Проектировочный и поверочный аэродинамические расчеты ветрогенератора

VG100_6.dwg

ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ.doc

Расчет аэродинамических характеристик лопасти ветрогенератора и определение ее геометрических параметров.
c - хорда сечения лопасти
Cp - коэффициент мощности (КИЭВ) ветряка
D - диаметр ветроколеса
n - частота вращения ротора об.сек.
P - мощность ветроколеса Вт
R - радиус ветроколеса до законцовки лопасти м
r - радиусы расчетных сечений м
V - скорость ветра мс
r - относительная скорость по расчетным сечениям
- угол установки сечения лопасти рад
- относительная скорость
Rn - радиус ступицы м
- плотность среды кгм3
В отчете приведены результаты расчетов аэродинамических характеристик лопасти ветроколеса и ветряка в целом. Представлены геометрические характеристики лопасти.
Методика расчета характеристик ветроколеса с горизонтальной осью вращения основывается на теории разработанной Н.Е. Жуковским А. Бетцем Г. Глауэртом и В.П. Ветчинкиным. Приведена в [12].
Выполнены проектировочный и поверочный расчеты.
В проектировочном расчете задаваясь статистическими начальными параметрами определяется предварительный диаметр ветроколеса геометрические параметры лопасти и числа Рейнольдса для расчетных сечений лопасти. По полученным числам Рейнольдса и относительным толщинам производится выбор профиля и определяются аэродинамические характеристики профилей в расчетных сечениях лопасти. Определение характеристик производилось в программе XFOIL 6.94 Mark Drela MIT Aero & Astro Harold Youngren Aerocraft Inc.
Уточнения вносятся в проектировочный расчет и выполняется следующая итерация проектировочного расчета.
Для определения характеристик ветряка на различных режимах влиянии изменения геометрии лопасти (с точки зрения прочности и технологии) выполняется поверочный расчет. Данные из поверочного расчета также используются для проектировочного расчета следующего приближения.
Расчеты выполнены согласно предоставленным исходным данным.
Исходные данные для расчета.
Температура воздуха t=150C.
Плотность воздуха =1226 кгм3.
Атмосферное давление 10131 гПа.
Расчетная скорость ветра V=12 мс.
Потребная мощность развиваемая ветроколесом Pр=125000 Вт.
Количество лопастей B=3.
Радиус нерабочей части ротора Rn=02*R ротора.
Диаметр ступицы лопасти 067м.
Условия работы - осадки налипание насекомых.
Дополнительные данные.
Из опыта создания ветрогенераторов подобного класса значение относительной скорости находится в пределах 6 8. Коэффициент использования энергии ветра (или коэффициент мощности Ср) у существующих ветрогенераторов находится в пределах 043 047. Скорость конца лопасти находится в пределах до 80 100 мс. Это ограничение связано с аэродинамическим шумом и эрозионным износом лопасти. В качестве аэродинамического профиля сечений лопасти ветрогенератора применим профиль серии NACA 44100 который в настоящее время широко используется. Применение ламинарных профилей позволяет получить более высокие характеристики но при условии высокой точности изготовления отсутствие загрязнений поверхности лопасти отсутствие вибраций конструкции и турбулентности потока ветра. Не соблюдение выше перечисленных условий снижает характеристики ветрогенераторов с ламинарными профилями лопастей на 25 30%.
Распределение относительных толщин профилей по длине лопасти связан как с аэродинамикой так и с необходимой прочностью и жесткостью. Обычно уточняется в процессе расчета лопасти на прочность и жесткость. Для аэродинамического расчета принимаем статистическое распределение относительных толщин по длине лопасти (Рис.1).
Рекомендуемое количество расчетных сечений по радиусу лопасти 10 20.
Относительная скорость =7.
Для проектировочного расчета Ср=044.
Аэродинамический профиль лопасти – серия NACA 44100.
Количество расчетных сечений 20.
Координаты профиля NACA 44100 представлены в Таблице 1.
Пересчет координат сечения под другую относительную толщину профиля выполняется по формулам:
Таблица 1. Координаты профиля NACA 44100.
Где: - новая относительная толщина профиля.
- новая координата верхней дужки профиля.
- новая координата нижней дужки профиля.
Рисунок 1. Зависимость относительных толщин профиля от rR лопасти.
Относительная скорость (быстроходность) =7.
Диаметр ротора ветряка D=18.172 м.
Обороты ротора ветряка n= 1.47 1с (883 обмин).
Мощность на валу ветряка P=125290 Ватт.
Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) Ср= 0.456.
Скорость конца лопасти 81 мс.
Зависимость мощности ветроколеса и оборотов от скорости ветра при =7 показана на Рисунке 2.
Рисунок 2. Мощность ветроколеса и обороты от скорости ветра (=7).
Как видно из результатов расчетов спроектированное ветроколесо удовлетворяет требования исходных данных и практике создания ветряков данного класса.
1. Геометрия лопасти.
Построение геометрии лопасти выполнено следующим образом. Направление вращения ротора – против часовой стрелки если смотреть по направлению ветра. Углы установки сечений указаны от плоскости вращения. Положительное значение – против направления ветра (Рисунок 3).
Сечения профиля лопасти координируются по линии хорды и Х координаты центров тяжести сечений. Для профиля NACA 44100 она равна 0.42018294*с.
Эти точки располагаются в плоскости вращения на линии проходящей через ось вращения ротора.
Рисунок 3. Определение углов.
Результирующие геометрические данные лопасти представлены в Таблице 2
Таблица 2. Геометрические данные лопасти.
В электронном виде данные для построения геометрии лопасти представлены в файлах:
VG100.txt – текстовый файл данные в котором представляют собой
“облако” точек с координатами сечений.
VG100.scr – скрипт-файл (или файл сценария) для программы
AutoCAD при запуске которого строится
“проволочная” модель лопасти.
VG100.CATPart – построенная в CATIA модель лопасти (Рисунок 5)
Рисунок 4. Каркасная модель лопасти.
Рисунок 5. Оболочечная модель лопасти.
Список использованной литературы.
Patrick J. Moriarty AeroDyn Theory Manual National Renewable Energy Laboratory December 2005 NRELEL-500-36881.
John Wiley & Sons Wind Energy Explained - Theory Design And Application [2002 Isbn0471499722]
Е. М. Фатеев Ветродвигатели и ветроустановки ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ М. 1948 г.
Х. Пигот Расчет лопастей ветряков 2000 г.
Г. Глауэрт Основы теории крыльев и винта ГНТИ 1931 г.
Е. Макаров Инженерные расчеты в Mathcad 14 ПИТЕР 2007 г.