Оптимизация характеристик ветроколеса с парусными лопастями
В Принстонском университете (PU) разработана для испытаний ветродвигателей установка, смонтированная на армейском автомобиле.
В начале этих работ по программе исследования ветродвигателей стало очевидным, что исследования в натурных условиях непригодны для целей оперативной оптимизации и усовершенствования характеристик ветроколеса. Такая методика пригодна и даже предпочтительна при испытаниях ветродвигателей, когда такие факторы, как динамические реакции двигателя на пульсации скорости ветра, могут оказывать сильное влияние на выработку энергии за длительный период. В то же время методика почти бесполезна, когда тщательный учет влияния единичных изменений конфигурации лопасти на характеристики ветроколеса желательно осуществить за сравнительно короткий период времени.
Исходя из этого была начата разработка движущегося стенда для испытания ветродвигателей натурных размеров, установленных на стандартных армейских автомобилях. В результате постепенного совершенствования установка в настоящее время стала достаточно сложной.
При определении характеристик ветродвигателей основным следует считать точное измерение скорости свободного невозмущенного ветрового потока. На установке Принстонского университета был испытан ряд аиемометрических систем (механические и термоанемометры) и были выбраны наиболее подходящие анемометры чашечного типа. Наряду с достаточно высокой чувствительностью и точностью имеет место требуемая устойчивость показаний прибора. Механический анемометр и термоанемометр при точном регулировании скорости оказываются слишком чувствительными к неровностям дороги.
С целью предохранения анемометра от внешних воздействий, нарушающих поле скоростей в присутствии автомобиля, анемометр устанавливался на значительном расстоянии перед транспортным средством. Чашечное устройство прибора использовалось для вращения небольшого генератора, сигнал которого передавался к миллиамперметру, установленному на рулевой колонке автомобиля. Исходная тарировка этой системы производилась в аэродинамической трубе и для предотвращения ошибок проверялась перед каждой серией испытаний.
Благодаря усовершенствованию установки было проверено несколько методов нагружения ветродвигателя. В наиболее удобном методе использовался гидравлический дисковый тормоз. Главный цилиндр, а также механизм системы установлены на основании опорной башни с растяжками.Тормоз приводился в действие с помощью стяжной муфты. Пружины позволяли прикладывать более равномерную нагрузку, которая преобразовывала воспроизводимый сигнал на приводном рычаге в сигнал, соответствующий действию постоянной силы.
Значение вращающего момента, который создавался ветроколесом при действии тормоза, измерялось с помощью тензометрического мостика, установленного на горизонтальной части опорной конструкции. Сигнал от него передавался на микроамперметр. Таким образом, при проведении измерений желаемое значение тормозного вращающего момента может передаваться на ветродвигатель путем соответствующего перемещения стяжной муфты.
Одним из экспериментальных параметров, который необходим для определения характеристик ветродвигателя, является частота вращения ветроколеса. Она определялась с помощью тахометра на втулке ветроколеса, сигнал от которого передавался на вольтметр и отсчитывался наблюдателем.
Использование для испытаний ветродвигателя установки на автомобиле ускоряет процесс накопления данных. Он может производиться при слабом ветре или. что предпочтительнее, в безветрие. Установлено, что даже слабый боковой ветер при скорости 1— 1,5 м/с искажает данные испытаний.
Рис. 3.17. Некоторые испытанные формы лопастей в плане:
а — круглая передняя кромка; б — D-образный лонжерон передней
кромки, расположенный по всей длине лопастн; в—D-образный лонжерон передней кромки с концевым обтекателем; г — D-образный лонжерон передней кромки с концевым обтекателем н 20 %-ным центральным обтекателем ветроколеса; д — D-образный лонжерон передней кромки с концевым обтекателем н центральным ребром жесткости; е — D-образный лонжерон передней кромки с концевым обтекателем и центральным ребром; ж — D-образный лонжерон передней кромки с концевым обтекателем, центральным ребром и 20 %-ным центральным обтекателем ветроколеса.
Для определения характеристик ветродвигателей данные, полученные на установке, представлены в виде стандартных зависимостей коэффициента использования энергии ветра от быстроходности Z. Безразмерная форма представления данных делает возможными быструю оценку ветродвигателей и их схем, и сопоставление различных вариантов. Для оптимизационных исследований, подобных проводимым в Принстонском университете, эта возможность непосредственного определения влияния на характеристики отдельных изменений схем является очень полезной.
Один из этапов программы Принстонского университета по исследованию ветродвигателей состоял в систематизации характеристик двухлопастных ветроколес диаметром 3,7 м с парусными лопастями. Эксперименты были предназначены для определения конфигурации элементов, необходимых для получения приемлемых характеристик, и возможности исключения некоторых из них для снижения общей стоимости. Одно из ветроколес было сконструировано с возможностью изменения углов установки и шага. Подобные данные значительно расширяют понимание общих возможностей техники конструирования лопастей.
Двухлопастное ветроколесо выбрано в качестве основной конструкции вследствие большей легкости осуществления изменений ее конфигурации. При тщательно контролируемых условиях испытаний, в которых этот двигатель использовался, проблемы динамики двухлопастного ветроколеса могут быть фактически исключены для случая, когда они связаны с быстрыми азимутальными изменениями положения лопасти. Однако даже если влияние подобной проблемы, минимально благодаря малой инерции, связанной с малой массой парусной лопасти, Принстонский университет признает ее полезность и настойчиво рекомендует использование трехлопастных двигателей в почти любых практических областях применения.
Основная схема парусной лопасти, от которой развились все последующие конфигурации, показана на рис. 3.17,а. Ветродвигатель состоит из двухлопастного колеса диаметром 3,7 м, в конструкции которого используется суживающийся к концу лонжерон круглого сечения с передней кромкой, фиксированной корневой частью (поворачивающейся вручную), и концевым элементом.. Лопасть снабжена тросом, к которому прочно прикреплено охватывающее переднюю кромку полотно из дакрона.
Рис. 3.18. Зависимость коэффициента использования энергии ветра \ от быстроходности Z при различной форме поперечного сечения конца лопасти (значения | и Z умножены на 10):
a— V=9,5 м/с; б — V=6 м/с;
Цепная линия, образующаяся на передней кромке при натяжении паруса в направлении хорды, сама может устранить смещение его по горизонтали при достаточно большом натяжении. Остальные конфигурации, испытанные по этой программе, показаны на рис. 3.17. Они содержат дополнительный обтекатель передней кромки (рис. 3.17,6), концевой элемент лопасти (рис. 3.17, б), дисковое центральное тело (рис. 3.17, г, з) и различные типы элементов жесткости передней кромки (рис. 3.17, д, з).
Во время испытаний угол установки лопасти подбирался так, чтобы полу-- чаемая характеристика понижалась слева и справа от оптимума. Кроме того, каждая лопасть испытывалась в набегающем потоке при скоростях ветра 6 и 9,5 м/с. Таким образом, были проверены безразмерные характеристики ветродвигателя и могла оцениваться степень их понижения с увеличением скорости ветра. Приведенные данные для каждой из форм лопасти использовались для получения графиков, дающих зависимость \ = \(Z).
Характеристика основного варианта ветроколеса (см. рис. 3.17,а) показаны на рис. 3.18,а. Желательно, конечно, получить максимальный коэффициент использования энергии ветра, в частности, при использовании трубчатой передней кромки лопасти. На рис. 3.18, а показано поперечное сечение конца лопасти этой конфигурации, которая только одна испытывалась с круговой передней кромкой.
Характеристики лопасти, показанной на рис. 3.17,6, приведены на рис. 3.18, б. При простом добавлении по всему размаху передней кромки D-образного трубчатого обтекателя увеличивается в 5 раз. Это происходит благодаря оптимизации формы поперечного сечения лопасти при большем ускорении потока около передней кромки, смещении к хвостовой части положения точки максимальной толщины профиля, увеличении секционированного отсека при наличии наклона передней кромки примерно в 7° и при значительном уменьшении сравнительно большой относительной толщины каждой секции по длине лопасти. На рис, 3.18, б показан также профиль конца лопасти, использованный во всех остальных конфигурациях.
Благоприятное влияние изменений геометрической формы конца лопасти видно на рис. 3.17,в. Хотя полная мощность, развиваемая при этой конфигурации, увеличивается по сравнению с мощностью для варианта без законцовки лопасти, она фактически еще больше, так как лопасть балансируется при увеличенном радиусе ветроколеса, который используется для представления мощности в безразмерном виде, т. е. через 1. Тот факт, что коэффициент | не улучшается, в известной степени неожиданный, но может быть объяснен некоторым ухудшением распределения нагрузки по длине лопасти в сравнении с оптимальным.
Применение дискового обтекателя, радиус которого составляет 20 % радиуса ветроколеса, обосновывается положительными результатами исследований, выполненных в Принстонском университете. На рис. 3.17, г видно его малое влияние на суммарные характеристики.
Значительное (примерно 20 %) повышение 5 получено при дополнительной установке элементов жесткости, показанных на рис. 3.17, д, на среднем радиусе передней кромки. Эта расчалка между лонжероном и тросом передней кромки прочно фиксирует трос относительно базовой структуры в этой точке, но ие влияет на основную линию передней кромки. Добавление дискового обтекателя, площадь которого составляет 20 % площади, ометаемой ветроколесом (относительная площадь 20 %), мало влияет на характеристики колеса.
Увеличение геометрического заполнения ветроколеса, достигнутое у конфигурации, показанной на рис. 3.17, е, привело к небольшим, не заслуживающим внимания изменениям характеристик. Однако при разделении исходной цепной линии, по которой провисает трос передней кромки, на две меньшие цепные линии, незакрепленная его часть по передней кромке сокращается наполовину, в результате чего значительно увеличивается критическая скорость, начиная от которой происходит перемещение паруса в наветренную сторону.
В заключение был использован дисковый обтекатель с относительной площадью 20 % Для получения конфигурации, показанной на рис. 3.17, ж. Эта модификация приводит при малых скоростях ветра к наибольшим из полученных значений % (примерно 0,4).
