Studying the drag of a two-bladed wind turbine in the operating mode.pdf Интерес альтернативных источников энергии в мире стал особенно актуален в последнее время. Для экономии топливно-энергетических ресурсов, снижения негативного влияния на окружающую среду, а также обеспечения электроэнергией регионов требуется развитие возобновляемых источников энергии. Одним из наиболее развивающихся типов возобновляемых источников энергии в мире выступает ветроэнергетика. Из возобновляемых источников энергии наиболее эффективной является вет-роэнергия, хотя ее использование связано с определенными климатическими условиями [1]. Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников и может быть утилизирован в народном хозяйстве в значительно больших масштабах, чем в настоящее время. Потенциальные возможности использования энергии ветра практически неограничены в большинстве зон. Однако эти возможности постоянно меняются в зависимости от совершенствования технических средств. Актуальной задачей является разработка ветродвигателя, который может эффективно работать даже при низких значениях скорости ветра. Особый интерес представляет ветродвигатель на основе вращающихся цилиндров постоянного сечения, который эффективно работает при низких значениях скорости ветра. Для повышения эффективности работы такого ветродвигателя необходимо изучение аэродинамических характеристик вращающихся цилиндров [2]. За цилиндрами при обтекании потоком воздуха появляется вихревая зона обратных течений, которая является причиной появления области пониженного давления в следе за цилиндром. Таким образом, данная задача является актуальной как в научном плане, так и с точки зрения практического использования. Цель работы - исследование силы лобового сопротивления и коэффициента лобового сопротивления двухлопастного ветродвигателя на основе эффекта Магнуса. Для достижения поставленной цели авторами статьи в лаборатории аэродинамических измерений кафедры инженерной теплофизики им. проф. Ж. С. Акылбае-ва собран лабораторный макет из двух вращающихся цилиндров. Экспериментальная установка относится к ветроэнергетическим установкам с использованием эффекта Магнуса. Основной частью экспериментальной модели являются гладкие цилиндры противоположного вращения при диаметрах 5 и 10 см и длинах каждого цилиндра 20 см. Цилиндры крепятся на горизонтальном валу, который поддерживается двумя металлическими стойками с каждого конца вала. Стойки установлены на платформе. На главной оси (вал) крепятся гладкие цилиндры, двигатель, коллекторно-щеточная система и в конце вала - шкив. Методика эксперимента Для того чтобы привести в действие вращения цилиндров, к двигателю через щеточно-коллекторный механизм подается электроток (напряжение). Коллектор установлен на валу и изолирован от него с помощью изоляционного материала. После коллектора ток направляется к генератору, который приводит во вращение цилиндрические лопасти. Ниже приведена схема вращения цилиндров ветродвигателя. Рис. 1. Схема вращения цилиндров ветродвигателя Силу лобового сопротивления и подъемную силу измеряли динамическими весами, установленными в рабочей части аэродинамической трубы. Экспериментальный макет обтекался поперечным воздушным потоком, создаваемым в рабочей части аэродинамической трубы. Цилиндры приводились во вращение с помощью электромотора [3]. Погрешность измерения силы лобового сопротивления составляет 5-6 %. Результаты эксперимента Исследование лобового сопротивления гладких цилиндров проводилось при диаметрах 5 и 10 см и длинах каждого цилиндра 20 см. На рис. 2 и 3 приведены зависимости силы лобового сопротивления двухлопастного ветродвигателя от скорости ветра при диаметрах цилиндров 5 и 10 см. Цилиндры имели следующие угловые скорости вращения: 400, 357 и 315 об/мин. F, H 3 - 2 - 1 n = 400 об/мин n = 357 об/мин n = 315 об/мин 11 Рис. 2. График зависимости силы лобового сопротивления от скорости потока двухлопастного ветродвигателя с вращающимися гладкими цилиндрами. Диаметр цилиндров 5 см, длина каждого цилиндра 20 см 0 13 U, м/с 3 F, H 5 ■ 4 ■ 3 ■ 2 - 1 - 0 t*' n = 400 об/мин n = 357 об/мин n = 315 об/мин - 13 U, м/с 3 11 Рис. 3. График зависимости силы лобового сопротивления от скорости потока двухлопастного ветродвигателя с вращающимися гладкими цилиндрами. Диаметр цилиндров 10 см, длина каждого цилиндра 20 см Из рис. 2 и 3 видно, что силы лобового сопротивления увеличивается с увеличением скорости ветра при числе вращения 400, 357 и 315 об/мин. Сравнивая графики зависимости (рис. 2 и 3), можно увидеть, что при большем диаметре равном 10 см лобовое сопротивление больше. Это связанно с тем, что при увеличении диаметра цилиндра увеличивается миделовое сечение, которое противодействует движению потока. Также с ростом количества оборотов лобовое сопротивление увеличивается. Это объясняется тем, что при увеличении скорости ветра увеличивается напорное давление потока, действующие на переднюю часть вращающегося цилиндра. Таким образом, при увеличении скорости потока будет увеличиваться лобовое сопротивление двухлопастного ветродвигателя. На рис. 4 и 5 представлены графики зависимости коэффициента лобового сопротивления двухлопастного ветродвигателя от числа Рейнольдса. n = 400 об/мин n = 357 об/мин n = 315 об/мин Cx 1,8 ■ 1,6- 1,4- 1,2- 1 4 Re-104 3 1 Рис. 4. График зависимости коэффициентов лобового сопротивления от числа Рейнольдса. Диаметр цилиндров 5 см, длина каждого цилиндра 20 см Cx 1,8-1 n = 400 об/мин n = 357 об/мин n = 315 об/мин 1,6 1,4- 1,2- 1 8 Re-104 4 5 Рис. 5. График зависимости коэффициентов лобового сопротивления от числа Рей-нольдса. Диаметр цилиндров 10 см, длина каждого цилиндра 20 см Из рис. 4 и 5 видно, что при увеличении числа Рейнольдса уменьшается коэффициент лобового сопротивления. Такой характер поведения кривых объясняет физическую картину обтекания вращающихся цилиндров потоком воздуха. Как известно, за цилиндрами при обтекании потоком воздуха появляется вихревая зона обратных течений, которая является основной причиной образования лобового сопротивления цилиндров. Вращающие движения цилиндров приводят к образованию за цилиндрами достаточно объемной вихревой зоны обратных течений, размеры которые зависят от скорости набегающего потока. Заключение Таким образом, при малых скоростях потока, соответствующих малым числам Рейнольдса (2-104 - 6-104), увеличение скорости потока приводит к интенсивному перемешиванию и уменьшению объема вихревой зоны обратных течений. Мы наблюдаем относительно резкое уменьшение коэффициента лобового сопротивления вращающихся цилиндров. При достаточно больших скоростях потока, соответствующих числам Рейнольдса 8-104 и выше, за цилиндрами образуется достаточно сильная интенсивно турбулизованная вихревая зона обратных течений, на размер которой увеличение скорости потока практически не влияет, и как следствие этого, коэффициент лобового сопротивления цилиндров остается практически постоянным. ЛИТЕРАТУРА

Скачать электронную версию публикации