Моделирование лопасти ветрогенератора из композиционных материалов

В настоящее время экологические проблемы постепенно становятся одной из главных проблем человечества. Использование разных источников энергии рассматривается с точки зрения не только их мощности и экономичности, но и влияния на окружающую среду [1].

Рост потребления электрической энергии в Байкальском регионе и Монголии заставляет внедрять новые технологии, такие как ветро-, гидроэнергетика, солнечная энергетика.

В работе представлена разработка новой модели лопасти ветрогенератора из слоистых композиционных материалов (КМ) с учетом климатических особенностей Байкальского региона и Монголии. Проведен анализ имеющихся моделей лопасти ветрогенератора и предложена новая численная модель лопасти ветрогенератора из слоистых КМ. Обзор литературы показал, что размер лопасти ветрогенератора зависит от среднегодовой скорости ветра. Расчеты сделаны с учетом среднегодовой скорости ветра 8–12 м/с.

При расчете на прочность лопасти ветрогенератора учитывались ветровой режим, температура воздуха в Байкальском регионе и Монголии. Среднегодовая скорость ветра в Республике Бурятия по районам представлена на рисунке 1 [2].

Среднегодовая скорость ветра в Монголии составляет 4–6 м/с. Юго-восточные районы страны богаты ресурсами энергии ветра, они занимают 41,3 % общей площади страны. В этих районах нередко возникают пыльные бури, скорость ветра может достигать 15–25 м/с. Среднегодовое количество дней с песчаными бурями достигает 120 [2]. На рисунке 2 представлен ресурс энергии ветра Монголии.

При разработке лопатки лопасти ветрогенератора:

• -    выбран профиль сечения для лопасти (для легкого старта основание делается шире, кончик заостряется для уменьшения шума);

• -    подобрано количество лопастей (три лопасти с горизонтальной осью);

• -    подобран угол установки лопасти (оптимальный угол установки лопасти ветрогене-ратора равен 5°);

• -    выбран диаметр ометаемой поверхности (диаметр ротора равен 5 м);

• -    произведен расчет на прочность (расчеты сделаны в системе ANSYS).

Рис. 1. Среднегодовая скорость ветра в Бурятии

Рис. 2. Ресурс энергии ветра в Монголии

pAv v

Сделан расчет лопатки лопасти с учетом энергии ветра , где р - плотность воздуха;

3,14 D ²           2

A = —-— = 0,785 D ² - поверхность лопасти;

v - скорость ветра;

D – диаметр ветроколеса.

Подъемная сила, действующая на неподвижную лопасть ветрогенератора, направлена по окружности:

F = Cy ( ^ V 2, где Сy – коэффициент подъемной силы;

A S - площадь элемента лопасти, м 2 .

Расчет суммарного момента страгивания пропеллера при разных скоростях ветра представлен в таблице.

Таблица

Суммарный момент страгивания пропеллера при разных скоростях ветра

Скорость ветра, м/с	1	2	3	4	5	6	7
Момент страги-вания, Н∙м	0,0749	0,299538	0,67396	1,198153	1,872114	2,69584	3,66934

Проектирование изделий из КМ с использованием современных интегрированных CAD/CAE систем существенно сокращает сроки разработок и затраты на экспериментальную обработку натурных испытаний изделий из слоистых КМ [3].

Разработана методика численного моделирования лопасти ветрогенератора. Вычисление координат первого сечения лопасти выполнено в системе Mathcad. Рассмотрены два варианта расчета.

Первый вариант (рис. 3):

t = 0.1 c = 1 . 2 x = 0,0.01 с

T \                    Y                ( Y 1                 ( Y 1                    ( Y 1                   ( Y 1

y(x) = 1 —I c0,2969 x -0Д2601 —I-0,35161 x I + 0,28431 x I -0,10151 x I ( 0,2 )         cc         ( c )         ( c )          ( c )          ( c )

y ¹ = ^- y ( x ).

Рис. 3. Расчет первого сечения лопатки лопасти ветрогенератора по первому варианту

Второй вариант расчета представлен на рисунке 4:

p = 0,5 yc ( x ) = m

Q(x) = atan

-d- ( yc ^{( x} ) ) dx

xu ( x ) = x - y ( x ) sin( Q ( x ))

yL ( x ) = yc ( x ) - y ( x ) cos( Q ( x ))

y u ( x ) = yc ( x ) + y ( x ) cos( Q ( x )) y L ( x ) = yc ( x ) - y ( x ) cos( Q ( x ))

ycc ( x 1) = m

c ^- x ¹ [ ( 1 - p ) ² J

1 +

Q 1( x 1) = a tan

^d ( ycc ( x 1)) dx 1

yu 1( x 1) = ycc ( x 1) + y ( x 1) cos( Q 1( x 1))

y L 1( x 1) = ycc ( x 1) - y ( x 1) cos( Q 1( x ))

Рис. 4. Расчет первого сечения лопатки лопасти ветрогенератора по второму варианту

Вычисление остальных координат сечений лопатки лопасти ветрогенератора выполнено в системе Excel (рис. 5), моделирование лопасти из КМ проведено в системе NX (рис. 6), расчет на прочность сделан в системе Cosmos (рис. 7, 8).

Рис. 5. Расчет координат сечения лопасти ветрогенератора из КМ

Рис. 6. Моделирование лопасти ветрогенератора из КМ

Рис. 8. Напряженно-деформированное состояние лопатки лопасти ветрогенератора

Рис. 7. Задание распределенной нагрузки (ветровая нагрузка)

Разработанная модель лопасти ветрогенератора будет изготовлена на ЗАО «Улан-Удэнский лопастной завод», ресурсные испытания будут проведены в лаборатории «Надежность, прочность изделий и конструкций» при ВСГУТУ.