Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

к.т.н. Сарбасов Д.Д., к.т.н. Нурпеисова Г.Б., Нурлыбаев К.К., Арихов М.А.

Казахский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, Казахстан

Определение лобового давления на ветровую лопату

При решении проблемы эффективной системы энергоснабжения фермерских хозяйств, удаленных от линий электропередач, на основе малых автономных ветроэнергетических установок особенное внимание должно уделяться системе регулирования ветродвигателя и защите от ураганных ветров. Так как данная система обеспечивает надежность выработки электроэнергии в жестких природно-климатических условиях.

Широкое применение у многолопастных ветродвигателей получила система регулирования вывод ветроколеса из-под ветра. При выводе ветроколеса из-под ветра дополнительный момент создается за счет давления на ветровую лопату. Ветровая лопата представляет собой плоскость, вынесенную с помощью стойки за ометаемую часть ветроколеса. Лобовое давление на плоскую поверхность определяется по формуле:

где F – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению воздушного потока (миделево сечение тела); с_х – коэффициент силы сопротивления. Величина коэффициента с_х зависит от формы, состояния поверхности и положения тела в потоке и числа Рейнолдса и определяется экспериментально.

Для исследования изменения лобового сопротивления ветряных лопат от скорости ветра и параметров ветряной лопаты (линейных размеров и коэффициента заполнения) был изготовлен стенд (рисунок 1) на базе автомобиля УАЗ, на крыше которого на жесткозакрепленных кронштейнах шарнирно закреплена рама, имитирующая ветряную лопату.

Рисунок 1 – Мобильный стенд для исследования

лобового сопротивления ветряной лопаты

Изменение скорости воздушного потока создавалось за счет изменения скорости движения автомобиля в безветренную погоду, при боковом ветре не более 1 м/с. Для контроля изменения лобового давления при изменении скорости воздушного потока натяжение пружины передается на тензометрический узел и регистрируется осциллографом, частота записи данных составляла 0,1 с. Проведены экспериментальные исследования с различными рамами с линейными размерами: 1008х1000 мм; 1200х900 мм; и 900х1200 мм.

Для изменения коэффициента заполнения на раму продольно крепились планки шириной 50 мм и значение коэффициента заполнения определялось по формуле:

,

где S_i – площадь одной планки, м²; S – площадь рамы, м².

Для установления зависимости лобового давления на ветряную лопату проведен многофакторный эксперимент с независимыми переменными Х₁ – скорость ветра, м/с; Х₂ – ширина ветряной лопаты, мм; Х₃ – коэффициент заполнения. Каждая независимая переменная имеет 3 уровня, поэтому были проведены 3 серии опытов. Первая серия опытов проводилась с квадратной рамой шириной 1008 мм, высотой 1000 мм, количество планок – 20 шт., площадь 1 планки S_план = 0,05 м².

Вторая серия опытов – прямоугольная рама шириной 900 и высотой 1200 мм, количество планок – 18 шт., S_план = 0,06 м².

Третья серия опытов – прямоугольная рама шириной 1200 и высотой 900 мм, количество планок – 24 шт., S_план = 0,045 м².

По результатам опытов получена характеристика лобового давления на ветряную лопату в зависимости от скорости ветра v и коэффициента заполнения φ:

.

По полученным экспериментальным данным сформирована матрица данных 200х16, отображающая зависимость лобового давления на ветряную лопату от скорости ветра, линейных размеров и коэффициента заполнения ветряной лопаты. По полученным экспериментальным данным на основе регрессионного анализа получены аппроксимирующие зависимости для лобового давления на ветряную лопату от скорости ветра при принятых линейных размерах и различных коэффициентах заполнения ветряной лопаты. Практически для всех вариантов ветряной лопаты с коэффициентами заполнения 0,5 и 0,75 зависимость лобового давления от скорости ветра имеет линейный характер, для ветряной лопаты с линейными размерами 1200х900 мм при коэффициента заполнения 0,5, а также для всех вариантов ветряной лопаты при коэффициенте заполнения 1 эта зависимость имеет квадратичный характер. Как видно из рисунка 2 наименьшее значение лобового давления наблюдается при экспериментах с квадратной лопатой, у широкой и высокой лопаты значения лобового давления при коэффициента заполнения 1 практически равны, при других коэффициентах заполнения лобовое давление на высокую лопату выше, чем на широкую.

а – при различных соотношениях сторон

б – при различном коэффициенте заполнения

Рисунок 2 – Зависимости лобового давления от скорости ветра