Дипломдық ЖҰмыс мамандығы 5В060300 «Механика»

Есептелер нәтижесін талдау

жүктеу 10,58 Mb.

бет	17/19
Дата	07.07.2023
өлшемі	10,58 Mb.
	#43109
түрі	Диплом

1 ... 11 12 13 14 15 16 17 18 19

АЛТЫНАЙ ДИПЛОМДҚ ЖҰМЫС (1)

5.3 Есептелер нәтижесін талдау

Бұл бөлімде сандық нәтижелерге қатысты зерттеу жүргізіледі. Тік ості жел турбинасының 3д моделін қолдана отырып әртүрлі төрт түрлі есептеу жасалды. Жасалған есептеулердің әрқайсысы үшін жақын қалақшаның шекаралық қабатының есептеу қасиеттері бірдей сақталды. Барлық есптеулер турбинаның бірдей жұмыс жағдайында сыналды – жылдамдық қатынасы λ = 1,5 және жел жылдамдығы v=20 м/с.

Ағынның Рейнольдс саны жел турбинасы қалақтарының хордасының ұзындығына байланысты анықталады

(27)

Бірінші қатардағы есептеу ұяшықтарының алдын ала орнатылған биіктігі барлық зерттелетін турбинаның жұмыс режимдері үшін жақын қабырға критерийлері y+ < 5 мәндерін береді. Рейнольдс санының мәндері, сондай-ақ барлық зерттелген операциялық режимдердегі y+ критерийлері үшін орташа және максималды мәндер 6-кестеде көрсетілген. y+ критерийлері үшін мәндер төрт түрлі бұрыштық позициялардағы 1 қалақшасына қатысты жақын пышақ торы деректерін өңдегеннен кейін алынады . 42a суретінде әртүрлі есептеу торына қатысты турбина моменті үшін теориялық нәтижелер берілген: тор 1 - 6,6 104 ұяшықтар, тор 2 - 2,15 105 ұяшықтар, тор 3 - 2,78 105 ұяшықтар және тор 4 - 3,32 105 ұяшықтар. Көріп отырғанымыздай, Mesh 3 және Mesh 4 қолдану арқылы алынған айналу моменті қисықтары дәл бір-біріне сәйкес келеді. Бұл нәтижелер арасындағы айырмашылық ∆ ≈ 1,04% деп бағаланады. Бұл Mesh 3-тің тордан тәуелсіз нәтижелерді қамтамасыз ету үшін жеткілікті қасиеттері бар екенін анық көрсетеді. Әрі қарай зерттеуде барлық есептеу торлары Mesh 3-ке эквивалентті етіп орнатылады.

6-кесте. Қабырғаға жақын y+ критерий мәндері

λ	0.5	0.25	0.5	1	1.5	2	2.5
	9600	24000	48000	96000	144000	192000	240000
орташа	0.92	0.97	1.17	1	1.6	1.62	1.74
макс	1.64	1.92	2.1	1.8	3	3	3.17

Турбинаның толық айналымдарының санына қатысты тәуелсіздік зерттеудің нәтижесі орындалды. 42б-суретте жеті толық айналым үшін турбина моментінің өзгеруі көрсетілген. Диаграмма нәтижелердің кезеңділігіне алтыншы революциядан кейін қол жеткізілетінін көрсетеді. 5-ші, 6-шы және 7-ші айналымдар үшін нәтижелер арасындағы айырмашылық ∆ < 1% пайыздан аз деп бағаланады. Төңкерістің тәуелсіздік зерттеуінің нәтижелеріне сәйкес барлық модельдеу алты толық турбиналық айналымға арналған. Ұсынылған нәтижелердің барлығы алтыншы турбиналық революцияға қатысты.

42-сурет. Кейбір есептеу параметрлері бойынша шешімнің тәуелсіздігін зерттеу

42,43-суретте көрсетілген нәтижелер әртүрлі жылдамдық қатынасында турбинаның толық айналымы үшін қалақша тудыратын моменттің лездік мәндерін бейнелейді. 43 a-суретте 1-ші қалақ үшін моменттің λ = 0,1; 0,25; 0,5 зерттелетін ең төменгі жылдамдық қатынасы бойынша бөлінуі берілген. Диаграммадан көрініп тұрғандай, айналу моменті ротордың екі түрлі аймағында айқын пульсациялық сипатқа ие - жоғары ағынды аймақ (270° ≤ θ ≤ 90°) және төменгі ағын аймағы (90° ≤ θ ≤ 270°). 1-қалақша тудыратын моменттің күшті пульсациялық сипаты айналу бұрышының үлкен өзгеруіне байланысты, α > ± 90° бұл динамикалық тоқтаудың пайда болуына әкеледі. Теріс момент мәндері турбинаның бұрыштық позицияларының θ = 60° ÷ 140° диапазонында байқалады. Айналыу моментінің теріс мәндері оң мәндерден үлкенірек. Біріншіден-жылдамдық қатынасының жоғарылауымен моменттің пульсациялары тез азаяды. Екіншіден-жылдамдық қатынасының жоғары мәндері бар жұмыс режимдерінде бұрылу бұрышының вариациясы төмендейді, α < ± 30°. Бұл турбина айналымының көп бөлігінде жеңіл динамикалық тоқтау пайда болған кезде ағынның қалақтарға бекітілген күйінде қалуына мүмкіндік береді. Белсенді (оң) моменттің көп бөлігі турбинаның жоғарғы бөлігінде пайда болады.

Онда турбина қалақтары алдағы кедергісіз ағыннан көбірек энергия алуға қабілетті. Төменгі ағын аймағында айналу моментінің мәні негізінен теріс немесе оң мәнінде аз екенін көруге болады, бұл қалақтардың жоғары ағын аймағында пайда болған және бөлінген құйынды құрылымдармен өзара әрекеттесуіне байланысты. Қалақшаларға құйынды кедергілер көбінесе төмен және орташа жылдамдық қатынасымен сипатталатын жұмыс режимдерінде байқалады. Жоғары жылдамдық қатынасы бар жұмыс режимдерінде энергия алудың төмендеуін тудыратын негізгі фактор турбинаның роторының жоғары беріктігі болып табылады, σ = 0,7. Жоғары қаттылық ротордың өткізгіштігінің төмендеуіне әкеледі, бұл ағынды роторды айналып өтуге мәжбүр етеді және осылайша ағын мен қалақтардың арасындағы энергия алмасуды азайтады.
43-сурет. 1-қалақшаның тудыратын моменттің лездік мәндері

Түрлі жылдамдық қатынасында турбинаның толық айналымы үшін жасалған момент 44-суретте берілген. 44а-суретте жылдамдық қатынасының кіші мәндеріндегі моменттің өзгеруі көрсетілген. Диаграмма моменттің тұрақсыз сипатын және оң және теріс мәндерді бейнелейді. Жоғары жылдамдық арақатынастарының диапазонында (44б-сурет) айналу моментінің айтарлықтай жақсаруын, тұрақсыздықты байқауға болады.

Осы операциялық режимдердің барлық кезеңінде динамикалық стендтің кері әсері әлсірейді. Сонымен қатар, турбинаның толық айналымы кезінде орын алатын аэродинамикалық процестер әрбір 90° сайын қайталанады, бұл турбина қалақтарының (төрт қалақ) санына сәйкес келеді. Турбина жұмысының бұл ерекшелігі айналу моменті қисықтарының төрт шыңы мен төмендеуін түсіндіреді. Ұшу-жылдамдық қатынасында λ = 2, айналу моменті гармоникалық үлестірімге және турбинаның бүкіл айналымы бойынша оң мәндерге ие. Жылдамдық қатынасының жоғарылауымен момент қисықтарының кезеңділігі сақталады және амплитудасы азаяды. Сонымен қатар, бұрылу моменті мәндері теріс аймақтар жылдамдық арақатынасының одан әрі ұлғаюымен пайда болады. Бұл айналу бұрышындағы шағын ауытқулармен сипатталатын тік ості жел турбинасының жұмысына байланысты. Айналудың шағын бұрыштардың ауытқуы турбина қалақтарына әсер ететін аэродинамикалық көтеру күшінің төмендеуіне әкеледі. Диаграммадан көрініп тұрғандай, турбиналық ротордың беріктігі σ = 0,7 үшін λ = 1,5 ÷ 2 жылдамдық арақатынасында моментті бөлудің оңтайлы диаграммалары алынған.
44-сурет. Толық турбиналық айналымға арналған моменттің таралуы
45-сурет. Тік ості жел турбинасының өнімділік сипаттамалары
46-сурет. Тік ості жел турбинасының аэродинамикалық сипаттамалары
Толық турбиналық айналымның өнімділік сипаттамалары 45-суретте көрсетілген. 45а суретінен көрініп тұрғандай, айналу моменті n ≈ 1500 мин. 1-айналу жылдамдығы кезінде Mmax ≈ 3 Нм максималды мәніне ие. Жел роторы n > 100 мин 1-айналу жылдамдықтарының диапазонында белсенді (оң) момент жасайды. 45b-суретте зерттелген жел турбинасы үшін қуат өнімділігінің сипаттамасы берілген. Турбинаның шығыс қуаты теңдеуі бойынша есептеледі. Турбинаның максималды қуаты n ≈ 1800 мин 1 айналу жылдамдығында жеткен Pmax = 480 Вт. Айналым моменті мен қуат коэффициенттері мына теңдеулер арқылы есептеледі:

	(28)
	(29)

мұндағы R – турбинаның радиусы, H – турбинаның биіктігі (2D модельдеу жағдайында ол H = 1 қабылданады).
Қуат пен момент коэффициенттерінің аэродинамикалық сипаттамалары 46а және 46б суретте көрсетілген. Екі диаграмма үшін де максимумдар ұшы жылдамдығы арақатынастарының тар аймағында орналасқан, λ = 1,5 ÷ 2. Ұшу жылдамдығының арақатынасы λ = 1,5 ÷ 2 диапазонында өнімділік қисықтары диапазонында күрт өседі. λ > 2 қисықтар жылдам төмендейді. Мұндай өнімділік беріктігі жоғары жел роторларына тән. Қуат коэффициенті үшін максимум λ = 1,5 ÷ 2 интервалында жетеді.
Теориялық зерттеулердің барлығы v=20 м/с жел жылдамдығымен жүргізіледі. Осыған сәйкес 6-кестеде турбина роторы арқылы өтетін ағынның толық турбулентті болуын қамтамасыз етеді. Бұл жағдай желдің әртүрлі тұрақты жылдамдығында турбинаның өнімділік сипаттамаларын қайта есептеуге мүмкіндік береді, ϑ = 15, 10, 5 м/с. Қайта есептеу мақсатында аэродинамикалық сипаттамалар қолданылады. Моментті қайта есептеу келесі тәуелділіктер арқылы жүзеге асырылады:

	(30)
	(31)

Нәтижелер 47а суретте берілген. Жел жылдамдығының төмендеуімен айналу моментінің максималды мәні күрт төмендейді және оның қисықтары төменгі айналу жылдамдықтарының диапазонына қарай жылжиды. Бір принципті пайдалану арқылы қуат өнімділігі сипаттамалары әртүрлі тұрақты жел жылдамдығында алынады. Нәтижелер 47b-суретте көрсетілген. Жел жылдамдығының төмендеуімен шағын айналу жылдамдықтарының диапазонына қарай жылжу кезінде шығыс қуатының шамасы күрт төмендейтіні анық.

47-сурет.Тік ості жел турбинасының әртүрлі жел жылдамдығы кезіндегі өнімділік сипаттамалары

48-суретте турбинаның 1-қалақшасына әсер ететін, әртүрлі бұрыштық позициялардағы θ лезде қалыпты күштің таралу диаграммалары берілген. Кішкентай бұрыштық жылдамдық қатынасы диапазонында қалыпты күш турбиналық кедергінің операциялық принципінің басым әсерінен ретсіз өзгереді. Турбинаның жұмысы қалақ бетіндегі қысымның таралуында динамикалық өзгерістерді тудыратын массивті құйынды құрылымдардың пайда болуымен және бөлінуімен сипатталады. Қалыпты күштің максимумына 1-қалақ жел бағытына перпендикуляр θ = 90° және θ = 270° бұрыштық позицияларда орналасқанда жетеді. Жылдамдық қатынасының ұлғаюымен турбиналық көтергіш жұмыс принципінің үстемдігінің күшеюіне байланысты қалыпты күштің вариациясы азаяды. Ағынның қалақшаға соқтығысатын бұрышы азаяды және осылайша турбинаның роторының толық айналымы кезінде ағын қалақшаға ұзағырақ бекітіледі. Қалыпты күштің негізгі бөлігі турбиналардың жоғары ағынында пайда болады. Турбинаның ағыс аймағындағы қалақшаға әсер ететін қалыпты күштің мәндері айтарлықтай төмен. Бұл жоғары ағын аймағында пайда болатын құйындармен қалақшаның араласуына байланысты.

Әртүрлі бұрыштық позициялардағы жел турбинасы роторы бойынша қалыпты күштің таралуы 49-суретте көрсетілген. Шағын жылдамдық арақатынастарының диапазонынан көрініп тұрғандай, қалыпты күш үлкен амплитудамен ауытқиды. Қалыпты күш мәндері FN ≈ 40 - 140 Н диапазонында өзгереді. Ұш-жылдамдық қатынасының жоғарылауымен тербеліс синусоидалы таралуды ұстана бастайды. Осылайша, қалыпты күштің орташа мәні өсуде. Күштің таралуының синусоидалы сипаты λ > 2 ұшымен жылдамдық арақатынасында өте байқалады. Еркін синусоидалы пульсациялар жоғары жылдамдық қатынасында турбинаның жұмысына тән бұрылу бұрышының шамалы өзгеруіне байланысты. Бұл операциялық жағдайларда құйынды генерацияның қарқындылығы әлсіз, сондықтан динамикалық тоқтау нәзік болады. Қалыпты күштің орташа мәнінің артуы жылдамдық қатынасына пропорционал. Бұл жел турбинасы роторы арқылы өтетін ағынға қатысты өткізгіштігінің төмендеуіне байланысты.
48-сурет. Пышақ 1-ге қалыпты күш әрекетінің лездік таралуы
49-сурет. Толық турбина айналымы үшін қалыпты күш таралу
50-сурет. Қалыпты күш өнімділігі және аэродинамикалық сипаттамалар

50а-суретте турбинаның роторына әсер ететін қалыпты күштің өнімділік сипаттамасы берілген. Диаграмма қисығы турбинаның бұрыштық жылдамдықтарының барлық жұмыс диапазоны арқылы өсу сипатына ие. Қалыпты күштің ең үлкен мәні nmax≈2500min-1 ең жоғары айналу жылдамдығына жетеді.
51-сурет. Әртүрлі тұрақты жел жылдамдығындағы қалыпты күш

Қалыпты күш коэффициенті мына теңдеумен есептеледі:

(32)

Турбинаның қалыпты күш коэффициентінің аэродинамикалық сипаттамасы 50б-суретте көрсетілген. Аэродинамикалық сипаттама қалыпты күш пен айналу жылдамдығының мәндерін әртүрлі тұрақты жел жылдамдықтарында, ϑ = 15, 10, 5 м/с қайта есептеу үшін қолданылады. Қайта есептеу мына теңдеулер арқылы жүзеге асырылады:

	(33)
	(34)

Қайта есептеу нәтижесінде әртүрлі тұрақты жел жылдамдықтарында қалыпты күштің операциялық сипаттамаларының тобы алынады. 51-суретте қайта есептелген диаграммалар берілген. Графикадан көріп отырғанымыздай, жел жылдамдығының төмендеуімен қалыпты күштің шамасы азаяды. Қалыпты күштің қайта есептелген қисық сызықтары шағын мәндер диапазонына қарай сызықты емес жылжиды.
Жел турбинасы жұмысы кезінде болатын аэродинамикалық құбылыстарды түсіндіру үшін қалақ 1 айналасындағы ағын әртүрлі бұрыштық позицияларда бейнеленеді. λ = 0,5 және λ = 2 жылдамдық қатынасымен сипатталатын екі түрлі операциялық режим үшін ағынның үлгілері зерттеледі. Ұшу жылдамдығының қатынасы λ = 0,5 кезінде бұрылу бұрышы теңдеуіне сәйкес 0° пен 90° арасында өзгереді. Бұрылу бұрышының өзгеруінің кең ауқымы ағынның қарқынды бөлінуіне және осылайша терең динамикалық тоқыраудың пайда болуына әкеледі. λ = 2 жылдамдық арақатынасында бұрылу бұрышы 0°-тан 30°-қа дейінгі аралықта өзгереді, бұл жағдайда ағынның бөліну қарқындылығы әлсізден орташаға дейін болады және тек жеңіл динамикалық тоқтау орын алады. 52-суретте Δθ = 10° өсімімен θ = 0° ÷ 180° бұрыштық позициялар диапазонында 1-қалақшасының айналасындағы ағынның турбулентті қарқындылығы бейнеленген.
Ұшу жылдамдығының арақатынасы λ = 0,5 болған кезде қалақ θ = 0° ÷ 40° бұрыштық позициялар диапазонынан өткенде ағын оған жабысып қалады. Бұл бұрылу бұрышының ұлғаюына байланысты айналу моментінің біртіндеп көтерілуіне әкеледі. Қалақшаның θ = 40° бұрыштық күйінде қалақтың артқы жиегіне жақын жерде құйынның дамуының басталуы байқалады. Бұл бұрыштық позицияда α ≈ 27° болады.
Келесі бұрыштық қадамда θ = 50° қалақшаның алдыңғы жиегінің жанында құйынды құрылымның дамуы басталады. Келесі бұрыштық позициялар кезінде құйынды құрылымдар өсіп, пышақ бетін айтарлықтай өзгертеді. Бұл пышақ бетіндегі қысымның таралуына әсер етеді, бұл көтеру және тарту күштерінің жоғарылауына әкеледі. Сол күштердің ең жоғары мәні θ = 90° кезінде байқалады.

52-сурет. λ = 0,5 және λ = 2 жылдамдық қатынасында қалақ 1 айналасындағы ағынның турбулентті қарқындылығы

Келесі пышақтың бұрыштық қадамында, құйындылар төгілуде, бұл көтеру күшінің кенет төмендеуіне әкеледі. Райт бұдан кейін жаңа құйынды құрылымның дамуы қалақшаның алдыңғы жиегі аймағында басталады, бұл көтеру күшінің сәйкес өсуін тудырады. Көтеру күшінің өсуі құйынды мөлшері аз болғандықтан алдыңғыға қарағанда аз. Пышақ θ = 100° ÷ 150° бұрыштық позициялар диапазонынан өткенде қарқынды құйынды тудыру және қалақшаның алдыңғы және артқы жиегінен төгілу байқалады. Бұл көтеру және тарту күштерінің қатты ауытқуына әкеледі. θ = 150° ÷ 180° диапазонында қалақ турбинаның жоғары ағыс аймағында пайда болатын құйындыларға кедергі жасай бастайды. Ағынның жоғарғы құйындылары қалақ соңғы аймақ арқылы өтуге үлгермей тұрып, ағынмен төменгі аймаққа тасымалданады. Қалақшаның бүкіл ағынды аймақ арқылы өтуі интенсивті құйынды төгумен сипатталады. Бұл пышаққа әсер ететін аэродинамикалық күштердің жоғары жиіліктегі ауытқуларына әкеледі. Жоғары жиілікті ауытқулар 43-суретте, 44-суретте, 48-суретте және 49-суретте сандық түрде берілген.

Көріп отырғанымыздай, λ = 2 жылдамдық қатынасында 1 қалақшасының айналасындағы ағын құрылымдары алдыңғы жұмыс режимімен салыстырғанда айтарлықтай қарапайым. Бұл турбинаның жоғары перифериялық жылдамдығына байланысты, бұл кезде бұрылу бұрышы шағын диапазонда өзгереді.
Ағын θ = 0° ÷ 100° бұрыштық позициялар диапазонында қалақшаға бекітілген күйінде қалады. Бұл диапазон ішінде пышақ шығаратын момент біртіндеп артады. θ = 110° бұрыштық позицияда пышақ қасында құйынды пайда болады. Осы позициядағы сәйкес бұрылу бұрышы α ≈ 30°. Пышақ θ = 180° бұрыштық позицияға қарай жылжыған сайын құйынды құрылымның көлемі үлкейеді және нәтижесінде ажырайды. Бұл жұмыс режимінде (λ = 2) 1 қалақшаға қысымның таралуы турбинаның жоғары ағыны аймағынан өту кезінде күрт өзгерістерге ұшырамайды. Бұл турбинаның айналуы кезінде аэродинамикалық күштердің ауытқуының төмендеуіне әкеледі. Қалақша құйындысының бөлінуі әлсіз, бұл жарық динамикалық стендтің пайда болуына әкеледі.
Турбиналық ротор арқылы екі түрлі жұмыс режимінде өтетін ағынның визуализациясы 53 - суретте көрсетілген. Ұсынылған ағын өрістері турбинаның θ = 50° бұрыштық позициясындағы турбуленттік қарқындылықты бейнелейді. Көрнекіліктер екі операциялық режим арасындағы ағын құрылымдарындағы елеулі айырмашылықты көрсетеді. Ұшу жылдамдығының қатынасы λ = 0,5 (53а-сурет) турбинаның θ = 90° бұрыштық күйінен кейін дамыған массивті құйынды құрылымдар қалақтардан ажырайды. Құйындар турбина роторы арқылы қозғалады және төменгі ағыс аймағындағы қалақтарға кедергі жасайды. Бұл турбина роторы мен ағын арасындағы энергия алмасудың нашарлауына әкеледі. Жылдамдық қатынасында λ = 2 (53б-сурет) құйынды генерацияның қарқындылығы айтарлықтай төмендейді.
53 c-суретте және 53 d-суретте θ = 50° бұрыштық позицияда турбина роторы арқылы өтетін ағын жылдамдығының өрістері берілген. Ұшу жылдамдығының қатынасы λ = 0,5 кезінде турбиналық ротордың өткізгіштігі жоғары болады. Ротор арқылы өтетін ағын тұрақты емес жылдамдық өрісін көрсетеді. λ = 2 жылдамдық қатынасында турбинаның айналу жылдамдығы артады, бұл турбина роторы арқылы ағын жылдамдығының төмендеуіне әкеледі. Бұл төменгі ағынды аймақта қалақтардың жергілікті жылдамдық қатынасының жоғарылауына әкеледі. Жергілікті жылдамдық қатынасы берілген бұрыштық позициядағы қалақтың жақын жылдамдығының шамасымен және турбиналық ротордың шеткі жылдамдығымен анықталады.
53-сурет. Турбиналық ротор арқылы құйынды құрылымдар және ағын жылдамдығының таралуы

Жергілікті жылдамдық қатынасын былай жазуға болады:

(35)

мұндағы u – турбинаның перифериялық жылдамдығы, ϑL – берілген бұрыштық позициядағы қалақшаға жақын жергілікті жылдамдық.
53d-суретке сәйкес θ = 220° ÷ 310° бұрыштық позициялар диапазонындағы қалақшаның жақын жылдамдығының шамасы ϑL ≈ 4 м/с аспайды. Турбинаның перифериялық жылдамдығы жылдамдық қатынасы λ = 2 кезінде u = 40 м/с және теңдеу бойынша. Қалақ ұшының жылдамдығының жергілікті арақатынасы λL = 10. Жоғары жергілікті ұштық жылдамдығының арақатынасы өзгеріс диапазонының бұрылу бұрышының төмендеуіне әкеледі (λL = 10 кезінде α = ± 5,5°). Осылайша, әсіресе турбинаның төменгі ағыны аймағында қалақтарды көтеру күші төмендейді.
Турбина роторының артындағы құйынды жолдар 54-суретте көрсетілген. Жылдамдық қатынасы λ = 0,5 болғанда, құйынды жол турбинаның артындағы үлкен қашықтыққа массивті түрде таралады. Ал λ = 2 жылдамдық қатынасында құйынды іздің қарқындылығы әлсіз. Бұл турбинаның артындағы салыстырмалы түрде қысқа қашықтықта құйынды іздің жылдам таралуына әкеледі.
54-сурет. Турбина роторы арқылы және артында ағынның визуализациясы

жүктеу 10,58 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 ... 11 12 13 14 15 16 17 18 19