Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

к.т.н. Сарбасов Д.Д.

Казахский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, Казахстан

Исследование распределения скорости ветра

по ометаемой площади ветроколеса

В настоящее время нет общепринятой характеристики по механической структуре ветра, которые можно положить в основу расчетов ветроустановок малой мощности. Турбулентность влияет на характеристику ветрового потока в приземном слое: создается разность скоростей ветра по вертикали, изменчивость коэффициентов порывистости и направления ветра. Исследованием структуры ветрового потока в целях применения в ветроэнергетики занимались Я. И. Шефтер, В. И. Кравченко, Р. С. Абжанов, С. И. Кремчер и др. Весьма важным для проблем ветроэнергетики является вопрос о структуре ветра прежде всего в естественном потоке. Это связано с тем, что структура естественного потока весьма существенно отличается от структуры искусственного потока, создаваемого в аэродинамической трубе. Поэтому от модельного изучения ветровых нагрузок нельзя ожидать исчерпывающего ответа о влиянии структуры ветрового потока на ветроколесо (ВК), основные его узлы и механизмы регулирования.

Из теории ветроэнергетики известно, что вращающееся ВК создает подпор ветровому потоку, вследствие чего скорость потока по мере приближения к ВК падает, а давление воздуха повышается. Зная силы ветрового потока, действующие на ВК в процессе вращения ветродвигателя, можно определить кинематическую связь частей механизма регулирования ВК. Сила воздействия ветра по площади ВК будет различна, так как лопасти расположены на разных высотах. Разница значений лобового давления, действующего на верхнюю и нижнюю часть ВК, может достигать значительных величин т.к. ветровая нагрузка пропорционально квадрату скорости. Следовательно, на ВК воздействует определенный опрокидывающий момент, который можно использовать как дополнительную силу для бурезащитных устройств.

У ветроагрегатов малой мощности ось ВК расположена на низкой высоте над поверхностью земли, где завихрения ветрового потока об земную поверхность существенны. Для выявления зависимости распределение скорости ветра по ометаемой площади ВК в зависимости от частоты вращения ВК проводились экспериментальные исследования изменения скорости ветра в плоскости вращения ВК в натурных условиях (рисунок 1).

Рисунок 1 – Установка для экспериментального исследования изменения

скорости ветра в плоскости вращения ВК

В ходе экспериментальных исследований скорость ветра замерялась в пяти точках: на расстоянии 2,7 м от оси ветроколеса (1) в плоскости ветроколеса наверху, внизу, справа и слева и на линии оси перед ветроколесом на расстоянии 5 м. Измерение скорости ветра в плоскости ВК осуществлялось чашечными анемометрами МС-13 (4), закрепленными на кронштейнах (3) на ступице оси ВК диаметром 5 м, с 12 лопастями, ось ВК на высоте 6 м. Анемометр для измерения скорости ветра перед ВК установлен на отдельной мачте. Диапазон измерения средней скорости воздушного потока чашечным анемометрами 1…20 м/с, чувствительность – 0,8 м/с. Перед измерением скорости ветра в журнале зафиксированы показания по трем шкалам. В измеряемом воздушном потоке анемометр был установлен вертикально и через каждые 10-15 секунд одновременно включались анемометры и секундомер. Экспонирование анемометров в воздушном потоке производился в течение одной минуты.

По полученным экспериментальным данным средствами Microsoft Excel на основе регрессионного анализа получены аппроксимирующие степенные зависимости (рисунок 2) для определения скорости ветра в верхней (V_в) и нижней (V_н) точке ВК от частоты вращения ВК (n_вк):

V_в = 0,141(n_вк)^0,9448, (1)

V_н = 0,0718(n_вк)^1,0607. (2)

Рисунок 2 – Зависимости скорости ветра в верхней и нижней точке

от частоты вращения ВК

Для выявления влияния частоты вращения ВК на коэффициент приведения скорости ветра в верхней точке к нижней точке ВК организован автоматический расчет. В результате полученное расчетное значение изменялось от 0,8 до 2,3; при этом значение коэффициента приведения скорости ветра по высоте с неработающим ВК было – 1,13. В результате обработки данных получена степенная зависимость для коэффициента приведения скорости ветра по вертикали ВК от частоты вращения ВК (рисунок 3):

K_vh(n_вк) = 1,1387(n_вк)^0,0712. (3)

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента приведения по вертикали

от частоты вращения ветроколеса

Значение квадрата смешанной корреляции показывает удовлетворительную сходимость полученной зависимости с экспериментальными данными.

Экспериментальными исследованиями и испытанием опытного образца ВЭ-5Т-2М установлены влияние частоты вращения ВК на характер движения и скорость воздушного потока в плоскости вращения ВК, которая описывается степенной функцией V_в= а(n_вк)^в. При этом в нижней части ВК скорость движения воздушного потока ниже, чем в верхней части. Вместе с тем, с увеличением частоты вращения ВК в обеих частях увеличивается скорость воздушного потока.