Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»

Кафедра 401

Проектирование лопасти для ветровой энергоустановки мощностью 3 кВт

пояснительная записка к домашнему заданию по курсу:

«Проектирование ветроагрегатов»

ХАИ.441э.04.ПВ.11.ПЗ.00

Выполнила:

студентка 441-э

Джафарова А.И.

Руководитель:

Легошин Д.В.

Харьков 2011

Содержание

• Техническое задание
• Раздел 1. Выбор схемы установки, способа ориентации и основных расчётных параметров
• 1.1 Определение коэффициентов идеальной и расчётной мощности
• 1.2 Расчет относительных параметров геометрии лопасти
• 1.3 Расчет размерных параметров ветроколеса
• 1.4 Мощностные и моментные характеристики лопасти
• Раздел 2. Нагрузки, действующие на лопасть, и определение соответствующих внутренних силовых факторов
• 2.1 Определение нагрузок, действующих на лопасть. Определение аэродинамической поперечной силы Q_y и изгибающего момента M_x в координатной плоскости y-z; Q_x и M_y в координатной плоскости x-z
• 2.2 Определение веса лопасти

2.3 Определение центробежных сил инерции

2.4 Определение параметров напряженого состояния в опасных точках комлевого сечения лопасти при щ=const

2.5 Определение касательных напряжений от действия поперечних сил

Заключение

Список литературы

• Техническое задание
• Спроектировать лопасть сетевой ветровой энергоустановки мощностью 10кВт для частного дома, рассчитать её основные геометрические параметры и определить оптимальные углы установки.
• Исходные данные
• Для расчета лопасти принимаются следующие условия:
• 1. Средняя скорость ветра - 8 м/с;
• 2. Установленная мощность ВЭУ - 3 кВт;
• 3. Профиль лопасти - NACA 2414 (характеристики приведены в таблице 2);
• 4. Толщина - 15%;
• 5. Быстроходность - Z=6,5.
• 1. Выбор схемы установки, способа ориентации и основных расчётных параметров

На начальном этапе проектирования была собрана статистика и изучена литература по существующим установкам подобного класса. На основе этого были выбраны: схема установки - трехлопастная с горизонтальной осью вращения и способ ориентации - по направлению ветра.

На следующем этапе были приняты основные параметры для расчёта (таблица 1)

Таблица1 - Основные расчётные параметры

Наименование параметра	Обозначение	Единицы измерения	Вели-чина
Количество лопастей	iл	о. е.	3
Предварительно заданный коэффициент быстроходности на конце лопасти в рабочей точке характеристики ветроколеса	ZR	о. е.	6,5
Коэффициент мощности	Ср	о.е.	0,45
Относительный радиус расположения корневого сечения лопасти		о. е.	0,2
Число сечений лопасти	n	о. е.	10
Число точек деления задаваемого интервала коэффициента торможения для выбора его оптимального значения	ne	о. е.	11
Относительная толщина профиля лопасти у корня		о. е.	0,30
Относительная толщина профиля лопасти на периферии		о. е.	0,12
Поправочный коэффициент при расчете коэффициента мощности	Kмощн	о. е.	0,8

Таблица 2 - Характеристики профиля n2414

а, град	Cya	Cx	м
-8	-0,6150	0,0093	-0,0151
-6	-0,3750	0,0081	-0,0216
-4	-0,1340	0,0073	-0,0545
-2	0,1080	0,0067	0,0620
0	0,3490	0,0071	0,0203
2	0,5910	0,0074	0,0125
4	0,8310	0,0084	0,0101
6	1,0760	0,0091	0,0085
8	1,2810	0,0112	0,0087
10	1,4300	0,0134	0,0094
12	1,5270	0,0168	0,0110
14	1,5730	0,0206	0,0131
16	1,5660	0,0252	0,0161
18	1,5050	0,0307	0,0204
20	1,3870	0,0370	0,0267

1.1 Определение коэффициентов идеальной и расчётной мощности

Коэффициенты идеальной и расчётной мощности определяются в ниже приведённой последовательности.

Первоначально определяем коэффициент торможения потока. Для этого задаем 11 значений коэффициента торможения потока e через равный шаг от 0,27 до 0,42:

(1)

Где n_e - число точек деления интервала определения е, n=11;k_e = 1; 2; n_e

Затем находим значения коэффициентов идеальной мощности , соответствующих e_k:

(2)

Находим значения коэффициентов концевых потерь , соответствующих e_k:

(3)

Находим значения коэффициентов профильных потерь , соответствующих e_k:

(4)

Определяем средний по высоте лопасти коэффициент быстроходности:

(5)

Вычисляем средний по высоте лопасти относительный КПД элементарного ветряка з_отн..

(6)

Определяем коэффициент потерь на кручение струи.

(7)

Вычисляем предварительный коэффициент мощности .

(8)

Расчёты проводятся в среде MS Excel. Результаты вычислений представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Расчёт предварительных коэффициентов мощности

№ сечения	ek	Cp ид	Tj	Tp	Zcр	зотн	Tm	Cpпредв
1	0,27	0,621	0,069	0,052	3,9	0,953	0,010746	0,5140
2	0,285	0,634	0,074	0,053		0,952	0,010959	0,5217
3	0,3	0,646	0,078	0,054		0,951	0,011141	0,5278
4	0,315	0,656	0,082	0,055		0,950	0,011293	0,5323
5	0,33	0,665	0,087	0,056		0,949	0,011416	0,5353
6	0,345	0,672	0,092	0,058		0,948	0,011511	0,5369
7	0,36	0,678	0,097	0,059		0,947	0,011579	0,5371
8	0,375	0,682	0,102	0,060		0,946	0,01162	0,5360
9	0,39	0,685	0,107	0,062		0,945	0,011637	0,5335
10	0,405	0,686	0,113	0,063		0,943	0,011628	0,5299
11	0,42	0,686	0,119	0,065		0,942	0,011596	0,5250

Используя таблицу 3, находим С _{предв max} =0,537 и оптимальный коэффициент торможения е_опт= 0,36.

(9)

(10)

1.2 Расчет относительных параметров геометрии лопасти

Для e = e_opt = 0,3375 при числе сечений лопасти n = 10 определяем геометрию выбранных сечений.

Вычислим относительный радиус расположения сечения лопасти :

(11)

к=1,2, …, 10;

Тогда коэффициент быстроходности сечения лопасти равен:

(12)

Число относительных модулей сечения лопасти определяется по формуле:

(13)

Определяем коэффициент суммарной нагруженности сечений лопастей, находящихся в зоне действия элементарной кольцевой струи:

(14)

Коэффициент подъемной силы периферийного сечения. Используя таблицу 2, находим, что , следовательно

Относительная хорда (в долях наружного радиуса колеса) периферийного сечения определяется по формуле

(15)

лопасть ветроколесо нагрузка энергоустановка

Коэффициент подъемной силы корневого сечения:

.

Из таблицы 1 имеем , следовательно,.

Находим относительную хорду (в долях наружного радиуса колеса) корневого сечения

(16)

Вычисляем относительную хорду (в долях радиуса колеса) промежуточного сечения, используя формулу (17):

(17)

По формуле (27) находим коэффициент подъемной силы промежуточного сечения:

(18)

Радиус расположения сечения лопасти определяем по формуле (19)

(19)

Относительный шаг между сечениями:

(20)

Расстояние между сечениями лопасти определятся выражением(21)

(21)

Для определения относительной толщины профиля , воспользуемся формулой:

(22)

Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Расчёт относительных хорд и толщин

rk отн	Zk	Zuk	Cнагр k	м min	0,0085	b k отн	C y k	c k отн
0,20	1,3	2,22	0,599	Cy	1,0760	0,145	1,374	0,3
0,29	1,88	3,07	0,327	C y пер	1,0760	0,135	0,808	0,293
0,38	2,46	3,94	0,202	b пер	0,05	0,124	0,542	0,284
0,47	3,03	4,83	0,136	C y кор	1,3743	0,114	0,400	0,274
0,56	3,61	5,71	0,098	b кор	0,145406	0,103	0,316	0,261
0,64	4,19	6,61	0,073	c кор	0,3	0,092	0,265	0,246
0,73	4,77	7,50	0,057	с пер	0,12	0,082	0,233	0,227
0,82	5,34	8,40	0,046			0,071	0,214	0,202
0,91	5,92	9,30	0,037			0,061	0,205	0,168
1,00	6,5	10,20	0,031			0,050	0,207

Найдём углы атаки, притекания и установки профиля. Определим номер элемента на восходящей ветви исходных значений характеристики , ближайшего к и большего его. Сравниваем с возрастающей по величине частью массива (см. таблицу 2). Определяем угол атаки промежуточного сечения по формуле:

(23)

Углы притекания сечений лопасти равны: (24)

Находим угол заклинения (установки) сечения лопасти:

ц_k = в_k - б_k(25)

Найденные углы представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Углы атаки, притекания и установки профиля

бk, град.	вk	цk, град.
	24,27	24,27
-3,12	18,05	24,24
-2,40	14,24	18,64
-1,58	11,71	15,29
-0,27	9,93	10,20
1,30	8,61	7,30
3,03	7,59	4,56
4,88	6,79	1,91
6,81	6,14	-0,67
7,79	5,60	-2,19

1.3 Расчет размерных параметров ветроколеса

Определяем наружный диаметр:

,(26)

где Р - мощность ВЭУ, Вт;

С_р- коэффициент мощности, С_р=0,45;

с- плотность воздуха, с = 1.23 кг/м³;

- рабочая скорость ветра, =8м/с;

з - общий КПД ВЭУ:

,(27)

Где з_Г = 0,85 - КПД генератора;

з_СП = 0,80 - КПД всей системы преобразователей.

Вычислим общий з установки по формуле (27):

з=0,85Ч0,8=0,68;

Вычислим наружный диаметр ветротурбины, используя формулу (26):

Радиус ветроколеса

R=6,5/2 = 3,25 м.

Внутренний диаметр ветроколеса

м.

Радиус расположения сечения лопасти определяется формулой:

Относительный шаг между сечениями находим по формуле:

(28)

Расстояние между сечениями лопасти (шаг), определяем исходя из (29)

(29)

Хорда сечения находится из соотношения (30)

(30)

Толщина сечения определяется в соответствии с (31)

(31)

Результаты расчёта представим в таблице 6.

Таблица 6 - Хорды, толщины и радиусы расположения сечений

№	r k	Д r отн	Д r	b k	c k
1	0,65	0,089	0,289	0,47	0,14
2	0,94			0,44	0,13
3	1,23			0,40	0,11
4	1,52			0,37	0,10
5	1,81			0,33	0,09
6	2,09			0,30	0,07
7	2,38			0,27	0,06
8	2,67			0,23	0,05
9	2,96			0,20	0,03
10	3,25			0,16	0,02

Определим скорость и частоту вращения ветротурбины, используя формулы:

(32)

(33)

щ=(6,5Ч8)/3,24=18;

n=(30Ч18)/3,14=172 об/мин.

Окружная скорость в каждом сечении рассчитывается по формуле:

, где (34)

- радиус лопасти в i-том сечении.

Значение относительной скорости набегания потока определяем по формуле (35):

(35)

Найденные значения относительных и окружных скоростей для каждого значения занесены в таблицу 7.

Таблица 7 - Относительные и окружные скорости каждого сечения

№ сечения	Ui, м/с	Wi, м/с
1	11,7	14,17
2	16,9	18,70
3	22,1	23,50
4	27,3	28,45
5	32,5	33,47
6	37,7	38,54
7	42,9	43,64
8	48,1	48,76
9	53,3	53,90
10	58,5	59,04

1.4 Мощностные и моментные характеристики лопасти

Мощностная характеристика -- зависимость С_р = f(Z) .Эта кривая может быть аппроксимирована при помощи двух парабол -- квадратичной и кубической, если известны значения быстроходности для максимальной (Z_max) и оптимальной (Z_opt) мощности.

Правая ветвь характеристики С_р = f(Z) в пределах быстроходности Z_opt<Z<Z_max может быть аппроксимирована квадратичной параболой:

(36)

Левая ветвь характеристики (при Z<Z_opt) может быть аппроксимирована кубической параболой:

(37)

Для ветроколес с лопастями, имеющими в своих сечениях профиль типа "NACA 2414", величины Z_opt, Z_max и зависят от параметра _периф и могут быть аналитически рассчитаны.

Параметр _периф представляет собой суммарную относительную хорду профилей на периферии и играет существенную роль при построении характеристик ветроколеса. Выражение _периф для произвольного сечения лопасти через относительную в долях радиуса хорду и число лопастей i_л имеет вид

Для единообразия будем рассматривать параметр на конце лопасти, то есть на периферии:

(38)

Зависимости Z_opt(_периф) и Z_max(_периф) хорошо аппроксимируются такими гиперболическими зависимостями:

(39)

(40)

Кривая зависимости аппроксимируется квадратической параболой:

(41)

Зависимость коэффициента момента от быстроходности C_m = C_m(Z) также аппроксимируется двумя зависимостями:

- для правой ветви

(41)

- для левой ветви

(42)

Для спроектированного ветроколеса у_пер = 0,15; Z_opt = 7,97; Z_max = 15; C_pmax = 0,39.

В результате использования формул (36, 37, 41, 42) определяем зависимости коэффициента мощности и коэффициента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности. Результаты расчётов представим в виде графиков.

Рис.1 Вид зависимости Сp(Z)

Рис.2 Вид зависимости Cm(Z)

2. Нагрузки, действующие на лопасть, и определение соответствующих внутренних силовых факторов

2.1 Определение нагрузок, действующих на лопасть. Определение аэродинамической поперечной силы Q_y и изгибающего момента M_x в координатной плоскости y-z; Q_x и M_y в координатной плоскости x-z

Ветер создает распределенную аэродинамическую нагрузку по профилированной части лопасти. В соответствии с аэродинамическими характеристиками профиля NACA 2414примем:

· Коэффициент подъемной силы

· Коэффициент лобового сопротивления .

Определение погонной аэродинамической нагрузки (кгс/м) от действия аэродинамических подъемных сил и от нагрузок лобового сопротивления производится по формулам:

, (2.1)

.(2.2)

Значения и проецируются на оси х и у:

.

Наглядно расположение сил представлено на рисунке 3.1.



Рис. 2.1. Размещение сил, действующих на сечение лопасти.

Аэродинамическую поперечную силу Q_y и изгибающий момент M_x в плоскости y-z можно определить по формулам, которые выведены после анализа рисунка 3.1.:

;(2.3);(2.4)

;(2.5)

Поскольку мы разбили лопасть на участки, то нужно от интеграла перейти к сумме:

(2.7)

Аэродинамическую поперечную силу Q_x и изгибающий момент M_y в плоскости x-z можно определить по формулам:



Переходя к сумме:

Результаты расчетов представлены в таблице .3.1

Расчет произведен в системе MS Excel. Результаты записаны в таблице 2.1. по известным значениям .Построены графики зависимости и от длины лопасти (рис. 2.2. и рис. 2.3.)

Табл.2.1. Расчет аэродинамических подъемных сил и сил лобового сопротивленияи, моментов.

N сеч	qD	qL	qDx	qDy	qLx	qLy	qx	qy	Дqx ср	Дqy ср
1,000	0,040	6,933	0,026	0,031	5,328	4,437	5,354	4,406	7,111	4,724
2,000	0,062	10,202	0,031	0,054	8,838	5,096	8,869	5,042	10,818	5,287
3,000	0,089	13,914	0,036	0,081	12,731	5,614	12,767	5,532	14,722	5,679
4,000	0,120	17,665	0,040	0,113	16,637	5,939	16,677	5,826	18,463	5,869
5,000	0,153	21,093	0,044	0,146	20,204	6,058	20,248	5,912	21,706	5,853
6,000	0,187	23,878	0,047	0,181	23,118	5,976	23,165	5,795	24,157	5,641
7,000	0,220	25,739	0,049	0,215	25,100	5,701	25,148	5,487	25,555	5,245
8,000	0,251	26,439	0,050	0,246	25,912	5,250	25,962	5,003	25,685	4,682
9,000	0,279	25,778	0,050	0,275	25,358	4,636	25,408	4,361	24,369	3,970
10,000	0,303	23,601	0,050	0,299	23,280	3,878	23,330	3,579
	ДQix	ДQiy	Qix	Qiy	ДMix	ДMiy	Mix	Miy	Дri	0,000
1,000	2,553	1,696	61,950	16,853	14,741	64,675	52,419	250,099	0,359	0,000
2,000	3,883	1,898	59,397	15,157	11,717	53,556	37,678	185,425		0,359
3,000	5,285	2,038	55,514	13,259	8,997	42,896	25,961	131,869		0,718
4,000	6,627	2,107	50,229	11,221	6,617	32,933	16,965	88,973		1,077
5,000	7,792	2,101	43,602	9,114	4,603	23,918	10,348	56,040		1,436
6,000	8,671	2,025	35,811	7,013	2,967	16,092	5,745	32,122		1,795
7,000	9,173	1,883	27,140	4,989	1,709	9,665	2,777	16,030		2,154
8,000	9,220	1,681	17,967	3,106	0,813	4,794	1,069	6,364		2,513
9,000	8,747	1,425	8,747	1,425	0,256	1,570	0,256	1,570		3,231

Рис. 2.2. Зависимость изгибающих моментов от длины лопасти.

Рис. 2.3. Зависимость поперечных сил от длины лопасти

2.2 Определение веса лопасти

Вес лопасти определяется как произведение объема на плотность материала. Плотность зададим: с = 1800 кг/м³. Объем это произведение площади на высоту. Высота участка лопасти известна, а для определения площади лопасти воспользуемся программами Aero Foil и Design Foil. Они содержат относительные координаты профиля - NACA 2414 (табл.2.2.1 ) .

Табл. 2.2.1. Относительные координаты профиля.

1,000	0,000	0,170	0,081	0,435	-0,025
0,949	0,000	0,146	0,075	0,467	-0,024
0,996	0,001	0,124	0,069	0,500	-0,022
0,990	0,001	0,103	0,063	0,533	-0,021
0,983	0,002	0,084	0,057	0,565	-0,020
0,973	0,004	0,067	0,050	0,598	-0,018
0,962	0,006	0,052	0,043	0,629	-0,016
0,948	0,008	0,038	0,036	0,661	-0,015
0,933	0,012	0,027	0,030	0,691	-0,013
0,916	0,015	0,017	0,023	0,721	-0,011
0,897	0,019	0,010	0,017	0,750	-0,009
0,876	0,024	0,004	0,011	0,778	-0,007
0,854	0,029	0,001	0,005	0,804	-0,006
0,830	0,035	0,001	0,000	0,830	-0,004
0,804	0,040	0,001	-0,005	0,854	-0,003
0,778	0,046	0,004	-0,009	0,876	-0,002
0,750	0,053	0,010	-0,013	0,897	-0,001
0,721	0,059	0,017	-0,016	0,916	0,000
0,691	0,065	0,027	-0,019	0,933	0,001
0,661	0,071	0,038	-0,022	0,948	0,001
0,629	0,077	0,052	-0,024	0,962	0,001
0,598	0,082	0,067	-0,025	0,973	0,001
0,565	0,087	0,084	-0,027	0,983	0,001
0,533	0,091	0,103	-0,028	0,990	0,001
0,500	0,095	0,124	-0,028	0,956	0,000
0,467	0,097	0,146	-0,029	0,999	0,000
0,435	0,099	0,170	-0,029	1,000	0,000
0,402	0,101	0,196	-0,029
0,371	0,101	0,222	-0,029
0,339	0,100	0,250	-0,029
0,309	0,099	0,279	-0,028
0,279	0,097	0,309	-0,028
0,250	0,094	0,339	-0,027
0,222	0,090	0,371	-0,027
0,196	0,086	0,402	-0,026

Для перевода из относительных координат в реальные размеры были выведены формулы:

,

где индекс i показывает номер относительной координаты.

Результаты расчетов были произведены в Microsoft Excel для каждого сечения.

С помощью графического редактора КОМПАС были построены по точкам сечения лопасти, затем посчитаны площадь каждого сечения F_Ki.

Для определения веса были использованы формулы:

где плотность=1800 кг/м3.

2.3 Определение центробежных сил инерции

Действие сил инерции рассмотрено при следующих условиях:

Силу инерции можно определить по формуле:

.(2.3.1)

Поскольку мы рассматриваем лопасть по сечениям, то можно перейти к сумме:

.(2.3.2)

Вычисления проведены в среде MS Excel. Результаты записаны в таблицу 2.3.1

Построены эпюры распределения веса и центробежных сил инерции по длине лопасти. (Рис. 2.3.1)

Табл.2.3.1 Величины сил веса и центробежных сил инерции.

№уч.	Sk м2	ДV	V	Дm	m	G	ДG	Nz
1,000	0,01129	0,01941	0,034	34,938	60,317	591,714	342,745	8309,327
2,000	0,00918	0,00330		5,933			58,198	5762,047
3,000	0,00783	0,00281		5,058			49,616	5034,833
4,000	0,00636	0,00228		4,107			40,286	4189,409
5,000	0,00499	0,00179		3,225			31,641	3320,482
6,000	0,00388	0,00139		2,508			24,605	2494,352
7,000	0,00288	0,00103		1,859			18,242	1740,188
8,000	0,00203	0,00073		1,313			12,879	1098,243
9,000	0,00134	0,00048		0,863			8,462	586,516
10,000	0,00080	0,00029		0,514			5,039	211,648



Рис.2.3.1 Распределение веса и эпюра распределения сил инерции

Также были построены графики распределения сил инерции , сил веса лопасти G и изгибающих моментов от сил веса M(G) по длине лопасти при различных углах и. Расчеты приведены в таблице 2.3.2.

Табл. 2.3.2 Распределение сил инерции , сил веса лопасти G и изгибающих моментов от сил веса M(G) по длине лопасти при различных углах и

Также построены эпюры распределения Q, Nz, M(G) от веса при различных углах поворота ротора по длине лопасти. Графическое представление на рисунке 3.3.2



Рис.2.3.2. Распределения Q, Nz, M(G) от веса при различных углах поворота ротора по длине лопасти.

2.4 Определение параметров напряженого состояния в опасных точках комлевого сечения лопасти при щ=const

В порядке первого приближения именно комлевое сечение может быть признано наиболее опасным, т.к. в комлевом сечении действуют наибольшие продольные Nz, поперечные Qy и Qx силы и изгибающие моменты Мх и Му.

Рассмотрим геометрические параметры этого сечения: кольцо тонкостенное, D=200 мм, D1=184 мм, д=8 мм, т.е. принято, что комлевое сечение имеет регулярную форму и не учтены особенности к ступице. Рассчитываем по формулам:

Определяем максимальное напряжение, вызванное действием Мизг:

Определяем вклад продольных сил в значение напряжения:



2.5 Определение касательных напряжений от действия поперечних сил

Максимальные касательные напряжения определяются по формулам:

200МПа=[G]>9.56МПа

Полученные значения говорят о большом запасе прочности.

Заключение

В данном курсовом проекте рассчитана лопасть ветроустановки, мощностью 3кВт. Получены распределения аэродинамических сил и моментов по всей длине лопасти. Запас прочности большой.

По полученным эпюрам можно сделать вывод, что при установки лопасти могут возникнуть проблемы с балансировкой и равновесием. Обшивка дифференциальна.

Список литературы

1. Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика / В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И. Яковлев.- Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т»,2004.-519 с.

2. Расчет и проектирование ветроэлектрических установок с горизонтально-осевой ветротурбиной и синхронным генератором на постоянных магнитах / А.И. Яковлев, М.А. Затучная, В.Н. Меркушев, В.Н. Пашков. -- Учеб. по-собие по курсовому проектированию. -- Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2003. -- 125 с.

Размещено на Allbest.ru