Статья:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТЕРИАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛООТДАЧИ РАБОЧИХ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ ДАРЬЕ

Конференция: VI Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: 19. Энергетика

Выходные данные
Ескермес Г.Е., Узакова Ж.И., Шаймардан Р. [и др.] ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТЕРИАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛООТДАЧИ РАБОЧИХ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ ДАРЬЕ // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. VI междунар. студ. науч.-практ. конф. № 6(6). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/6(6).pdf (дата обращения: 18.10.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 84 голоса
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТЕРИАЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛООТДАЧИ РАБОЧИХ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ ДАРЬЕ

Ескермес Гулдана Есенбайқызы
магистрант Казахского Национального университета им. аль-Фараби, Республика Казахстан, г. Алматы
Узакова Жанар Изтелеуовна
магистрант Казахского Национального университета им. аль-Фараби, Республика Казахстан, г. Алматы
Шаймардан Риза
магистрант Казахского Национального университета им. аль-Фараби, Республика Казахстан, г. Алматы
Жайлаухан Ардақ
магистрант Казахского Национального университета им. аль-Фараби, Республика Казахстан, г. Алматы
Манатбаев Рустем Кусаингазыевич
научный руководитель, научный руководитель, доцент Казахского Национального университета им. аль-Фараби, Республика Казахстан, г. Алматы

 

 

 

Ветроэнергетические установки относятся к наиболее перспективным системам, так называемой альтернативной энергетики. Скажем, офшорные ветропарки уже сегодня являются важным источником возобновляемой энергии во многих странах, имеющих выход к Балтийскому или Северному морям.

 

Рисунок 1. Состояние ветроустановки после снежной бури

 

Однако в некоторых регионах, особенно тех, где климат характеризуется суровыми зимами, эксплуатационники сталкиваются с весьма серьезной проблемой — образованием льда на лопастях ветроколеса (см. рис. 1), пишет Deutsche Welle. «В какой-то момент этот лед срывается с лопасти и улетает на расстояние в сто-двести-триста метров, причем нередко речь идет о здоровенных ледышках массой в килограмм, а то и два. Конечно, такой снаряд может и убить». И этим проблемы не ограничиваются. Зимой на протяжении 5-ти месяцев сотрудники шведской фирмы вели круглосуточный мониторинг одной из шведских ветроустановок близ города Хернѐсанд, измеряя скорость ветра, толщину льда на лопастях и производительность ветрогенератора. Оказалось, что уже незначительная корка льда существенно снижает КПД установки, поскольку резко ухудшает аэродинамические характеристики лопастей. Как только толщина льда превышает один миллиметр, начинаются потери. В результате эта ветроустановка выработала на 15 процентов меньше электроэнергии. Даже если эти потери «раскидать» на весь год, все равно получается более 5 процентов — весьма существенная цифра».

Проблема обледенения актуальна практически для всех ветроустановок: их производительность зимой заметно падает. Мало того, что из-за замерзания переохлажденного дождя или мокрого снега ухудшается аэродинамика лопасти, так ветрогенераторы то и дело приходится и вовсе отключать, если толщина слоя льда превышает критическое значение. Такая же ситуация наблюдается и в Финляндии, и на севере Германии, и в Швейцарии и в России.

В последнее время большинство зарубежных фирм стало отдавать предпочтение новому типу ветротурбин с вертикальной осью вращения системы Дарье. Работает турбина за счет возникновения подъемной силы на рабочих лопастях, равноудаленных от общей оси вращения. Лопасти располагаются равномерно по кругу радиуса r0 относительно центрального вертикального вала вращения и соединены с ним одним из двух способов: с помощью махов или «тропоскино» [1; 2].

В отличие от пропеллерной ветротурбины технология изготовления симметричных крыловых профилей много проще. Их изготовление освоено, например, в АО НИИ «Гидроприбор», ЗАО «Азияэнергопроектмонтаж» и др. Поэтому в Казахстане наибольший интерес проявляется, именно, к разработке ветротурбин Дарье и усовершенствованию его конструкций с целью повышения коэффициента использования энергий ветра.

Одна из таких установок называется Бидарье, и показана на рис. 2 (г. Уральск), и имеет коэффициент использования энергии ветра на 60—70 % больше, чем любая существующая ветроустановка.

 

Рисунок 2. Ветротурбина Бидарье

 

Ниже приводятся результаты экспериментального исследования теплообмена рабочих лопастей работающего ветроэнергетического аппарата Дарье с окружающей средой. Теплоотдача каналов в окружающую среду определяется как внутренней гидродинамикой каналов различной формы, так и внешними условиями теплообмена. С этой целью проведены исследования гидравлики каналов, имеющих форму симметричного крылового профиля NASA-0021, используемого в реальном аппарате. В результате установлена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления такого канала от числа Рейнольдса

l=4,62Re-0.49.

Одновременно были проведены исследования теплоотдачи элемента крылового профиля NASA-0021 в зависимости от скорости и угла атаки воздушной среды на рабочую лопасть при вращающейся турбине Дарье. Схема установки показана на рис 3.

Эксперимент по теплообмену состоял из двух больших серий исследования закономерностей теплообмена с окружающей средой элемента крылового профиля NASA — 0021, подогреваемого изнутри проточным теплым воздухом при указанных выше четырех его расходах. Всего было проведено более 600 опытов, из которых 400 включены в обработку при 10 значениях угла атаки (φ=00, ±40, ±80, ±120, ±160), где знаком «+» отмечен поворот крыла по отношению к потоку из аэродинамической трубы в одну сторону, а знаком «-» в другую). При номинальном вращении турбины Дарье (3,5≤ χ ≤5,5) угол атаки ни при каких положениях рабочей лопасти не может превышать φ=120. При постоянном значении каждого из указанных углов атаки, измерения проводились при 10 значениях скорости атаки (V=4 м/с, 8 м/с, 12 м/с, 16 м/с, 20 м/с, 24 м/с, 28 м/с, 32 м/с, 36 м/с, 38 м/с) при этом, при постоянстве φ и V, четырежды изменялся расход теплого воздуха Q. В каждом из 400 опытов измерялись: расход теплого воздуха через исследуемый канал, его температура входа Т0 и выхода Т1, температура потока, выходящего из аэродинамической трубы  и барометрическое давление Ратм. В обеих сериях экспериментов, как при +φ, так и –φ, в обработку включались их среднеарифметические значения.

Вся эта масса экспериментальных данных было проанализирована и систематизирована, подготовлена к обобщению с целью количественного выяснения закономерностей теплоотдачи специфического канала в специфических условиях взаимодействия с окружающей средой. Эти законы в учении о тепломассообмене основываются на теории размерностей и подобия теплообменных процессов, что позволяет переходить от модели к реальному объекту.

На основании обобщения и обработки опытных данных получена для средней теплоотдачи элемента крылового профиля критериальная зависимость

              (1)

Полученная критериальная зависимость справедлива для всех случаев теплоотдачи крылового профиля NASA — 0021 в набегающий поток, если ее внутренняя полость, по который течет теплый воздух, также имеет форму NASA — 0021. При этом крыловой профиль может быть выполнен из любого материала и иметь некоторую толщину стенки, которую следует рассматривать как плоскую плиту, толщиной Δ.

 

Рисунок 3. Схема экспериментальной установки

1 — элемент лопасти NASA 0021; 2 — муфельная печь; 3 — лабораторная аэродинамическая труба; 4 — ротаметр РМ; 5 — медь константановые термопары; 6 — лед; 7 — гальванометр; 8 — пылесос; 9 — трансформатор

 

Список литературы:

1.     Ветроэнергетика под. ред. Д. де. Рензо. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 272 с.

2.     Ершина А.К., Ершин Ш.А., Жапбасбаев У.К. Основы теории ветротурбины Дарье. — Алматы. 2001. — 104 с.

3.     Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи — М.: Энергия. — 1973. — 320 с.