Проектирование лопасти для ветровой энергоустановки мощностью 3 кВт

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 Qy и изгибающего момента Mx в координатной плоскости y-z; Qx и My 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 ne — число точек деления интервала определения е, n=11; ke = 1; 2; ne

Затем находим значения коэффициентов идеальной мощности, соответствующих ek:

(2)

Находим значения коэффициентов концевых потерь, соответствующих ek:

(3)

Находим значения коэффициентов профильных потерь, соответствующих ek:

(4)

Определяем средний по высоте лопасти коэффициент быстроходности:

(5)

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

(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

0,10 746

0,5140

2

0,285

0,634

0,074

0,053

0,952

0,10 959

0,5217

3

0,3

0,646

0,078

0,054

0,951

0,11 141

0,5278

4

0,315

0,656

0,082

0,055

0,950

0,11 293

0,5323

5

0,33

0,665

0,087

0,056

0,949

0,11 416

0,5353

6

0,345

0,672

0,092

0,058

0,948

0,11 511

0,5369

7

0,36

0,678

0,097

0,059

0,947

0,11 579

0,5371

8

0,375

0,682

0,102

0,060

0,946

0,1 162

0,5360

9

0,39

0,685

0,107

0,062

0,945

0,11 637

0,5335

10

0,405

0,686

0,113

0,063

0,943

0,11 628

0,5299

11

0,42

0,686

0,119

0,065

0,942

0,11 596

0,5250

Используя таблицу 3, находим С предв max =0,537 и оптимальный коэффициент торможения еопт= 0,36.

(9)

(10)

1. 2 Расчет относительных параметров геометрии лопасти

Для e = eopt = 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 проектирование 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

0,145 406

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:

цk = вk — бk(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;

Ср— коэффициент мощности, Ср=0,45;

с- плотность воздуха, с = 1. 23 кг/м3;

— рабочая скорость ветра, =8м/с;

з — общий КПД ВЭУ:

,(27)

Где зГ = 0,85 — КПД генератора;

зСП = 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 Ср = f (Z). Эта кривая может быть аппроксимирована при помощи двух парабол -- квадратичной и кубической, если известны значения быстроходности для максимальной (Zmax) и оптимальной (Zopt) мощности.

Правая ветвь характеристики Ср = f (Z) в пределах быстроходности Zopt< Z<Zmax может быть аппроксимирована квадратичной параболой:

(36)

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

(37)

Для ветроколес с лопастями, имеющими в своих сечениях профиль типа «NACA 2414», величины Zopt, Zmax 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 iл имеет вид

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

(38)

Зависимости Zopt(периф) и Zmax(периф) хорошо аппроксимируются такими гиперболическими зависимостями:

(39)

(40)

Кривая зависимости аппроксимируется квадратической параболой:

(41)

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

— для правой ветви

(41)

— для левой ветви

(42)

Для спроектированного ветроколеса упер = 0,15; Zopt = 7,97; Zmax = 15; Cpmax = 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 Qy и изгибающего момента Mx в координатной плоскости y-z; Qx и My 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 Qy и изгибающий момент Mx 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 Qx и изгибающий момент My 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 FKi.

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

0,1 129

0,1 941

0,034

34,938

60,317

591,714

342,745

8309,327

2,000

0,918

0,330

5,933

58,198

5762,047

3,000

0,783

0,281

5,058

49,616

5034,833

4,000

0,636

0,228

4,107

40,286

4189,409

5,000

0,499

0,179

3,225

31,641

3320,482

6,000

0,388

0,139

2,508

24,605

2494,352

7,000

0,288

0,103

1,859

18,242

1740,188

8,000

0,203

0,73

1,313

12,879

1098,243

9,000

0,134

0,48

0,863

8,462

586,516

10,000

0,80

0,29

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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой