Опитно изследване на работни колела за вятърен двигател с цилиндрични лопатки

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2011

През последните години се наблюдава засилен интерес към вятърните генератори с малка мощност. Предвид характера на енергоносителя и възможностите на потребителите, важно изискване към тях се явява максималното опростяване на конструкцията с цел постигане на конкурентна цена. Статията представя резултати от опитни изследвания на моделна вятърна турбина с постоянна кривина на работните лопатки. За тази цел работното колело на сериен ветродвигател тип AEOLUS-300 с пространствени работни лопатки е заменено с няколко модификации на работното колело с различни по форма (меридианна проекция, радиус на кривината) цилиндрични работни лопатки.

Идеята за използване на цилиндрични лопатки е известна както от хидротурбостроенето, така и от опита в областта на ветроенергетиката. За целите на изследването бяха разработени няколко лопатъчни системи с работни лопатки с постоянна кривина и с различна форма на меридианната проекция:

- В - базова версия с меридианна проекция с променлива циркулация по радиуса (работно колело PVC-B);

- WW - с постоянна циркулация по радиуса (работно колело PVC-WW - фиг. 1);

- WW1 - коригирана меридианна проекция на лопатките WW в сеченията с малък радиус (работно колело PVC-WW1 - фиг. 2);

- WW2 - с меридианна проекция с променлива циркулация по радиуса (работно колело PVC-WW2).

Всички работни колела са с диаметър D=1.38 m, с 3 работни лопатки и са изпитани на стенд №7 в лабораторията по хидроенергетика и хидравлични турбомашини на ТУ - София (фиг. 3) Работното колело с лопатки тип WW2 e с радиус на кривина R=250 mm, а всички останали - с радиус R=200 mm. Въздушното течение на стенда се генерира от осов вентилатор с променлива честота на въртене, което дава възможност за постигане на желана от изследователя стойност на скоростта от 2 до 10 m/s. Аеродинамичната тръба на стенда, снабдена с изправяща решетка, позволява постигане на хомогенно течение пред ветродвигателя.

Работните лопатки са с постоянна дебелина, като са профилирани само в зоната на входа и изхода. Използва се платформата на сериен ветродвигател тип AEOLUS-300, производство на Huarui Wind Energy (КНР), като е заменено само щатното работно колело. Конструкцията на новите работни колела позволява монтирането на лопатките към главината да става с променливи ъгли на поставяне (j), подобно на Каплановите водни турбини. Определянето на ъгъла на поставяне j е показано фиг. 4.

Мярка за ефектив-ността на процеса на енергопреобразуване в агрегата е т. нар. коефициент на мощност cp (по същество к. п. д. на ветроагрегата), който представлява отношение на изходящата мощност на генератора Pg към мощността на въздушното течение Pw:

където Pg= U.I; U, I - напрежение и сила на генераторния ток.

където с - плътност на въздуха; S - напречна площ на работното колело; cw - средна скорост на въздушното течение.

Важна характеристика на вятърните двигатели е т. нар. скоростно отношение TSR, което представлява отношение на преносната скорост u в периферното сечение на работното колело към средната скорост на вятъра (режимен параметър при активните водни турбини):

По своята същност скоростното отношение TSR представлява критерий за динамично подобие (число на Strouhal).

Резултати от изследванията

На фиг. 5 са показани работни характеристики на ветродвигателя с работни лопатки тип В. Тези характеристики представляват зависимости на генераторната мощност Pg, коефициента на мощност cp и скоростното отношение TSR от ъгъла на поставяне на лопатките j в лопатъчната решетка за скорост на вятъра cw=5 m/s. На фиг. 6, 7 и 8 са показани аналогични работни характеристики на вятърния двигател с три работни колела, чиито лопатки са от типа WW, WW1 и WW2. Освен за посочената стойност на скоростта на вятъра, измервания са направени и за скорости 7 m/s и 9 m/s.

На фиг. 9 е направено сравнение на зависимостите на генераторната мощност от скоростта на вятъра за изследваните работни колела. Показана е също паспортната характеристика на серийния ветродвигател AEOLUS-300, както и реалната характеристика, получена след изпитване на ветродвигателя с щатното работно колело, което е с диаметър D=1.5 m.

Анализ на резултатите

Анализът на резултатите от направените изследвания показва следното:

- Всички нови работни колела показват по-висока ефективност на работния процес, в сравнение с фабричното (щатно) работно колело за скорости на вятъра до 8 m/s.

- Новите работни колела показват по-висока ефективност дори според данните от паспортната характеристика на ветродвигателя за скорости на вятъра над 5ё7,5 m/s.

- Най-добри характеристики в най-широк диапазон на изменение на скоростта на вятъра показва работното колело с лопатки тип B.

- Изследванията показват известна нестабилност на стойностите на мощността за честоти на въртене 415 ё 430 min-1 (на тези стойности отговарят ъгли на поставяне в границите j = 65° ё 85°). Може да се предполага, че това се дължи на особеностите на лопатъчните системи на работните колела или на недостатъци в работата на генератора.

- При работното колело PVC_WW2 оптималната зона на работа се измества към по-малките ъгли на атака, което е лесно обяснимо предвид по-големия радиус на кривина.

- За скорости на вятъра над 7ё8.5 m/s (според типа на работното колело) генераторната мощност при новите работни колела намалява, което може да се обясни с постоянната кривина на лопатките, респ. невъзможността за осигуряване на подходящи стойности на циркулационната компонента Cu, особено в периферните сечения. Затова за тези скорости на вятъра следва да се синтезират нови лопатъчни системи.

n Максимални стойности на коефициента на мощност са измерени при работните колела PVC-WW2 (cp=0.455) и PVC-B (cp=0.442). Тези резултати могат да бъдат оценени като много добри.

Резултатите от опитните изследвания

направени с цел определяне енергийните характеристики на вятърен двигател с цилиндрични работни лопатки показват, че с най-висока ефективност са работните колела PVC-B и PVC-WW2. Максималната стойност на коефициента на мощност за работното колело PVC-WW2 е 45.5%, а за работното колело PVC-B - 44.2%. Може да се каже, че измерените стойности са в зоната на максимума за подобни ветроагрегати (не може да се направи оценка само на двигателя, тъй като не са известни характеристиките на генератора).

Работните колела с цилиндрични лопатки показват най-висока ефективност при скорости на вятъра 7ё8

m/s. Това означава, че те могат успешно да конкурират на пазара ветродвигатели с малка мощност (до 5kW) и с променлива кривина на лопатките. Основание за това дават високата ефективност на лопатъчните им системи и ниската себестойност на работните лопатки, обусловена от тяхната форма и технологията за изработването им.





Top