Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Министерство образования и науки Украины

Министерство образования и науки Украины

Национальный авиационный университет

Козина Валерий Станиславович

УДК 621.548 (477)

Повышение аэродинамической эффективности работы ветроустановок

Специальность: 05.07.01 Аэродинамика и процессы теплообмена

летательных аппаратов.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Киев-2001

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена в проектном подразделении Государственного конструкторского бюро & ldquo; Южное & rdquo ;, г.Днепропетровск

Научный руководитель - главный конструктор КБ ГКБ & rdquo; Южное & rdquo; кандидат

технических наук Голубенко Николай Степанович

Официальные оппоненты-доктор технических наук, ведущий научный

сотрудник ИЭИ НАН Украины

Васька Петр Федосеевич

-кандидат технических наук, доцент кафедры

высшей математики N1 НАУ

шквары Евгений Алексеевич.

Ведущее предприятие-АНТК им. Антонова

Защита состоится 7 июня 2001г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д26.062.05 в Национальном авиационном университете по адресу: 03058, г. Киев-58, пр. Комарова 1

тел. (044) 488-41-18, 483-93-38, 484-96-28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НАУ.

Автореферат разослан & ldquo; 4 & ldquo; мая 2001г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Жданов А.И..

1 Актуальность темы. Наиболее актуальными проблемами современной ветроэнергетики являются: 1) обеспечение длительного, в течение 20-25 лет, функционирования ветроэлектрических агрегатов; 2) обеспечение эффективного использования энергии ветра; 3) стабилизация частоты электроэнергии, производят ветроустановки. Решение этих проблем невозможно без исследования влияния турбулентности воздушного потока по плоскости вращения ветроколеса на работу как автономных витродизельних энергоустановок, так и на работу ветроэлектрических генераторов, подключенных к сети. Одновременно для автономных ветроэлектрических установок, работающих на изолированную локальную электрическую сеть, которая не имеет задатчиков промышленной частоты, вопросы стабилизации частоты вращения ветроколеса и, соответственно, частоты тока, вырабатываемого является наиболее важным. Анализ электрических схем систем управления угловым положением лопастей большинства ветроагрегатов свидетельствует, что все они построены по принципу сравнения частоты вращения лопастей и встроенного в систему управления кварцованого генератора базовой частоты с последующей передачей команды исполняющим органам (электромеханическим или гидравлическим) на изменение угла атаки лопастей, пропорционально измеренной расхождения частот. При такой схеме рабочим органом, который измеряет скорость ветра, является ротор ветроагрегата. Размеры и масса лопастей, составляющих роторы ветроагрегатов средней и большой мощности, такие, что измерения скорости с помощью ротора очень инерционным. Обеспечить более "тонкое" регулирование углового положения лопастей при всех изменениях скорости воздуха можно при применении критерия оптимальности. Этот критерий минимальным изменениям скорости воздуха ставит в соответствие минимум функционала управления. С этой точки зрения, увеличение скорости протекания переходных процессов в системах управления и генерирования электроэнергии, а также увеличение выработки электроэнергии возможны при введении в контур системы управления угловым положением лопастей измерителя скорости воздуха и дифференциатора. Таким образом, более современными, чем описанные, есть схемы, включающие в свой состав измерители скорости воздуха анемометры. При этом естественное желание расположить анемометр как можно ближе к ветроагрегата на высоте оси вращения ротора, чтобы получить наиболее достоверное измерение скорости воздуха. Очень часто анемометры устанавливают на крыше гондолы горизонтально-осевого ветроагрегата. В таком случае, когда ветроколесо находится с наветренной стороны гондолы, анемометр попадает за плоскостью вращения лопастей в мощный турбулентный поток, искажает информацию измерителей скорости и направления воздуха. Поскольку для создания эффективных и надежных ВЭУ надо оптимизировать процесс регулирования углового положения лопастей, благодаря измерению скорости турбулизированным воздуха с плоскостью вращения ветроколеса, это определяет актуальность то- 2 мы изучения структуры турбулентного потока по действующему ветроколесом с целью использования полученной от анеморумбометра информации в системах управления ветроагрегатов . Эта задача решается в диссертационной работе. Связь работы с научными программами. Работа выполнена в проектном подразделении Государственного конструкторского бюро "Южное" в инициативном порядке и в звўязку с принятием Постановления Кабинета Министров Украины от 31.12.97 г.. N1505 о программе государственной поддержки развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и Указа Президента Украины от 02.03.96 г.. N159 / 96 о строительстве ветровых электростанций, в котором определены организационные мероприятия по расширению мощностей для производства ветроэнергетического оборудования и создание фонда финансирования этих работ. Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности и надежности работы ветроустановок. Для достижения цели работы решались основные задачи: - уточнение структуры турбулентного потока с плоскостью вращения ветроколеса; выявление факторов и закономерностей, влияющих на процесс измерения скорости и направления ветра с помощью измерителей, установленных на крыше головки ветроагрегата; формирование рекомендаций по использованию результатов измерения параметров потока воздуха в схемах и алгоритмах системы управления ветроагрегата. Методы дослиджень.Для решения задач диссертации использованы фундаментальные положения теории аэродинамики, результаты отечественных и зарубежных экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиех, собственные экспериментальные исследования автора на ветроагрегатов АВЕ-250М, математические программы для ПЭВМ Государственного конструкторского бюро "Южное". Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах: 1.Вперше теоретически обосновано, выведено и экспериментально подтверждено основное уравнение изменения скорости воздуха в плоскости вращения лопастей ветроагрегата. 2. Впервые теоретически выведены и экспериментально подтверждено основное уравнение изменения направления потока после прохождения за плоскость вращения ветроколеса. 3. Теоретически обосновано восприятия ветроколеса как поганообтичного тела, что позволяет подсчитывать частоту пульсаций скорости воздуха в плоскости вращения ветроколеса с помощью известного критериального уравнения Струхаля. 4.Теоретично определены предельно возможную границу угла расхождения оси ветроколеса и направления ветра. 5.Пидтверджено, что турбулентный поток представляет собой сумму векторов скорости, вращающихся в разные стороны с разными угловыми скоростями. Практическая ценность работы: 3 1.Разработана закон управления угловым положением лопастей в соответствии с изменениями скорости воздуха измеряется в турбулентном потоке за ветроколесом, что позволяет на 5-10% увеличить производство электроэнергии и в 5 раз уменьшить ошибку стабилизации частоты электротока. 2.Формула изменения направления потока с плоскостью вращения лопастей позволяет активно управлять ориентацией ветроколеса на ветер и, таким образом, увеличить выработку электроэнергии ветроагрегатом на 20% за счет уменьшения угла расхождения между направлением ветра и осью вращения лопастей. 3.Наведени требования к анемометров, которые могут устанавливаться на крыше гондолы ветроагрегата и работать в турбулентном потоке. 4.Розроблено схемы управления углового положения лопастей с привлечением информации анемометра. 5.Розроблено алгоритм расчета скорости ветра перед работающим ветроколесом по информацiею о скорости воздуха, полученной в турбулентном потоке за плоскостью вращения лопастей, что позволяет проводиттуры на 5 страницах содержит 50 наименований. Личный вклад автора.У статьях, опубликованных автором, отражены его личный вклад в разработку научных результатов. Автор лично планировал и проводил эксперименты по измерению скорости и направления воздуха по работающим ветроколесом и одновременно на метеовежи. Автор анализировал результаты измерений и проводил статистическое математическое обработки результатов экспериментов на ЭВМ, а также планировал и проводил опыты по определению угла расхождения оси вращения ветроколеса и направления ветра, проектировал сенсоры угла поворота головки ветроагрегата, разрабатывал программы методики осуществления экспериментов. Автору принадлежат идеи о рассмотрении ветроколеса как поганообтичного тела, а также рассмотрения изменения проекций вихря на ось вращения ветроколеса как частоты пульсаций скорости воздуха по работающим ветроколесом. Автору принадлежат выведенные им законы изменения скорости и направления ветра за плоскостью вращения ветроколеса, разработанный алгоритм вычисления скорости ветра по скорости турбулентного потока, измеренной по лопастями, которые вращаются. Автор диссертационной работы считает своим долгом принести искреннюю благодарность Главному конструктору ОКБ & ldquo; Южное & rdquo; к.т.н.М.С.Голубенко, а также старшему научному сотруднику ГКБ & ldquo; Южное & rdquo; к.т.н. П. Хорольском и заведующему кафедрой аэрогидромеханики ДНУ д-ру физ.-мат.наук О.Г.Гоману за внимание и советы, которые ими были предоставлены во время выполнения моей работы. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В диссертации приведено теоретическое обобщение и новое решение научной задачи, заключающейся в определении скорости и направления ветра, набегающего на лопасти работающего ветроагрегата, на основании результатов измерений параметров турбулентного течения за ветроколесом для оптимального управления угловым положением лопастей, коммутации режимов работы электрогенераторов и системы управления лопастями, а также для точной ориентации ветроколеса на ветер. Для решения этой задачи были сделаны некоторые припущення: -работающие ветроколесо может быть представленное как тонкий вихревой диск, поставленный перпендикулярно к набегающему ветра; -турбулентний поток за плоскостью вращения лопастей мгновенно реагирует на изменения скорости и направления ветра и является носителем информации о параметрах ветра; -наиболее информативным параметром, свидетельствует об эффективности работы ветроколеса, является коэффициент торможения потока k или соотношение скорости потока по плоскости вращения ветроколеса U2 в скорости ветра U0, при этом оптимальным является k = 1/3; -угол разногласия оси вращения ветроколеса и направления ветра должен превышать 20-30 угловых градусов по рассмотрению возможного срыва потока с лопасти. 5 Во введении обоснована актуальность работы, определены цель исследований. В разделе 1 & ldquo; Аналитический обзор ранее проведенных экспериментальных исследований & rdquo; приведены многочисленные примеры экспериментов отечественных и зарубежных ученых по измерению скорости воздуха в плоскости вращения лопастей в лабораторных и натурных условиях. Приведен перечень проблем и вопросов, требующих решения в диссертационной работе. Сформулированы основные задачи диссертации: 1) частичное изучение вихревого следа за работающим ветроагрегатом; 2) исследование изменения скорости воздуха при прохождении плоскости ветроколеса; 3) исследование изменения направления потока с лопастями, которые вращаются; 4) исследования влияния угла расхождения оси ветроколеса и направления ветрового потока на информацию анеморумбометра, установленного на гондоле ветроагрегата; 5) создание алгоритмов вычисления скорости и направления ветра по измеренным параметрам турбулентного течения за лопастями, которые вращаются; 6) решение принципиальных вопросов, связанных с использованием полученной от анеморумбометрив информации в системах управления ветроагрегатов. Раздел 2 & ldquo; Методика исследований & rdquo; посвящен теоретическому исследованию процессов, происходящих в плоскости вращения лопастей ветроколеса и за плоскостью в близком зоне. Раздел содержит характеристики профиля лопасти ветроагрегатаАВЕ- -250М, результаты расчетов относительных индуктивных скоростей воздуха на разных уровнях по продлен лопасти при различных скоростях ветра, а также анализ режимов, в которых работает ветроколесо АВЕ-250М. Раздел содержит также расчет истинного угла атаки, который, с учетом индуктивной скорости, отличается на несколько градусов от существующего угла атаки лопасти. Исследовано А. При определенных условиях ветроколесо может работать как в режиме струйной течения, так и в режиме турбулентного следа. Это зависит не только от скорости ветра, но и от чрезмерной частоты перекладывание лопастей как в процессе регулирования углового их положение, так и в процессе демпфирования упругих колебаний торсионного вала, соединяющего ветроколесо с мультипликатором. Приведенные расчеты на примере ветроколеса агрегата АВЕ-250М показывают, что при малой скорости ветра (4-7м / с) ветроколесо работает в режиме турбулентного следа. При работе в этом режиме нарушается линейная зависимость частоты вращения ветроколеса от скорости ветра и коэффициент мощности уменьшается. Так как частота вращения ветроколеса постоянна и диктуется частотой тока в сети, мощность ветроагрегата уменьшается благодаря уменьшению крутящего момента. В общем случае крутящий момент ветроколеса можно представить в виде Т = См · Тмах, 6 где См - коэффициент крутящего момента. На практике коэффициенты См и Ср не является постоянными, а являются функциями коэффициента быстроходности z. С увеличением значений z коэффициент момента, а значит и сам момент стремится к нулю. В связи с тем, что z = tgЯ (? Е в угол притикання потока в лопасти) уменьшение углов в и? (Угла установки лопасти относительно плоскости вращения) до определенных значений приведет к увеличению См. Но это- по импульсной теории, которая на режиме турбулентного следа является непригодной. В режиме турбулентного следа коэффициент крутящего момента может быть определен на основе теории элемента лопасти по формуле - Сm '= в · Wp2 · (Cy (б) sinв Cx (б) · cosв) · r, b · n где в = ----- - коэффициент заполненона 0,21. Соответственно меняется частота пульсаций скорости воздуха по работающим ветроколесом (ВК). 7 Ветер, имеет скорость более 7 м / с якобы & ldquo; прожимают & rdquo; воздуха между лопастями и скорость потока по ветроколесом увеличивается. Соответственно увеличивается коэффициент использования энергии ветра. Увидеть упомянутую картину можно только в процессе окрашивания потока дымом. В работе приведены результаты расчета частоты пульсаций скорости воздуха при различных значениях числа Струхаля, при этом некоторые результаты вычислений совпадают с результатами измерений на ветроустановке МОД-2 в США. Б. Известно, что в фиксированной точке пространства воздуха имеет турбулентный характер и является случайной функцией времени, которое можно представить в виде t U (t) = Uў (t) + Uсер. = Uў (t) + t-1Ч т U (t ) dt (1) 0 где ф период осреднения; U (t), Uсер. мгновенное и среднее значение скорости ветра; Uў (t) пульсации скорости ветра, является случайной величиной. Имея в виду, что для идеального ветроколеса скорость воздуха за работающими лопастями втрое меньше чем скорость ветра перед ВК, уравнение (1) может быть записано в виде соотношения для идеального ветроколеса t 1 t U2ў (t) + t2-1Ч т U2 (t) dt = - М (U0ў (t) + t0-1Ч т U0 (t) dt) (2) 0 3 0 где U2- скорость потока по ветроколесом; U0- скорость ветра, набегающего на лопасти. Соотношение скоростей идеального ветроколеса в уравнении (2) использовано для последующего создания алгоритма оптимального управления угловым положением лопастей и достижения максимального значения коэффициента использования энергии ветра Ср. Известно, что с помощью преобразования Фурье (частотного изображения) функция от времени может быть преобразована в функцию от частоты 8 U (иW) = т U (t) е-иW ф dt 0 Это значит, что функция от частоты является бесконечной суммой бесконечно малых по размеру векторов, обращающихся на комплексной плоскости с различными угловыми скоростями (частотами) W. по гипотезе известного математика А.М.Колмогорова такая математическая модель может быть отражением реальнои физической картины турбулентного потока. В тех случаях, когда мы имеем дело со ступенчатыми или синусоидальными функциями, вместо преобразования Фурье используется преобразование Лапласа, которое связывает оригинал и изображение следующими интегральными соотношениями 8 U (S) = т U (t) е-st dt; 0 1 августа с + и: U (t) = -------- · т U (s) е-st ds i · 2 · p с и В отличие от преобразования Фурье, здесь изображение функции от времени является функцией не от частоты, а от некоторой комплексной величины S = c + i · W, где с-абсцисса абсолют- __ ной сходимости; i = Ц-1 - мнимая единица. Для большинства функций абсцисса абсолютной сходимости равен нулю, тогда преобразование Лапласа трансформируется в преобразование Фурье, если сделать подстановку S = i · W. Для решения уравнения (2) заданы начальные условия U0 = U2 = 0 и вместо интегрирования применено преобразование Лапласа отдельно в левой и правой части уравнения (2). После преобразования получено F0 + U2 (0) = U2 (s) Ч (s + W2), 1 F0 (s) + U0 (0) = U0 (s) Ч --- М (s + W0). 3 При этом изображение Лапласа одной части уравнения (2) было заменено изображением Лапласа другой части уравнения, поскольку они являются отражением одного и того же процесса 1 --- U2 (s) Ч (s + W2) = L [U0 (t)] 3 Это уравнение представляет собой изображение для ускоренного движения и не учитывает в определенной степени реальных характеристик настоящей турбулентного течения. Математические задачи турбулентности на сегодняшний день не имеют общих методов решения. Возможно лишь решение отдельных задач на теоретико-предполагаемом или статистическом уровне. Наиболее полным статистическим описанием турбулентного течения несжимаемой жидкости является задание степени вероятности частоты пульсаций скорости воздуха на функциональном пространстве возможных полей скорости. В математической статистике основными объединенными характеристиками всегда служат моменты. Момент первого порядка называется математическим ожиданием. При этом роль абсцисс выполняют различные возможные значения случайной величины проекции вектора ускорения потока. Проекция вектора ускорения потока является Скаларною величиной. Для получения моментов необходимо величину проекции вектора ускорения умножить на соответствующую вероятность. & Ldquo; Классическое & rdquo; определение вероятности предполагает, что число элементарных событий является конечным. В диссертации было принято, что число вихрей в турбулентном потоке является бесконечными. В таких случаях & ldquo; классическое & rdquo; определение является непригодным. По этой причине наряду с & ldquo; классическим & rdquo; пользуются также статистическим определением вероятности, беря за вероятность события относительную частоту. В связи с тем, что величина относительной частоты, также как вероятность события не может быть больше единицы, величины

Загрузка...

Страницы: 1 2