Технические
науки/3.Отраслевое
машиностроение
к.т.н. Абдикаиров А., к.т.н. Нурпеисова Г.Б., Сарбасов Д.Д., Нурлыбаев К.К.
Казахский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, Казахстан
Экспериментальные исследования для
обоснования параметров буревой защиты ветроустановки
По
данным Госагропрома Казахской ССР на 1 ноября 1990 г в республику было
поставлено 2225 ед. ветровых установок, выпускаемых НПО «Ветроэн». Из них было
смонтировано 1778, а передано на баланс хозяйств – 1460 установок. Проведенная
в 1989 году НПО «Казсельхозмеханизация» проверка установила, что большинство ветровых установок находится в нерабочем состоянии. Основными причинами этого являются: несоответствие ветровым условиям местности, ненадежность работы буревой
защиты, низкая эксплуатационная надежность, конструктивные недоработки,
некачественное изготовление узлов и деталей, некомплектность поставки, отсутствие в хозяйствах
работоспособной службы технической эксплуатации, отсутствие запасных частей и
ремонтной базы.
Несмотря на такой негативный опыт использование
малых ВЭУ остается актуальной задачей, отвечающей и требованиям энергосбережения
и запросам улучшения инфраструктуры сельхозпроизводителя.
Следовательно, необходимо среди прочего
предусмотреть в новых ВЭУ как простоту в эксплуатации и обслуживании, так и
надежность работы в различных климатических условиях. Многие подобные проблемы
решает буревая защита, которая, во-первых, ограничивает частоту вращения во
избежание разрушения ветроколеса от действия центробежных сил; во-вторых, изменяет
угол наклона ветроколеса для уменьшения лобового сопротивления и предотвращения
опрокидывания ветровой установки.
Для исследования зависимости лобового
сопротивления от скорости ветра и параметров ветровой лопаты (линейных размеров
и коэффициента заполнения) был изготовлен стенд (рисунок 1) на базе автомобиля УАЗ
(1), на крыше которого на жестких кронштейнах шарнирно закреплена рама (2),
имитирующая ветровую лопату. Скорость воздушного потока контролируется с помощью
цифровой метеостанции (3) Geos 11, данные с прибора передаются в реальном масштабе времени через интерфейс на
компьютер (7) с программным обеспечением SkywatchLog, установленный внутри машины.
В данном эксперименте периодичность
передачи данных составляла 0,5 с. Для контроля изменения лобового давления при
изменении скорости воздушного потока натяжение пружины (4) передается на
тензометрический узел (5) и регистрируется светолучевым осциллографом Н041У4
(6), периодичность записи данных – 0,1 с. Изменение скорости воздушного потока обеспечивается
изменением скорости движения автомобиля в безветренную погоду при боковом ветре
не более 1 м/с.
Рисунок 1 –
Мобильный стенд для исследования
лобового сопротивления
ветровой лопаты
На описанном стенде проведен
многофакторный эксперимент с независимыми переменными: Х1 – скорость
ветра, м/с; Х2 – ширина ветровой лопаты, мм; Х3 –
коэффициент заполнения. Эксперименты проводились с тремя ветровыми лопатами
прямоугольной формы с теоретически обоснованной площадью 1,08 м2 и
линейными размерами 1080х1000 мм, 1200х900 мм и 900х1200 мм (соотношения сторон
прямоугольников составляли: 1:1, 1,33:1, 1:1,33). По полученным
экспериментальным данным сформирована матрица данных 200х16, отображающая
зависимость лобового давления на ветровую лопату от скорости ветра, линейных
размеров и коэффициента заполнения ветровой лопаты. Далее средствами Microsoft Excel на основе регрессионного
анализа получены аппроксимирующие зависимости лобового
давления на ветровую лопату от скорости ветра при принятых линейных размерах
(рисунок 2) и различных коэффициентах заполнения (рисунок 3) ветровой лопаты. Практически
для всех вариантов ветровой лопаты с коэффициентами заполнения 0,5 и 0,75
зависимость лобового давления от скорости ветра имеет линейный характер, для
ветровой лопаты с линейными размерами 1200х900 мм при коэффициенте заполнения
0,5, а также для всех вариантов ветровой лопаты при коэффициенте заполнения 1
эта зависимость имеет квадратичный характер. Наименьшее значение лобового давления
наблюдается при экспериментах с квадратной лопатой, у широкой и высокой лопат
значения лобового давления при коэффициенте заполнения 1 практически равны, при
других коэффициентах заполнения лобовое давление на высокую лопату выше, чем на
широкую.
Для определения совместного влияния скорости
ветра и коэффициента заполнения на характер лобового сопротивления для
выбранной ветровой лопаты с соотношением сторон 1,33:1 экспериментальные данные
были обработаны в программном пакете Statstica
5. Получены уравнение регрессии, описывающее зависимость лобового давления от
скорости ветра (V) и коэффициента заполнения (kз), и
соответствующая поверхность отклика (рисунок 4):
Р = 14,7688+0,3712 V -277,0068 kз +0,1105 V2 +27,6377 V kз +104,832 kз2.
Относительная погрешность аппроксимации
для скоростей ветра более 8 м/с не превышает 5%.
Рисунок 2 – Зависимости лобового давления воздушного
потока
на ветровую лопату от скорости ветра при различном
коэффициенте заполнения
Рисунок 3 – Зависимости лобового давления воздушного
потока
на ветровую лопату от скорости ветра при различных
соотношениях сторон
Рисунок 4 – Зависимость лобового давления от скорости
ветра и
коэффициента заполнения для ветровой лопаты с
соотношением сторон 1,33:1
Выводы: По
результатам экспериментальных исследований установлено, что давление,
создаваемое воздушным потоком на ветровую лопату, зависит от формы и
коэффициента ее заполнения. При коэффициенте заполнения kз=1 зависимость давления
воздушного потока от скорости ветра описывается квадратичной функцией, при этом
значение давления для ветровой лопаты прямоугольной формы с размерами: 900х1200
мм изменяется от 85 до 363,25 Па, 1200х900 мм – от 77,91 до 389,9 Па, 1080х1000
мм – от 47,04 до 351 Па. При kз=0,75
и kз=0,5 эти зависимости
описываются линейной функцией. Также установлено, что при kз=1 за счет создания большего
давления перед ветровой лопатой происходит частичное торможение ветроколеса.
Более эффективными являются ветровые лопаты с коэффициентом заполнения меньше
1, так как они не тормозят ветроколесо.