Badanie sił aerodynamicznych na łopatach turbin z wykorzystaniem trójskładnikowej wagi aerodynamicznej
Wariant tytułu
The study of aerodynamic forces on the turbine blades with use aerodynamic balance
Autor
Augustyn, Marcin
Promotor
prof. dr hab. inż. Jan Ryś
Data wydania
2012
Data obrony
19.09.2012
Wydawca
[s.n.]
Język
polski
Słowa kluczowe
waga aerodynamiczna, turbina wiatrowa , łopata o przekroju dwuspójnym, moment napędowy, moc jednostkowa
aerodynamic balance, wind turbine, two – coherent cross – section blade, directing unit, propelling moment, unite power
Abstrakt
W pracy dokonano przeglądu stanu techniki w zakresie konstrukcji oraz transformacji energii w obecnie stosowanych siłowniach wiatrowych. Głównym celem pracy jest ocena przydatności wirnika turbiny VAWT o planetarnym ruchu łopat. Opracowana procedura obliczeniowa momentu napędowego i mocy dla wirnika modelu z trzema łopatami, pozwoliła na sporządzenie dokumentacji konstrukcyjnej modelu turbiny. Pomyślnie przeprowadzony test poprawność konstrukcji wirnika w tunelu aerodynamicznym, zapoczątkował prace nad analizą numeryczną kształtu wspomnianych wcześniej łopat, a następnie budowę łopat do badań modelowych w tunelu aerodynamicznym i wyznaczenia ich współczynników aerodynamicznych.
Do pomiaru sił i momentu łopat turbiny, zaprojektowano tensometryczną wagę aerodynamiczną trójskładnikową, z obrotnicą modelu, oraz przeprowadzono cechowanie i ocenę dokładności pomiaru. Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych wyznaczono współczynniki aerodynamiczne modelu łopaty dwuspójnej wirnika turbiny przy dowolnym jej zorientowaniu względem wektora prędkości strugi powietrza. Współczynniki te posłużyły do napisania procedury obliczeniowej momentu napędowego i mocy na jednostkę powierzchni łopaty w trakcie pracy wirnika turbiny z prędkością Vo, oraz wyznaczenia charakterystyki mocy. Wyniki badań mogą posłużyć do budowy turbiny wiatrowej typu VAWT.
Otrzymane wyniki z badań eksperymentalnych pozwoliły także na analizę pracy wirnika dwułopatowego, wykorzystanego, jako wirnik pomocniczy wirnika głównego siłowni wiatrowej o poziomej osi obrotu opisanej w zgłoszonym patencie. Dla zbudowanych modeli łopat turbiny wykonano obliczenia numeryczne wykorzystujące metodę objętości skończonych przy użyciu programu Ansys. Przyjęto identyczną wartości prędkości powietrza jak w badaniach eksperymentalnych tj. 16,28 m/s. Wyniki obliczeń współczynników aerodynamicznych MOS wykazują wyższą wartość niż wartości otrzymane na drodze badań eksperymentalnych, stąd uzasadniona potrzeba laboratoryjnych badań modelowych obciążeń aerodynamicznych.
This paper reviews the state of the art in the construction and transformation of energy in today's wind farms. The main aim is to assess the suitability of the turbine VAWT with the planetary movement of the blades. The developed calculation procedure of torque and power for the rotor model with three blades allowed to model the turbine design documentation. Successfully conducted correctness test of vertical axis rotor design performed in wind tunnel started works on numerical analysis of the blades shape, their design , creation of models for model test in wind tunnel and determination aerodynamic coefficients.
To measure the forces and torque of turbine blades in the aerodynamical tunnel aerodynamic ternary strain-gauge balance with a component rotating the model was designed. Marking and assessment of the accuracy of measurement was performed.
Aerodynamic coefficients for model of the two – coherent cross – section blade turbine at any orientation relative to the velocity of air stream were found on the basis of experimental researches.
These coefficients were used to write computational procedures for the calculation of torque and power per unit area of the blade and to designate the power curve during operation of the turbine rotor with speed Vo. The results can be useful while designing a wind turbine VAWT.
The results of experimental studies also make it possible to analyze the two-blades rotor used as an auxiliary rotor of wind turbine with horizontal axis. Design of an auxiliary rotor is described in the patent application. For constructed models of the turbine blades, using a commercial program Ansys, finite volume analysis were performed.
For numerical analysis there were adopted the same values of the air velocity as in experimental studies (i.e. 16.28 m/s). The results of calculations of aerodynamic coefficients obtained from numerical analysis are higher than those obtained through experimental tests. It follows that a legitimate need of laboratory model studies of aerodynamic loads.
Klasyfikacja PKT
370900 Podstawy budowy maszyn
381500 Rozwiązania konstrukcyjne i wyposażenie przyrządów pomiarowych i aparatury naukowo-badawczej
922700 Ochrona środowiska
370000 Budowa maszyn. Przemysł maszynowy i metalowy
