2=0,053 и с закреплением у меньшего основания трапеции частота вращения составила п=90 об/мин, а для ВК с закреплением у большего основания трапеции п=82 об/мин, т.е. потери по частоте вращения составили 9 %.

Следует также отметить, что по всем параметрам ВК с обтекателем всегда дает лучшие результаты. Так восьмилопастное ВК с извернутой формой лопастей с закреплением лопастей со стороны большего основания с обтекателем обеспечивает значения момента М=2,013 Н-м, частоты вращения п=71 об/мин и мощности N=14,96 Вт, а без обтекателя значения момента М=1,983 Н-м, частоты вращения п=68 об/мин и мощности N=14,11 Вт, т.е. первое из них обеспечивает повышение эффективности по моменту на 1,5 %, по частоте вращения на 4 % и по мощности на 7 %.

Приведем еще пример. Восьмилопастное ВК с относительной площадью лопастей S2=0,053 и извернутой формой ^3) с закреплением у меньшего основания трапеции с обтекателем обеспечило значения выходных параметров момента М=1,58 Н-м, частоты вращения п=90 об/мин и мощности N=14,8 Вт, а без обтекателя то же колесо обеспечило значения выходных параметров М=1,54 Н-м, частоты вращения п=84 об/мин и мощности N=13,54 Вт, т.е. ВК с обтекателем эффективнее ВК без обтекателя соответственно по моменту на 2,5 %, по частоте вращения на 7 % и по мощности на 9 %. Примерно такое же повышение эффективности обеспечивают четырехлопастные и двухлопастные ветровые колеса с обтекателем по сравнению с ветровыми колесами без обтекателя.

Таким образом, наиболее эффективным ветровым колесом, которое может быть использовано в ветроэнергетических установках любого назначения, является ветровое колесо со следующими параметрами: восьмилопастное с относительной площадью лопастей S=0,07 трапецеидальной формы, извернутые в переделах от 23° до 8-10°, с закреплением оси лопасти со стороны большего основания, с переменной уменьшающейся к периферии и ассиметричной вогнутостью с обтекателем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Шумейко, И. А., Нуркимбаев, С. М. «Выявление оптимальных конструктивных параметров ветрового колеса ветроэнергетической установки модели АВЭУ - 6 на основе моделирования». - Павлодар, 2014. - С. 6.

2 Шумейко, И. А., Нуркимбаев, С. М., Христодоров, А. А. «Choosing of optimal constructive parameters the windwheel on the basic of modeling» - Усть-Каменогорск, 2014. - С. 12.

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

Материал поступил в редакцию 01.06.15.

С. М. Нуркимбаев, И. А. Шумейко

АВЭУ6-4М желэнергетикалык кондырыгысынын желдецгел1г1шц оптималдык параметерлерш дэлелдеу

С. Торайгыров атындаFы Павлодар мемелекетлк университет^ Павлодар к.

Материал 01.06.15 баспаFа тYстi

S. M. Nurkimbayev, I. A. Shumeiko

Substantiation of the optimal parameters of the wind wheel in the «AVEU6-4M» wind energy plant

S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.

Material received on 01.06.15.

Бул мацалада автор тэжiрибелiк зертханалар негiзiнде модернизациялау АВЭУ6-4М крндыргысыныц максималды тшмдшгт цамтамасыз ететт жел двцгелшц конструкциясын зерттейди

In this article the authors examine the design of the wind wheel for maximum efficiency of the modernized installation AVEU6-4M model's based on experimental studies.