WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


Pages:   || 2 |

«РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИКО-ЛАЗЕРНЫХ МЕТОДИК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ ИМ. С.С. КУТАТЕЛАДЗЕ

СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

КАБАРДИН

Иван Константинович

РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИКО-ЛАЗЕРНЫХ

МЕТОДИК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор, Меледин Владимир Генриевич доктор физико-математических наук, доцент, Окулов Валерий Леонидович Новосибирск – 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор работ предшественников.

1.1. Аэродинамика ротора и структура вихревого следа

1.2. Экспериментальная диагностика закрученных течений

1.2.1 Контактные методы

1.2.2 Оптико-лазерные методы диагностики

1.3. Обледенение и методы его диагностики

1.3.1.Прямые методы диагностики обледенения

1.3.2. Косвенные методы определения обледенения

Выводы по главе 1

Глава 2. Применение оптико-лазерных методик для исследования вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора

2.1. Описание водяного канала и используемого оборудования.................. 58

2.2. Модель ротора ветрогенератора

2.3. Описание использованных методик измерения

2.3.1. Визуализация

2.3.2. Метод цифровой трассерной визуализации

2.4. Результаты визуализации течения

2.5. Реконструкция 3-х компонентного поля скорости и оценка погрешностей измерений

2.6. Определение областей ближнего и дальнего следа и сравнение с классическими теориями ротора

2.7. Измерения силовых характеристик

2.8. Расчет поля завихренности, определение положения вихрей............. 102 Выводы по главе 2

Глава 3. Анализ пульсационных характеристик в следе за ротором.

.... 112

3.1. Число Струхаля как безразмерный критерий динамического подобия потоков

3.1.1. Описание использованного оборудования

3.2. Исследование вихревого следа

Выводы по главе 3

Глава 4. Развитие оптико-лазерных методов диагностики наледи.

....... 124

4.1. Развитие абсорбционного метода диагностики наледи

4.2.Развитие оптико-лазерного метода диагностики наледи на основе эффекта полного внутреннего отражения

4.2.1Описание метода

4.2.2.Алгоритм обработки изображений

2.2.3. Калибровки и экспериментальные результаты

4.2.4. Ограничения метода

4.2.5.Альтернативный алгоритм обработки изображений

4.2.6. Систематическая погрешность при обработке изображений........... 136 4.2.7. Применение метода для диагностики наледи на лопастях............... 137 Выводы по главе 4

Выводы по работе

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ Актуальность.

В последнее время наблюдается интенсивный рост ветроэнергетики. Ее статус изменился от одиночных альтернативных источников энергии до индустриального использования в сетевых электростанциях. Сегодня она стала важнейшей составляющей мирового энергетического потенциала, с интенсивным ее использованием в отдельных странах. Например, на конец 2013 года в Дании с помощью ветрогенераторов было произведено 28 % всего электричества, в Португалии — 19 %, в Ирландии — 17 %, в Испании — 22 % и в Германии - 9 %. Это ставит ветроэнергетику в ряд самых приоритетных направлений развития мирового производственно-энергетического комплекса. За последние 15 лет суммарные установленные мощности возросли от 7,4 до 283 ГВт. В связи с этим интерес к задачам ветроэнергетики у исследователей значительно возрос.

Данная работа направлена на повышение эффективности ветрогенераторов, которые для увеличения эффективности часто объединяют в ветроэлектростанции - в большие парки или группы, расположенных друг за другом ветряков. Такая конфигурация требует оптимизации рабочих режимов для ветрогенераторов, расположенных в вихревом следе за предыдущим, с целью повышения их эффективного использования в ветроэлектростанциях и интегрирования в энергетическую систему.

Отклонение от расчетного оптимального режима работы турбин обычно сопряжено с их эксплуатацией при высоком уровне нестационарных пульсаций течения из-за взаимодействия с его вихревыми структурами следа за ротором в областях с пониженной скоростью ветра. Данные вихревые следы является источником повышенных нестационарных пульсаций на лопатках следующей турбины, что увеличивает их вибрационную нагрузку и, следовательно, уменьшает срок эксплуатации ротора турбин. Поэтому особый интерес представляет задача исследования механизма формирования, развития неустойчивости и разрушения следа за ротором. В настоящее время исследование и управление нестационарными явлениями в следах за роторами ветрогенераторов с целью минимизации их негативного воздействия является приоритетной задачей. Следует подчеркнуть, что существующая сейчас практика решения этой проблемы базируется на поиске локальных средств устранения конкретного негативного нестационарного явления, обнаруженного при создании или эксплуатации конкретных установок, а целенаправленного изучения научно-технической проблемы в целом до сих пор не проводилось.

Другой причиной, почему данная проблема, несмотря на долгую историю существования ветрогенераторов, остается не до конца изученной, была недостаточность развития средств диагностики нестационарных интенсивно-закрученных течений, которые представляют самостоятельный интерес и всегда возникают в следах за роторами.

Еще одна проблема, возникающая при эксплуатации ветрогенераторов в суровых климатических условиях России и северных стран, связана с изменением аэродинамики ротора при обледенении его лопастей.

Обледенение лопастей является причиной множества проблем для ветрогенераторов. В случае крайней степени обледенения вследствие существенного изменения веса лопастей иногда даже становится невозможным запустить турбину в рабочем режиме, что может вызвать потери производства энергии в течение достаточно длительных промежутков времени. Кроме того, накопление льда на лопастях турбины нарушает аэродинамику, может уменьшить количество произведенной энергии и перегрузить турбину. Обледенение лопастей также ведет к лишней нагрузке на лопасти, что увеличивает их износ и усталость, сокращая время работы турбины. Наличие наледи на лопастях при их вращении имеет опасность неконтролируемого отрыва ледяных кусков с краев лопатки. Это опасно для обслуживающего персонала, может повлиять на общественное признание использования энергии ветра или потребует использование больших площадей для ограждения вокруг ветровых турбин. Меры по предупреждению и борьбы с обледенением хорошо себя зарекомендовали, но, несмотря на существенный прогресс в этой области, существует недостаток надежных методов диагностики обледенения, необходимых для запуска и контроля работы анитиобледенительных систем.

Предшественниками были испытаны различные методы и датчики, но все они пока не дают удовлетворительного результата.

Целью диссертационной работы является исследование вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора с помощью современных бесконтактных оптико-лазерных методов диагностики и развитие оптиколазерных методик диагностики обледенения его лопастей.

Задачи исследований.

1. Экспериментальное исследование и диагностика оптико-лазерными методами вихревых структур, возникающих в следе при обтекании ротора ветрогенератора. Определение их геометрических и топологических свойств для разных режимов течения за ротором модели ветрогенератора.

2. Изучение изменения пульсационных характеристик следа за ротором и определение закономерностей их развития. Классификация областей развития вихревого следа на основе его пульсационных характеристик.

3. Разработка оптико-лазерных методик, позволяющих проводить бесконтактные дистанционные измерения и мониторинг обледенения.

Научная новизна.

Впервые экспериментально оптико-лазерными методами в водяном канале изучена полная структура вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора на расстоянии порядка 5 диаметров за ротором при различных значениях быстроходности и при низких значениях пульсаций набегающего потока.

На основе восстановленного поля завихренности по измеренным полям скорости методом цифровой трассерной визуализации (particle image velocimetry, PIV) в различных проточных сечениях потока за ротором определенно положение концевых вихрей и восстановлена топология трехмерной вихревой структуры следа.

Для областей развития течения в следе впервые проведена классификация не только традиционным способом - по коэффициенту торможения, но и по характерным частотам в спектре пульсационных характеристик следа, измеренных лазерным доплеровским анемометром (ЛДА).

В дальнем следе было обнаружено преобладание низкой частоты в следе. Соответствующее этой частоте число Струхаля было равно 0,23 и не зависело от режимных параметров работы ротора. Экспериментальная диагностика дальнего следа показала, что указанному числу Струхаля соответствует прецессирующий крупномасштабный винтообразный вихрь в дальнем следе. При помощи метода PIV восстановлена его структура.

Предложены два оптико-лазерных метода диагностики наледи. Одним из развитых методов является модифицированный абсорбционный оптический метод для диагностики наледи. Метод является бесконтактным и быстродействующим, обладает малой погрешностью, прост в реализации.

Выполнена экспериментальная оценка погрешности метода. Показано, что абсорбционный оптический метод позволяет выполнять полевые измерения, в качестве эксперимента было проведено измерение толщин волновой пленки на поверхности вращающегося диска. Показано, что погрешность модифицированного абсорбционного оптического метода измерения не превышает 10 %.

Впервые разработан оригинальный оптико-лазерный метод диагностики геометрических параметров наледи, основанный на эффекте полного внутреннего отражения света. При регистрации ряда последовательных изображений достигается возможность динамически регистрировать поле толщины наледи. Предлагаемый метод является бесконтактным и позволяет проводить мониторинг и натурные измерения.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Полученные новые данные о развитии пульсационных характеристик следа за ветроколесом важны для описания его динамики и разрушения, а также для оценки его воздействия на соседнюю турбину ветроэлектростанции.

При экспериментальном изучении вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора была усовершенствована методика комплексной оптиколазерной диагностики нестационарных вихревых течений, что позволит в дальнейшем использовать предложенный подход для изучения широкого класса закрученных течений и получать в физическом эксперименте не только качественные, но и высокоточные количественные данные о пространственной структуре винтообразных вихревых течений.

Развитый оптико-лазерный метод для диагностики геометрических параметров может быть успешно использован для диагностики обледенения на лопастях ветрогенератора. Метод является бесконтактным, обладает простой калибровкой и эффективен в применении.

Методы и подходы исследования. В ходе выполнения работ применены подходы экспериментальной бесконтактной оптической диагностики нестационарных закрученных потоков жидкости, основанных на лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), анемометрии маркированных частиц - цифровой трассерной визуализации (PIV) и скоростной визуализации. Для определения производительности модели ветрогенератора, определения момента и напора использовались методы тензометрии.

Экспериментальное моделирование вихревых течений и диагностика оптико-лазерными методами позволили получить достоверные количественные данные об исследуемых физических процессах с контролируемой погрешностью измерений. В частности, при лазернодоплеровской диагностике течений погрешность измерения скоростей не превышала 2 %, а при диагностике течений с помощью стереоскопической системы цифровой трассерной визуализации (PIV) была менее 5 %. Кроме того, в работе предложено развитие оптико-лазерного метода диагностики геометрических параметров наледи на основе полного внутреннего отражения. Предлагаемый метод является бесконтактным, обладает погрешностью, не превышающей 10%. Быстродействие данных методик ограничивается только используемой камерой и источниками света.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию и выносимые автором на защиту получены соискателем самостоятельно. Постановка задач исследования и научная проблематика разрабатывалась диссертантом как единолично, так и при участии член-корр.

РАН, д.ф.-м.н. С.В. Алексеенко, д.т.н. В.Г. Меледина, д.ф.-м.н. В.Л. Окулова и д.т.н. Наумова И.В., что обеспечило комплексный подход к изучению темы.

В опубликованных совместных работах лично автором:

1) проведены эксперименты, описанные в диссертации, получены и обработаны экспериментальные данные, проведен их анализ;

2) отработана методика оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений на основе комплексного использования ЛДА и PIV измерительных технологий;

3) разработан оптико-лазерный метод диагностики геометрических размеров наледи на основе полного внутреннего отражения.

Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

Основные положения, выносимые на защиту:

Анализ топологии и динамики концевых вихрей за лопастями ротора, основанный на построении поля завихренности по измеренным значениям поля скорости.

Сопоставление выделения разных зон вихревого следа и их классификация по изменению в пульсациях осевой скорости или трансформации коэффициента торможения ветра вниз по потоку за ветрогенератором.

Анализ числа Струхаля и диагностика крупномасштабных осцилляций скорости в дальнем следе за ротором.

Экспериментальное подтверждение основных гипотез и теорий ротора.

Оптико-лазерный метод диагностики геометрических параметров наледи, основанный на эффекте полного внутреннего отражения света.

Достоверность результатов обеспечивается использованием в работе универсальных и отработанных методов и устройств экспериментальной бесконтактной диагностики, таких, как ЛДА, PIV, скоростная визуализация, разработанные методы, а также детальным анализом характеристик используемых установок и устройств, задающих параметры течения, данными тестовых экспериментов, повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами. Результаты тестовых экспериментов согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течений, а также с опубликованными результатами аналитических исследований и численным расчетом исследуемых конфигураций и режимов вихревых течений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: XLIV, XLV, XLVI Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, Россия, 2006, 2007, 2008); 9-й международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2007), 9, 10, 11 и 12 Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Новосибирск, Россия, 2006, 2008, 2010 и 2012), 3, 5, 7, 10 и 11-й Международной научно-практической конференции “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности“ (СанктПетербург, Россия, 2008, 2009, 2010, 2011,2012), III и IV международных конференциях «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках»

(Москва, Россия, 2008,2010), Conference The Science of Making Torque from Wind 2012 (Oldenburg, Germany, 2012), X, XI международных конференциях «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»

(Алушта, Украина, 2012, 2013 ), 9th European Fluid Mechanics Conference (Rome, Italy, 2012), 5th and 6th International topical team workshop on Twophase systems for ground and space application (Kyoto, Japan, 2010, Trieste, Italy, 2012), «Новые нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

(Новосибирск, Россия, 2013), а также на научных семинарах ИТ СО РАН.

Ряд работ автора получил высокую оценку и признание специалистов.

Среди них цикл работ, ставших основой развития методов диагностики обледенения на вращающихся поверхностях, посвященный развитию модифицированного абсорбционного оптического метода диагностики волновой пленки жидкости и оптическому методу измерения мгновенной толщины пленки жидкости на основе полного внутреннего отражения. Он был отмечен: Дипломом I степени на XLIV Конференции «Студент и научнотехнический прогресс»; Дипломом III степени за публикацию в сборнике трудов конференции IX Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, НГУ, 2006; Дипломом II степени на XLV Международной Научной Студенческой Конференции «Студент и научнотехнический прогресс», НГУ 2007; Дипломом III степени XLVI на Международной Научной Студенческой Конференции «Студент и научнотехнический прогресс», НГУ 2008. За эту работу автор был удостоен именной стипендии им. С.С. Кутателадзе ИТ СО РАН в 2006 г., а сама работа была отобрана комиссией для участия в федеральном конкурсе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» XLV Международной Научной Студенческой Конференции «Студент и научно-технический прогресс», НГУ 2008, (грант «У.М.Н.И.К.», 2008 год).

Другая работа, посвященная исследованию вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора, была награждена дипломом 2-й степени на Всероссийской конференции молодых ученых «Новые нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», ИТ СО РАН, 2013.

Результаты, представленные в диссертации, Публикации.

опубликованы более чем в 40 научных работах, в том числе в 8 работах из перечня ВАК, среди которых 6 статей в ведущих научных журналах.

Получены 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 153 страницы, включая 78 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 111 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, выполнен анализ развиваемого научного направления, сформулированы наиболее важные научные результаты.

В первой главе был выполнен обзор литературы с оценкой существующих методов для диагностики вихревого следа. Проведен краткий сравнительный анализ ограничений традиционных экспериментальных методов диагностики и определены условия их применимости. Выполнен обзор методов бесконтактной оптической диагностики вихревых течений на предмет исследования вихревых потоков жидкости.

В настоящее время современные подходы для бесконтактной оптической диагностики широкого класса явлений, таких как нестационарные потоки жидкости и газа в различных приложениях, основаны на следующих основных технологиях – ЛДА, цифровая трассерная визуализация (Particle Image Velocimetry – PIV), теневых и интерференционных методах, а также классе методов (ЛИФ, КАРС и т.д.), основанных на спектральном анализе динамического светорассеяния.

Установлено, что в отличие от зондовых методов, возмущающих исследуемое течение и требующих калибровки и введения поправок, и интегральных интерферометрических оптических методов, оптико-лазерные методы, реализующие измерение скорости в световом сечении, очень привлекательны в современных гидродинамических исследованиях, особенно при исследованиях границы перехода к нестационарным режимам вихревых течений. Методы позволяют получать экспериментальные данные в удобном формате для верификации численных моделей потока. При этом данные о полях скорости представляются с высоким пространственно временным разрешением, необходимым для детального сравнения с результатами численных расчетов.

Анализируя публикации по данной тематике, можно прийти к следующим выводам.

• Хотя ветровая турбина - одно из самых старых устройств для утилизации энергии ветра, остаются не полностью описанными аэродинамика ее ротора и развитие вихревых следов за ним.

• Наиболее сложную структуру, оказывающую существенное влияние на характеристики работы турбины, имеет нестационарный след за ротором турбины. Явления в следе осложняются наличием системы концевых вихрей, взаимодействующими между собой и центральным вихрем, изменяющие свои и его интенсивности. Несмотря на многолетние исследования следа и достаточно ясную качественную картину его развития, проблема его высокоточного диагностирования еще полностью не решена.

• Знания качественной картины потока явно недостаточно как для изучения возможности снижения негативных последствий от вихревой системы, формирующей след в потоке воздуха за ветровой турбиной, так и для уточнения и развития методов расчета течения в межлопастном пространстве и следе за ротором ветрогенератора.

Кроме того, точная диагностика образующейся вихревой системы позволит более точно оценивать потери на неоптимальных режимах работы турбины, связанные с индуцируемыми вихрями следа скоростями в плоскости ротора. По этим причинам необходимо использовать самые современные высокоточные методы диагностики для изучения потока за ротором турбины.

Дополнительно был проведен обзор методов для диагностики обледенения на лопастях ветрогенераторов и выполнен краткий сравнительный анализ экспериментальных методов, определены условия их применимости и установлены ограничения для их использования.

Анализ литературных источников показал, что методы диагностики обледенения могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на определении изменения некоторых физических свойств в результате образования льда. К таким свойствам относятся масса, отражающие свойства поверхности, электрическая или тепловая проводимость, изменение коэффициента диэлектрической проницаемости и т.д. Косвенные методы, в основном, основаны на отслеживании погодных условий, приводящих к обледенению. Например, влажности и температуры, или по наличию воздействия наледи на процесс выработки энергии (по снижению производства электроэнергии).

У всех описанных методов существует ряд недостатков. Косвенные методы, как правило, не могут определить количество образовавшегося льда, а могут лишь указать на высокую вероятность обледенения. Исследование прямых методов показало, что ряд методов не обладает необходимой чувствительностью. Другие методы предполагают расположение датчиков на кабине ветрогенератора, но не могу быть применены при измерении наледи на лопасти.

Лучшими методами измерений являются те, которые позволяют проводить измерения на концах лопастей. Это связано с тремя факторами.

Первый фактор - обледенение зависит от относительной скорости ветра, а она на конце лопасти достигает гораздо большего значения, чем на оси.

Второй фактор - лопасти у современных ветротурбин при вращении могут достигать до 180 метровой высоты, что на 80 метров дальше, чем кабина турбины, что приводит к взаимодействию их концов с низко плывущими облаками. Третий фактор - лопасти контактируют с большим объемом воздуха, и поэтому на них может образоваться большее количество льда.

Из обзора доступных сегодня диагностик обледенения показано, что пока не существует методов, которые полностью отвечают потребностям обнаружения обледенения на лопастях ветрогенераторов.

В главе 2 исследован вихревой след за водяной моделью ротора ветрогенератора для разных режимов его работы и параметров эксперимента.

Исследования выполнены в водяном канале оптико-лазерным PIV методом.

Производительность ротора определена прямым измерением передаваемого от потока на ротор крутящего момента для режимных параметров, определяемых значениями быстроходности в диапазоне = 3-8.

Измеренная максимальная производительность ротора достигалась при его быстроходности равной 5, совпадающей с расчетным конструктивным значением.

След был изучен на расстоянии порядка 5 диаметров вниз по потоку от ротора. Проведена его визуализация флуоресцентными чернилами, измерены и проанализированы поля скоростей в продольных и поперечных сечениях потока вокруг ротора и в следе далеко за ним методами PIV.

Определена граница между областями ближнего и дальнего следа на основе анализа роста и убывания коэффициента торможения осевой скорости.

В главе 3 исследованы пульсационные характеристики в следе за ротором методом ЛДА. При анализе спектров пульсаций скорости обнаружено преобладание низкой частоты в дальнем следе.

Соответствующее ей значение числа Струхаля составляет порядка 0.23 и не зависит от параметров эксперимента. Анализ полей скорости в дальнем следе показал наличие крупномасштабной осцилляции винтообразной формы.

Были определены различные области следа согласно новой классификации, проведенной на основе анализа спектров пульсаций осевой компоненты скорости. В ближнем следе обнаружено, что динамика следа определяется возмущениями, связанными с частотами вращения ротора и лопаток, а в дальнем - с ярко выраженными колебаниями с частотой Струхаля.

В главе 4 описано развитие двух оптико-лазерных методов диагностики наледи. Первый метод основан на явлении полного внутреннего отражения света границей раздела двух сред. Суть метода заключается в следующем. На твердой светорассеивающей поверхности под толщей наледи создается источник света. В результате преломления света на границе раздела сред ледвоздух и полного внутреннего отражения возникает изображение светового кольца на светорассеивающей поверхности. Оценка геометрических параметров освещенной зоны дает информацию о толщине наледи и ее наклоне в зоне измерения. По главной диагонали аппроксимирующего освещенную область эллипса определяется толщина наледи.

В основе второго метода диагностики наледи лежит явление ослабления интенсивности света, проходящего через поглощающую среду.

Интенсивность света, проходящего через вещество, изменяется по экспоненциальному закону. Поле прохождения света через это вещество интенсивность света в каждой точке будет зависеть от толщины поглощающего слоя.

Глава 1. Обзор работ предшественников.

В данной главе представлен обзор по задачам диагностики обледенения и вихревого следа в ветроэнергетике, проанализированы отечественные и зарубежные информационные источники. Выполнен обзор методов диагностики обледенения на лопастях ветрогенератора. Выполнен обзор методов для диагностики вихревого следа. Проведен краткий сравнительный анализ экспериментальных методов диагностики, ограничений традиционных методов и определения условий применимости известных методик.

1.1. Аэродинамика ротора и структура вихревого следа

Современные ветровые турбины часто группируются в большие парки с целью повышения их эффективности и обеспечения необходимой мощность в электрической сети. Однако при определенных направлениях ветра использование ветряков в группах затруднено (вплоть до поломок) из-за взаимодействия с устойчивыми пульсациями в вихревых следах от турбин, расположенных вверх по течению. Эти вихревые следы является источником недопустимых нестационарных пульсаций в ветровой энергетике, что увеличивает вибрационную нагрузку и, следовательно, уменьшает срок эксплуатации ветровой турбин. Поэтому крайне актуальной является задача нахождения механизмов их неустойчивости и разрушения.

Развитие аэродинамики ротора всегда было связано с интенсивным развитием соответствующей отрасли техники, причем теоретические исследования здесь всегда существенно опережали экспериментальную диагностику течений. Отправной точкой создания элементарной теории ротора следует считать первые попытки решения проблем пароходного мореплаванья с использованием гребных винтов. В результате появилась простейшая теория гребного винта Рэнкина-Фруда или теория нагруженного диска [1], который, как считалось, соответствовал ротору с бесконечным числом лопастей. В начале ХХ века развитие роторной аэродинамики стимулировал бурный рост авиации. В то время доминировали две научные школы: в России - Н.Е. Жуковского [2] и в Германии - Л. Прандтля с его учеником А. Бецом [3]. Они, по сути, сформулировали новую вихревую концепцию ротора, вполне пригодную для расчета ротора с конечным числом лопастей и описания структуры вихревого следа. Однако ими была предложна только концепция с двумя типами вихревых следов: в виде лопастных концевых вихрей с суммарным центральным, но противоположного знака (рис. 1.1а); либо в виде системы винтообразных вихревых пелен, сходящих с лопастей (рис. 1.1б).

В 1929 г. для роторов Беца, генерирующих след в виде пелены, было найдено решение в [4]. Только недавно ротора Жуковского с любым конечным числом лопастей были найдены аналитические решения [5]. В результате теоретических решений для обоих роторов было установлено, что, в приложении к ветровым турбинам, они дают разные результаты: ротор Беца – позволяет получить большее значение крутящего момента при одинаковом торможении ветра на колесе, а ротор Жуковского - дает большее значение момента при одинаковой быстроходности роторов [6, 7]. Данный теоретический анализ выявил существенное влияние формы следа на характеристики турбогенераторов и установил приоритетный характер для его экспериментального исследования.

(а) (б) Рис. 1.1 Вихревая система: (а) за ротором Жуковского [2]; (б) за ротором Беца [3] Экспериментальная аэродинамика ротора развивалась несравненно хуже теории ротора, иногда становясь препятствием для утверждения правильных гипотез, а часто, напротив, из-за неверной трактовки наблюдений давала пищу для развития ложных концепций. Например, в начале прошлого века неверное восприятие и трактовка эксперимента Парсонсом более 30 лет не позволяли утвердиться верной теории несущего диска Фруда [1].

В самом деле, течение за вращающимся лопаточным колесом является очень сложным и требует специальных методов и приемов диагностики для своего правильного описания. Между тем в первых экспериментах в начале ХХ века Фламм в Германии и Рябушинский в России использовали простейшие методы: визуализацию воздухом вихревой структуры за винтом в воде и определение неоднородностей поля течения за счет отклонения бумажных полосок или волосков в следе за ротором.

Затем наступил достаточно продолжительный период изучения средних характеристик закрученного течения в следе за ротором сначала разными контактными методами – трубками Пито, термоанемометрами, а потом и бесконтактными (ЛДА, PIV) измерителями скорости [8 - 21].

Положительным здесь оказалось то, что удалось получить первые численные оценки скоростей в следе за ротором, однако вместе с осреднением потерялась важная информация о вихревой структуре течения, которая фиксировалась при визуализации и использовалась при создании вихревых теорий ротора (рис. 1 и 2). Знание о течении в среднем, конечно, было ограниченным и не оправдало ожиданий, как в развития теории, так и для верификации численных расчетов. Наверное, поэтому последнее, наиболее полное экспериментальное исследование структуры течения за корабельным винтом, снова базируется на визуализации в сочетании с измерением доплеровским анемометром поля течения в нескольких поперечных сечениях вихревого следа с фазовым осреднением для полного восстановления неоднородности поля скоростей в тестируемых сечениях [22].

В настоящее время развитие исследований в области аэродинамики ротора определяет бурное развитие ветроэнергетики. Однако, несмотря на то, что ветрогенератор - одно из самых старых устройств преобразования энергии воздушного потока [23], некоторые важнейшие аспекты его аэродинамики полностью еще не исследованы. Как показала мировая практика, наиболее эффективное использование ветроустановок возможно при их эксплуатации в составе групп или парков ветровых турбин. При таком их использовании необходимо дополнительно исследовать аэродинамику дальнего следа [24]. Действительно, поток воздуха позади воздушной турбины определяется системой следа, состоящего из интенсивных долгоживущих винтообразных вихревых структур, срывающихся с кромок вращающихся лопастей. При определенных условиях (направление ветра и т.д.) некоторые турбины в парке могут оказаться в вихревом следе от впередистоящей турбины, что приведет к существенной периодической нагрузке на их конструкцию, снизит их эффективность и сократит штатный срок эксплуатации. Очевидно, что возможность разрушения вихревого следа полезна для работы турбины в парках.

Поток позади роторных систем, таких как вертолеты, ветровые турбины и пропеллеры, состоит из винтообразной вихревой системы следа, которая формируется на лопасти [25,26]. Процесс вихреобразования по существу описывается законом Био-Совара. Как и в теории (рис. 1.1), в эксперименте она состоит из интенсивных концевых вихрей и суммарном осевом вихре и формируется непосредственно позади ротора в ближнем следе (1.2а)., Состоящая из осевого и концевых вихрей вихревая система, в большинстве случаев, неустойчива. Из-за различных механизмов развития возмущений, в конечном счете, она разрушается и формирует маломасштабную турбулентность далее вниз по течению (рис. 1.2б).

–  –  –

Рис. 1.2. Визуализации дальнего следа за ветрогенераторами: (а) устойчивый режим и (б) неустойчивый режим с распадом следа (данные RISO, Дания).

Таким образом, вихревой след может быть разделен на две отличных части, называемых ближним и дальним следом. Особенности ближнего следа связаны с формированием вихревой системы, в которой влияние ротора непосредственно сказывается на его формировании. Дальний след обычно расположен значительно ниже по течению, и там динамика следа больше не зависит от определенных характеристик ротора, а поток разрушается в результате доминирующей мелкомасштабной турбулентности [27].

Современные ветрогенераторы часто группируются в большие группы или парки, где турбины, расположенные в глубине парка, находятся в следе, формируемым окружающими турбинами стоящими вверху по потоку. Это увеличивает вибрационную нагрузку и, следовательно, уменьшает срок эксплуатации ветровой турбин. В большинстве случаев система вихрей становится нестабильной и разрушается. Очевидно, что, если ветровая турбина будет находиться в следе, когда крупные вихри еще доминируют, прочностная нагрузка будет существенно больше, чем, когда вихревая система уже разрушилась. Для судовых винтов дестабилизация системы концевых вихрей может иметь большое влияние на конструкцию и форму корпуса. Конечно, есть существенные различия между судовым винтом и ротором ветрогенератора, особенно важен факт, что ветровые турбины извлекают энергию из потока и создают расширяющийся след, тогда как пропеллеры добавляют энергию к потоку и генерируют сужающийся след.

Однако проблема нестабильности вихревого следа, подобна для обоих типов роторных систем [26,28].

Анализируя публикации по данной тематике, можно придти к следующим выводам.

• Хотя ветротурбина - одно из самых старых устройств преобразования энергии ветра, все еще остаются нерешенными вопросы роторной аэродинамики, особенно связанные с формированием и развитием следов за рабочими колесами. Новые исследования в данном направлении будут способствовать успеху в области конструирования ветрогенераторов для более эффективной утилизации энергии ветра.

• Наиболее сложную структуру, оказывающую существенное влияние на характеристики работы турбины, нестационарный поток имеет за ротором. Явления в центре потока осложняются наличием системы вихрей, взаимодействующих между собой и центральным вихрем и изменяющих свою структуру и интенсивность. Наличие в потоке позади ветровой турбины этой сложной вихревой системы приводит к нестационарности поля скорости и появлению пульсаций давления.

Несмотря на многолетние исследования и достаточно ясную качественную картину течения, проблема высокоточного диагностирования вихревых структур не решена.

• Знание качественной картины потока явно недостаточно как для изучения возможности снижения негативных последствий от вихревой системы, формирующей след в потоке воздуха за ветровой турбиной, так и для уточнения и развития методов расчета течения в межлопастном пространстве и за ротором ветровой турбины.

Кроме того, точная диагностика образующейся вихревой системы позволит более точно оценивать потери на неоптимальных режимах работы турбины. По этим причинам необходимо использовать высокоточные методы диагностики потока за ротором турбины.

1.2. Экспериментальная диагностика закрученных течений

Измерительные приборы, применяющиеся для измерения сложных турбулентных потоков должны иметь высокое пространственное и временное разрешение. Сейчас особое внимание уделяется разработке современных методов диагностики, позволяющих выполнять синхронные измерения в очень сложных нестационарных и интенсивно закрученных вихревых потоках. Такие потоки возникают позади рабочих колес реальных ветрогенераторов или в вихревых потоках, генерируемых в различных модельных устройствах, широко применяемых в вихревых технологиях.

В качестве экспериментальных моделей этих течений и для отработки новых методик диагностики зачастую используются достаточно простые конструкции. Например, в ИТ СО РАН и Датском техническом университете (ДТУ) для этих целей используется цилиндрический контейнер с вращающимися дисками, которые можно рассматривать как простейшую модель роторов турбины с бесконечным числом лопастей. В исследованиях, выполненных на этих установках, были разработаны методы диагностики нестационарного развития вихревых течений, связанные с распадом одиночного вихря в устойчивую вращающуюся мультиспиральную структуру, подобную структуре концевых вихрей за ротором [29,30]. Эти исследования позволили выработать рекомендации для использования описанных подходов для диагностики винтообразных концевых вихрей в следах за роторами.

В настоящее время современные методики бесконтактной оптической диагностики основаны на следующих основных технологиях:

• теневых и интерференционных методах;

• цифровой трассерной визуализации (общепринятое международное наименование – Particle Image Velocimetry – PIV) [31];

• лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) [32];

• класса методов, основанных на спектральном анализе динамического светорассеяния (ЛИФ, КАРС и т.д.) [33-36].

Под оптическими подразумеваются методы, основанные на регистрации изменения характеристик собственного или внешнего излучения, или регистрации изменения оптических свойств. При этом широкое использование лазеров для различных измерений обусловлено их высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью излучения, возможностью использования в модулируемом, непрерывном и импульсном режимах [31, 36].

В монографии Дубнищев Ю.Н. и др. [35] обсуждаются методы измерения локальных кинематических параметров и полей скоростей потоков, основанные на селекции доплеровского сдвига частоты в свете, рассеянном исследуемой средой. Гильберт-оптика излагается в контексте задач визуализации и измерения полей фазовой оптической плотности. В свою очередь для оптической диагностики газовых потоков на аэродинамических установках широко используются панорамные оптические измерения, детально представленные в монографии Бойко В.М. и др. [34], когда экспериментальные данные представляются в виде изображений. Для визуализации структуры потока применяются теневые и интерференционные методы, а так же методы лазерного ножа с использованием эффектов рассеяния зондирующего лазерного излучения на присутствующих в потоке светорассеивателях. Интерференционные методы могут использоваться для визуализации и регистрации полей плотности, тепловых потоков и поверхностного трения.

Как правило, оптические методы классифицируются по следующим основным категориям [34].

1. Методы, основанные на регистрации собственного излучения объекта. Регистрация интенсивности и спектрального распределения характеристического излучения позволяет идентифицировать объект, его форму, плотность, температуру и скорость.

2. Методы, основанные на просвечивании объекта излучением внешнего источника. К недостаткам можно отнести интегральный характер изменения параметров волны, по всему пути зондирующего излучения, что затрудняет применение в трехмерных потоках.

3. Методы, основанные на регистрации излучения молекул газа, возбуждаемого в результате различных внешних воздействий и физико-химических процессов в исследуемой среде.

4. Методы, основанные на регистрации рассеянного в среде лазерного излучения. Являются наиболее универсальными для регистрации кинематических характеристик нестационарных потоков жидкости и газа. Позволяют проводить как локальные, так и панорамные (полевые) измерения в трехмерных потоках с высоким пространственным и временным разрешением. В настоящее время являются самыми универсальными и информативными, однако требуют использования мощных источников лазерного излучения и чувствительных фотоприемников.

Следует отметить, что дополнительно к оптическим методам, в гидродинамическом эксперименте, для исследования локальных турбулентных, потоков широко применяются контактная термоанемометрия [37], а так же электродиффузионный метод [38-40].

1.2.1 Контактные методы

Термоанемометрия Термоанемометрические методы измерения скорости потока основаны на использовании свойства металлического проводника изменять свое сопротивление при изменении температуры. В основе измерительных приборов лежит использование миниатюрного металлического преобразователя (нити), нагреваемой электрическим током и помещаемой в исследуемую точку потока. Интенсивность отвода тепла от нити зависит от скорости жидкости в исследуемой области. Изменение сопротивления нити егистрируется чувствительной мостовой схемой, в одно из плеч которой включен преобразователь. При помощи предварительной калибровки устанавливается прямая зависимость между изменением скорости потока и сопротивлением датчика. Эта схема используется в термоанемометрах постоянного тока.

Существует и другая разновидность термоанемометров, поддерживающих сопротивление датчика постоянным. Это достигается путем подачи через систему с обратной связью переменного тока на датчик для компенсации отвода тепла от последнего. Использование одновременно двух/трех термоанемометрических датчиков позволяет измерять две/три компоненты вектора скорости потока [41].

Ввиду малости чувствительных элементов датчиков их возмущающее действие на поток является незначительным, что позволяет добиться высокой локальности измерений. Кроме того, термоанемометры обладают малой инерционностью и поэтому чувствительны к флуктуациям потока, что позволяет сравнительно точно измерять высокочастотные пульсации скорости (до 500 кГц) [38]. Следует также отметить, что термоанемометрические методы измерений имеют достаточно низкий уровень шума. Существенным источником погрешности при использовании термоанемометрических методов является эффект утечки тепла к державкам датчика, что требует постоянной калибровки датчика.

Электродиффузионный метод В основе электродиффузионного метода лежит измерение скорости электрохимической реакции на поверхности датчика. При реализации данного метода в поток электролита помещается два электрода: катод малого размера и анод, имеющий большую площадь [39]. Катод является датчиком измеряемой гидродинамической величины. При возникновении между электродами постоянного напряжения, на их поверхности происходит быстрая электрохимическая реакция диссоциации, в результате которой концентрация активных ионов приближается к нулю. В этом случае скорость электрохимической реакции, а, следовательно, и измеряемый ток в цепи лимитируется диффузией активных ионов к катоду, которая, в свою очередь, определяется гидродинамикой потока.

Практически при измерении гидродинамических характеристик течений жидкости широко используются две электрохимические системы:

феррицианидная и трийодидная.

В феррицианидной системе электролит состоит из раствора ферри- и ферроцианида калия (K3Fe(CN)6 и K4Fe(CN)6) с концентрацией в пределах 10-35.10-2 М. Кроме того, рабочий раствор должен содержать в большом количестве фоновые ионы, не участвующие в реакции на электродах, но создающие высокую электропроводность, исключающую процесс миграции активных ионов. В трийодидной системе электролит представляет собой раствор йода I2 и йодистого калия KI в воде. Йодистый калий является одновременно и реагирующим и фоновым веществом. На электродах протекает обратимая электрохимическая окислительно-восстановительная реакция.

По сравнению с такими традиционными методами измерения, как термоанемометрия и ЛДА, он имеет ряд особенностей, благодаря которым его использование часто оказывается более предпочтительно при исследовании локальных турбулентных потоков. Одним из преимуществ данного метода является возможность использования датчиков малых размеров, увеличивая тем самым пространственное разрешение. В отличие от термоанемометрических методов преимуществом электродиффузионного метода является предельная простота первичной измерительной аппаратуры.

Кроме того, при использовании такого метода не возникает эффектов, аналогичных утечкам тепла к державкам нити термоанемометра. Основным преимуществом этого метода является возможность измерения касательного напряжения на стенке [39]. В то же время применение данного метода часто ограничено необходимостью использования специального электролита, а, следовательно, и узким набором материалов, пригодных для изготовления экспериментальных установок. Применение данного метода существенно затруднено при проведении экспериментальных исследований на значительных по размеру замкнутых установках, и невозможно на проточных экспериментальных участках [40]. Отдельной проблемой является поддержание чистоты и стабильности рабочего раствора.

1.2.2 Оптико-лазерные методы диагностики

Для исследования динамики вихревого течения и его кинематических характеристик наиболее перспективно использование оптико-лазерных методов, не вносящих возмущений в исследуемый гидродинамический поток. В настоящее время существует несколько бесконтактных (оптических) методов диагностики одно и двухфазных течений. В практике гидродинамического эксперимента часто используются “качественные методы” или методы визуализации, позволяющие определять в пространстве характерные особенности потока - скачки уплотнения, наличие вихревых структур, возникновение области ламинарно - тубулентного перехода и т.д.

Визуализация параметров потока Теневые и интерференционные методы позволяют регистрировать интегральные по пути распространения зондирующего излучения параметры потока [34, 35]. Регистрируемые при этом изображения дают представление об общей геометрии потока, и, с использованием априорной информации о симметрии течения (например, плоское оно или цилиндрическое), позволяют выделить данные о пространственном распределении регистрируемого параметра. Однако в общем случае данные методы не позволяют сформировать полное представление о пространственной структуре вихревого течения. При решении подобных задач в гидродинамическом эксперименте широко используются методы, основанные на регистрации в рассеянном свете изображения засеивающих поток частиц (маркеров) в некотором сечении потока, выделенного с помощью плоского лазерного пучка - лазерного ножа. Поскольку в гидродинамическом эксперименте подобрать размеры и плотность засеивающих поток жидкости частиц особой трудности не представляет, можно утверждать, что вектор скорости засеивающих поток частиц близок к вектору скорости самого вихревого потока.

Методы стробоскопической визуализации в выделенном сечении (PIV, PTV) Среди бесконтактных инструментов для исследования гидродинамической структуры течений методы цифровой трассерной визуализации занимают особое место благодаря возможности регистрации мгновенных пространственных распределений скорости. Данное преимущество является особенно важным при изучении сдвиговых течений, включая струи, следы, слои смешения и другие, содержащие крупномасштабные вихревые структуры, информация о которых частично теряется при применении локальных методов диагностики. Кроме того, применение полевых методов дает возможность получения информации о динамике вихревых структур и их масштабе, расчета дифференциальных характеристик, пространственных и пространственно-временных корреляций, а также статистических характеристик потока [31, 42, 43].

Измерение мгновенного поля скорости потока в этих методах основано на измерении смещения специальных частиц (трассеров), добавляемых в рабочую среду и освещаемых источником света (обычно импульсный лазер), за фиксированный интервал времени. Размер, плотность и объемная концентрация частиц таковы, что связанными с их влиянием на поток жидкости эффектами можно пренебречь. Измерительным сечением потока считается плоскость, освещаемая «световым ножом». Образы частиц регистрируются на камеру. Последующая обработка изображений позволяет рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света и построить двухкомпонентное поле скорости. Рассчитанные двухкомпонентные значения векторов являются проекциями реальных (трехмерных) векторов на плоскость, перпендикулярную оптической оси регистрирующей образы частиц аппаратуры. Для определения трех компонент скорости используют, как правило, два регистрирующих модуля, оптические оси которых ориентированы под определенным углом друг к другу.

Одним из основных элементов методов стробоскопической визуализации является обработка получаемых в эксперименте изображений.

Различают несколько модификаций количественной стробоскопической визуализации в зависимости от концентрации трассеров и, соответственно, методов обработки. В качестве критерия обычно используется плотность образов частиц N на изображениях. При N 1 применяются подходы, в основе которых лежит анализ перемещений каждой частицы (PTV – Particle Tracking Velocimetry), при N 10 проводится анализ спекловых картин (LSV – Laser Speckle Velocimetry), при N ~ 1 применяются корреляционные алгоритмы обработки, в которых все поле течения разбивается на элементарные измерительные области, и для каждой из них вычисляется корреляционная функция сдвигов частиц (PIV – Particle Image Velocimetry) [44].

Погрешность метода во многом определяется характеристиками измерительной системы и параметрами эксперимента. Точность измерения смещения трассеров зависит от локальных параметров потока и получаемого изображения, по которому это смещение рассчитывается. Поэтому в общем случае можно указать только характерное значение погрешности. Основной вклад в погрешность PIV измерений вносит неточность измерения перемещений частиц.

Еще одним, наименее изученным аспектом является влияние пространственного разрешения метода РIV, имеющее большое значение при измерении характеристик турбулентных течений. В то время как погрешность измерения мгновенной скорости обычно не превышает 5 ограниченное пространственное разрешение метода может приводить к погрешности определения дифференциальных характеристик до 90%. Это делает актуальным развитие подходов оценки эффекта пространственного разрешения РIV на измеряемые характеристики турбулентности.

–  –  –

Метод PLIF Суть PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) подхода заключается в добавлении флуоресцентного красителя (например, Rhodamine) в рабочую жидкость [45]. Выбранное сечение потока освещается «лазерным ножом», при этом краситель переизлучает поглощенный свет как плоскость определенной толщины. Камера регистрирует свечение красителя с использованием соответствующего оптического фильтра, подавляющего излучение лазера. Пузыри, находящиеся в непосредственной близости к плоскости лазерного ножа, отражают и преломляют излученный красителем свет, формируя яркие кольца на изображении. Для измерения скорости жидкости данный PLIF подход может быть использован в комбинации с PIV.

Для этого в поток добавляются флуоресцентные трассеры, при этом с помощью одной камеры на изображении одновременно регистрируются как образы пузырей, так и образы трассеров. Для того чтобы разделить образы пузырей (колец) и образы трассеров (ярких точек) изображения подвергаются обработке при помощи процедур фильтрации, бинаризации, разделения по размерам и маскирования.

Метод PLIF обладает несколькими существенными преимуществами.

Область осреднения этого метода практически не зависит от расстояния до измерительного сечения, если глубина резкости объектива достаточно велика. Кроме того, метод PLIF может быть без труда применяться вместе с PIV в тех случаях, когда размер наиболее маленьких по размеру пузырей значительно превосходит размер трассеров.

Метод теневой фотографии Одним из наиболее часто используемых методов является PIV/LIF, основанный на применении подхода PIV к флуоресцентным трассерам совместно с методом теневой фотографии [46, 47]. В этом случае с помощью метода теневой фотографии (МТФ) фиксируют формы и определяют размеры пузырей или капель, а также их мгновенное распределение в потоке.

Причем для одновременного применения этих двух подходов используют два источника света с различными длинами волн излучения. Как правило, это лазер для PIV и светодиодная матрица с диффузным экраном для МТФ, работающие в импульсном режиме, и две синхронизованных с ними и между собой камеры со светофильтрами.

Метод теневой фотографии основан на освещении двухфазного дисперсного потока диффузным источником излучения и регистрации образов пузырей (капель), находящихся в потоке, камерой, расположенной на одной линии с источником света с противоположной стороны канала. С применением одной камеры данный подход позволяет зарегистрировать только двухмерное распределение пузырей (капель) в потоке. Метод позволяет определить положения пузырей в плоскости камеры, однако их положение вдоль оси камеры в таком случае остается неизвестным. Для того чтобы вычислить все три координаты положения каждого пузыря необходимо одновременное использование двух систем камера-источник излучения, расположенных перпендикулярно друг другу. Таким образом, две камеры видят поток с разных сторон, что в результате позволяет определить распределение пузырей во всем измерительном объеме.

Как показано в недавней работе Бильский А.В. и др. [48], основной трудностью в реализации трехмерной конфигурации данного метода является синхронизация работы камер и анализ изображений, полученных с них одновременно. При этом необходимо сопоставить образы пузырей, зарегистрированных камерами, и реконструировать мгновенное пространственное распределение пузырей в потоке. Это требует наличия громоздких с точки зрения компьютерных ресурсов алгоритмов. Также необходимо отметить, что МТФ хорошо работает при малых (примерно до 1%) объемных содержаниях пузырей в потоке. Однако с увеличением объемного газосодержания быстро возрастает вероятность перекрытия образов пузырей на изображениях камеры, что, в свою очередь, сильно ухудшает точность определения размеров пузырей.

LDA/PDA В настоящее время широко применяемым методом измерения скорости потока является лазерный доплеровский анемометр – LDA. Принцип работы LDA основаны на выделении доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, рассеянного на частицах, изначально присутствующих в потоке или искусственно введенных. Метод измерения широко распространенной дифференциальной схемой ЛДА заключается в измерении доплеровского частотного сдвига сигнала с фотоприемника и определении скорости частицы при фокусировке двух лазерных пучков, распространяющихся под некоторым известным углом друг к другу, в исследуемой "точке" потока [33, 35]. При движении частицы через эту "точку" интенсивность рассеянного ею света колеблется с некоторой частотой, пропорциональной нормальной составляющей скорости к интерференционным полосам и равной согласно эффекту Доплера

0 1 cos, (1.1) c

где – угол между направлением распространения волны и направлением скорости частицы. При удалении частицы от источника, она воспринимает меньшую частоту колебаний, чем частота колебаний источника 0, при приближении частицы, наоборот, частота будет больше. Если угол = 90°, то частоты и 0 в нерелятивистском случае совпадают. При этом частота рассеянной волны, которую будет воспринимать неподвижный приемник, выражается формулой

–  –  –

где – угол между направлением рассеяния волны и направлением движения источника. В этом случае частота рассеянных движущейся частицей волн равна частоте воспринимаемых ею колебаний.

В предположении, что /c 1, получается соотношение, которое лежит в основе доплеровского метода измерения скорости:

pac = 0 1 ( cos cos ). (1.3) c Основными преимуществами данного метода являются бесконтактность, высокая локальность (геометрически малая зона измерения и вследствие этого высокое пространственное разрешение) позволяющая идентифицировать мелкомасштабные структуры потока, а также высокая частотная характеристика по сравнению с другими оптическими методами измерений. К недостаткам метода можно отнести то, что измерения являются квазиточечными и разнесены во времени нерегулярными промежутками в виду прямой связанности измерений с наличием частиц в измерительном объеме. Метод Phase Doppler Anemometry (PDA) является расширением LDA, их принципы работы очень схожи. Различие состоит лишь в том, что в случае метода PDA используются дополнительные приемники когерентного света, разнесенные по угловому спектру для оценки размеров частиц, имеющих сферическую форму. Использование источников когерентного света с различными длинами волн, частотного либо временного разделения измерительных каналов делает возможными измерения трех компонент вектора скорости потока.

IPI/GPD Методики IPI (Interferometric Particle Imaging) и GPD (Global Phase Doppler) измерения размеров частиц дисперсной фазы являются относительно новыми и основаны на регистрации интерференционных картин, получающихся при наложении в плоскости матрицы камеры отраженных и единожды преломленных лучей поверхностью пузыря или капли [41]. Для засветки исследуемого потока в IPI методе используют один лазерный нож, в GPD – два лазерных ножа, пересекающихся под некоторым углом. Оптическая конфигурация регистрирующего оборудования одинакова для обоих методов, отличаться может только угол обзора.

Число интерференционных полос на регистрируемых образах пузырей или капель пропорционально размеру частицы. При этом размер образа частицы на изображении не является функцией ее действительного размера, а зависит от ее положения по отношению к лазерному ножу. Таким образом, изменение размера образа частицы на изображении между двумя последовательными кадрами может быть использовано для вычисления компоненты скорости частицы, нормальной к лазерному ножу. Две компоненты скорости, находящиеся в плоскости лазерного ножа, получают с помощью двойного импульсного лазера без преобразования изображения между импульсами, как в методе PTV [49].

Степень перекрытия образов пузырей определяется главным образом положением лазерного ножа и его толщиной. С увеличением расстояния от фокусной плоскости до лазерного ножа увеличивается максимальный измеряемый диаметр частицы, однако, при этом существенно увеличивается вероятность перекрытия образов. При использовании методики GPD этот эффект может быть устранен с помощью использования другого набора интерференционных полос и более короткого расстояния до фокусной плоскости. Другая возможность – использование оптического сжатия путем установки щелевой диафрагмы перед камерой.

К основным недостаткам интерферометрических методов можно отнести необходимость выполнения критерия малости частиц по сравнению с толщиной лазерного ножа, а также то обстоятельство, что не все частицы, находящиеся в измерительном сечении, формируют интерференционную картину на изображении [49]. Кроме того, интерферометрические методы, как и, например, метод теневой фотографии, могут использоваться только для диагностики двухфазных дисперсных течений с малыми объемными содержаниями частиц дисперсной фазы (до 1%).

Таким образом, можно сделать вывод, что в отличие от зондовых методов, возмущающих исследуемое течение и требующих калибровки и введения поправок, и интегральных интерферометрических оптических методов, оптико-лазерные методы, реализующие измерение скорости в световом сечении, очень привлекательны для современных гидродинамических исследований, и особенно для исследований границы перехода к нестационарным режимам вихревых течений. Применение оптико-лазерных методов проясняет понимание многих физических явлений в вихревых потоках, таких как вихревые следы, движение и эволюция вихревых структур, распад вихря и срыв потока при больших углах атаки.

Методы позволяют получать экспериментальные данные в удобном для верификации численных моделей потока формате. При этом для детального сравнения с результатами численных расчетов, данные о полях скорости представляются с требуемым высоким пространственно-временным разрешением.

1.3. Обледенение и методы его диагностики

В настоящее время наблюдается большой интерес к эксплуатации ветрогенераторов в холодных климатических условиях, на гористых или холмистых участках, где высокий потенциал ветра часто связан с чрезвычайными погодными условиями и обледенением вращающихся частей турбины. По данным Европейского Союза (ЕС), для обеспечения запланированных 40000 МВт в Европе к 2015 году, 10-20 % ветроэлектростанций будут установлены в регионах с суровыми климатическими условиями, где обледенение должно быть принято во внимание при проектировании воздушных турбин и их компонентов.

Естественно, что данная проблема еще более важна для развития ветроэнергетики в России и других странах с относительно холодным климатом. Обледенение не только дает приращение веса лопастей и увеличивает нагрузку на элементы турбины, уменьшая сроки ее эксплуатации, но и меняет профиль лопасти, ухудшая аэродинамику турбины, что приводит к снижению ее эффективности и изменяет формируемый вихревой след. Поэтому изучение обледенения вращающихся лопастей ветряков является актуальной для повышения эффективности современных ветроустановок научно-технической проблемой.

Ветроэнергетика будет играть важную роль в будущей системе энергообеспечения в регионах с суровыми климатическими условиями. Уже сейчас большинство крупных ветроэлектростанций планируется построить в местах, где холодный климат и атмосферное обледенение могут вызвать серьезные проблемы. Этот факт дополнительно подчеркивает актуальность и важность решения вопросов обледенения ветрогенераторов.

Перечислим проблемы, связанные с обледенением. Лед, наросший на лопатки ротора, нарушает аэродинамику лопатки, что приводит к усилению их вибраций. Когда эти вибрации достигают критического значения, турбину приходиться останавливать, чтобы не допустить поломки ветрогенератора [50]. Кроме того, образовавшийся на лопасти лед приводит к увеличению коэффициента сопротивления и снижению подъемной силы профиля лопасти, увеличивает его сопротивление [51]. Обледенение может сократить производство мощности от нескольких процентов (при незначительном обледенении) до полной потери мощности, когда на лопастях образуется слишком большое количество льда [5251].

Обледенение лопастей ротора может вызвать дисбалансы массы, которые приводят к сокращению срока службы ветрогенератора в связи с увеличением вибраций и нагрузок [53]. Если лопасти покрыты льдом, опора ветрогенератора также страдает от дополнительных нагрузок [54].

Передняя острая кромка лопатки ротора на ветровой турбины при работе в зонах холодного климата может накопить значительное количество льда, который может отколоться от лопасти. Отрыв образовавшегося льда таит в себе опасность для жизни людей, живущих поблизости от ветрогенераторов.

Расстояние, на которое отлетает кусок отколовшегося льда, определяется геометрией куска льда, углом поворота ротора, скоростью вращения ротора, локальным радиусом и скоростью ветра. Количество наросшего льда зависит от нескольких факторов, но наиболее важными являются температура, влажность и длительность обледенения. Геометрия лопасти также играет роль в процессе обледенения[55].

Традиционно выделяются два основных типа обледенения: облачное обледенение и осадочное обледенение.

Основными механизмами обледенения в приложении к ветряным турбинам являются:

1) Облачное обледенение;

а) иней;

I) мелкий иней;

II) крупный иней;

б) Наледь;

2) Осадочное обледенение;

–  –  –

Кроме терминов, указанных в таблице, могут быть использованы другие характеристики, например, прочность к сжатию и на сдвиг.

Условия, при которых происходит обледенение. Таблица 1.2.

–  –  –

На практике различные типы наледи могут образовываться при различных атмосферных условиях (таблица 1.2).

Облачное обледенение происходит, когда маленькие переохлажденные капли воды, составляющие облака и туман, осаждаются из воздуха и примерзают к лопасти ветрогенератора. Эти капельки воды могут оставаться в жидком состоянии в воздухе при температурах до - 35°C из-за небольшого размера, но они могут конденсироваться на осаждаемой поверхности. В зависимости от размеров капель и температуры поверхности формируются различные типы обледенения. Из мелких капель, которые почти мгновенно замораживаются, образуется мелкий иней. Из средних капель, которые замораживаются немного медленней, получается крупный иней. Если иней скапливается на поверхности в виде слоя жидкости - образуется наледь.

Наледь всегда прозрачна и имеет форму прозрачного льда. Наледь также может быть вызвана дождем или снегом, примерзающим при контакте с поверхностью.

Осадочное обледенение имеет гораздо более высокую скорость накопления массы наледи, чем облачное. Относительная частота возникновения для этих двух типов обледенения зависит от географического положения и климата. Мокрый снег может прилипать к поверхности в диапазоне температур от 0° до +3° С, в то время как ледяной дождь образует наледь при температуре поверхности ниже 0° С.

Наледь формируется из ледяного дождя и при облачном обледенении с высокой влажностью при температурах, близких к нулю. Примерзание дождя может произойти, когда присутствует температурная инверсия, вызванная тепловым фронтом. Если снег начинает падать с большой высоты над уровнем моря, то вода растворяется в теплом слое воздуха. Когда жидкость проходит через холодный слой воздуха вблизи земной поверхности, она охлаждается до температуры ниже точки кристаллизации. Если эта переохлажденная вода попадает на поверхность, образуется наледь.

Обледенение в виде наледи, как правило, гладкое, прозрачное и равномерно распределено по поверхности конструкции. Наледь может образовываться и в форме сосулек. Сосульки могут образовываться, когда наледь тает.

Мокрый снег может прилипать к поверхности лопасти, и если температура находится ниже температуры кристаллизации, то снег примерзает. Плотность и форма замерзшего снега будут значительно зависеть от скорости ветра и доли талой воды в мокром снеге. Образование наледи при мокром снеге происходит при температурах, близких к нулю градусов по Цельсию.

Образование инея происходит, когда капельки воды переохлаждаются и мгновенно примерзают к лопасти. Это наиболее распространенный тип обледенения при облачном обледенении. В зависимости от содержания жидкой воды в воздухе, размера капель воды, температуры и скорости набегания потока будет формироваться мелкий или крупный иней.

Рисунок 1.3. Карта режимов образования различных типов льда.

Обледенение лопаток ротора ветротурбины происходит на передней кромке лопасти. Этот факт был замечен на многих ветроэлектростанциях и хорошо документирован [56]. Образование на лопастях льда сильно зависит от температуры воздуха и размера капель. Однако выработать какую-то общую закономерность здесь достаточно сложно, так как лед образуется поразному в зависимости от указанных выше условий [57]. Обледенение на лопасти ротора также зависит от длины хорды лопатки ротора [58] и скорости набегающего потока (рис. 1.3).

Физическая модель для обледенения описывается уравнением (1.1) [59]:

dM = 1 2 3A, (1.1) dt где A - это площадь поперечного сечения объекта по нормали к вектору скорости частиц, представляет собой массовую концентрацию частиц, является относительной скоростью частиц. Остальные множители являются поправочными коэффициент со значениями в диапазоне от нуля до единицы.

Коэффициент 1 отображает эффективность сбора (или эффективность столкновения) и представляет собой плотность частиц падающих на поверхность по нормали к максимальной скорости потока. Эффективность налипания 2 представляет собой отношение плотности частиц прилипания к поверхности к плотности частиц, падающих на поверхность.

Эффективность прироста 3 представляет собой скорость, при которой лед накапливается на поверхности по отношению к плотности частиц потока, падающих на поверхность.

Методы детектирования обледенения могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на определении изменения некоторых свойств конструкции в результате нароста льда. К таким свойствам относятся масса, отражающие свойства поверхности, электрическая или тепловая проводимость, изменение коэффициента диэлектрической проницаемости и т.д. Косвенные методы основаны на отслеживании погодных условий, которые приводят к обледенению. Например, влажности и температуры, или по наличию воздействия наледи на процесс выработки энергии(по снижению производства электроэнергии). В методах используются эмпирические или детерминированные модели, позволяющие определить, когда происходит обледенение.

1.3.1.Прямые методы диагностики обледенения

Диагностика обледенения по затуханию ультразвуковых волн. В качестве метода обнаружения льда на лопасти может использоваться метод, основанный на измерении затухания ультразвукового сигнала в акустическом волноводе. Датчик состоит из стального или никелевого акустического волновода, который имеет низкое акустическое затухание. В одном конце акустического волновода генерируется ультразвуковой сигнал.

В другом конце волновода измеряется принимаемый сигнал. Если волновод покрыт льдом, сигнал будет затухать, так как лед поглощает акустические колебания в волноводе. Вода в волноводе не вызывает каких-либо затуханий, поскольку вязкость и плотность жидкой воды слишком низкая. Сигнал может быть создан и измерен пьезоэлектрическими элементами. Проверка того, что волновод не претерпел каких-либо изменений, может быть сделана путем измерения сопротивления волновода. Если волновод поврежден, то сопротивление будет бесконечным. Также существуют аналогичные методы определения наличия обледенения по наличию отраженной волны в волноводе. Если на конце волновода образуется наледь, сигнал хорошо отражается, если наледи нет, то сигнал не отражается[60].

Определение наледи по изменению резонансной частоты зонда.

Обледенение может быть определено по изменению резонансной частоты зонда [61]. Резонансная частота резонатора зависит от массы. Это свойство может быть использовано для измерения обледенения вибрирующего зонда.

Заставляя зонд вибрировать на его резонансной частоте и затем, устанавливая его в условиях обледенения, можно отследить образование льда на зонде. Частота вибрации уменьшиться с увеличением массы. Это изменение частоты может предоставить информацию о том, что на датчике образовался лед. Если затем зонд нагреть, лед растает, и можно будет провести новое измерение. Метод позволяет измерять скорость обледенения.

Измерения обледенения по затуханию в вибрирующей мембране.

Другим способом измерения обледенения является измерение затухания колебаний вибрирующей мембраны. Для возбуждения колебаний диафрагмы из легированного кремния может быть использована катушка индуктивности.

Движение диафрагмы измеряется другой катушкой путем измерения изменения емкости. Когда образуется лед, колебания мембраны затухают, и изменение емкости между измерительной катушки и диафрагмой уменьшается. Этот вид датчика может быть сделан очень маленьким (2-3 мм). При маленьких размерах его влияние на аэродинамику лопасти будет очень мало.

Емкостный метод диагностики обледенения. В качестве способа диагностики обледенения, а также его толщины, может быть использовано измерение изменения емкости между двумя проводниками. Емкость зависит от диэлектрической проницаемости среды между двумя проводниками.

Некоторые примеры относительной диэлектрической проницаемости другом носителе можно увидеть в таблице 1.3, представленной ниже.

–  –  –

Из таблицы 1.3 видно, что диэлектрическая проницаемость для льда и воздуха отличается в 3 раза. Емкость значительно измениться, если в качестве среды между проводниками будет использоваться вода. Разница в диэлектрической проницаемости жидкой воды и льда также приводит к заключению, что изменение емкости при фазовом переходе значительно изменится.

Рис. 1.4. Схема диагностика наличия и толщины образовавшегося льда. Слева представлен метод для диагностики наличия льда. Справа расположение электродов для измерения толщины льда.

Способ реализации емкостного метода для детектирования обледенения может быть осуществлен путем применения двух проводников на пленке, изготовленной из ПВХ. Диагностика обледенения производится по измерению емкости между ними. В зависимости от различного размещения электродов можно измерить или наличие льда или толщину льда (рис. 1.4).

Диагностика наледи по изменению показаний датчиков температуры. В другом методе обнаружения льда на лопасти может быть использовано измерение показаний датчиков температуры при циклическом нагреве [62].

Смысл такого рода измерений заключается в установке одного или несколько датчиков температуры в воздушный поток и изоляции образцового датчика температуры от воздушного потока. Показания датчиков температуры установленных в поток будут меняться в зависимости от скорости ветра и наличия на них льда. Сравнивая показания датчиков, установленных в поток, и образцового датчика, можно сделать вывод о том образовался лед на лопасти или нет. Под датчиками можно установить нагреватели, которые будут нагревать датчики до некоторой температуры. В зависимости от времени отклика, температура через некоторое время примет некоторое постоянное значение. Путем сравнения зависимости времени установления температуры от времени, можно определить есть ли лед на лопасти или нет. Если лед присутствует, отклик сигнала от датчика, выставленного в поток, задержится на время, необходимое для таяния льда.

Значение температуры датчика выставленного в поток примет значение температуры несколько большее, чем значение температуры в отсутствии льда, так как корка льда на датчике защищает его от воздействия конвекции.

Изолированный датчик не подвергается воздействию льда. Отклик затем может быть проанализирован с помощью микропроцессора.

Прямое измерение отраженного света. Один из оптических методов заключается в том, чтобы измерить отраженный или излученный свет от поверхности. Если на поверхности объекта, испускающего или принимающего свет, образуется лед, то свет от него будет возмущен. Путем измерения испущенного/излученного света, возможно, определить наличие льда по отслеживанию изменений в отражательной способности.

Метод инфракрасной спектроскопии. Этот метод основан на эффекте поглощения и отражения инфракрасного света ото льда. Путем измерения количества отраженного света можно определить, присутствует ли лед на поверхности. В случае образования льда на поверхности отражательная способность поверхности изменится, и оптический сигнал не зарегистрируется. Данный метод позволяет определять тип льда, но не позволяет измерять его толщину. Этот метод можно применять дистанционно, применяя лазерные диоды или светодиоды [64-66].

Метод на основе полного внутреннего отражения света. Когда свет выходит из среды с высоким индексом преломления в среду с меньшим показателем преломления, происходит явление полного внутреннего отражения (согласно закону Снеллиуса). Когда лед образуется на поверхности, из которой выходит свет, эффект полного внутреннего отражения не будет наблюдаться из-за того что показатель преломления среды изменится. Свет будет отражаться в той точке поверхности, где наблюдается эффект полного внутреннего отражения, но свет начнет проходить через поверхность, если лед или вода образуются на ней (рис. 1.5).

Рисунок 1.5. Измерительный принцип метода на основе полного внутреннегоотражения.

Этот метод измерения регистрирует как лед, так и воду, так как показатель преломления у них примерно одинаковый. Чтобы отличить лед от воды необходимо использовать датчик температуры. Если температура ниже нуля градусов по Цельсию, то на лопасти образовался лед. Если температура выше точки замерзания, то на лопасти - вода.

Диагностика обледенения по нагрузке на лопасть. В международном стандарте ISO 12494 предложен способ измерения обледенения по измерению нагрузки, создаваемой льдом, на стальной стержень длиной 0,5 метра (или 1 метр, если ожидается сильное обледенение) и диаметром 30 мм.

Стержень должен иметь возможность свободно вращаться. Когда образуется лед на стальном стержне, аэродинамическое сопротивление вызовет его вращение, и стержень всегда сориентируется так, чтобы область с меньшим количеством льда сориентировалось навстречу ветру. Измеряя нагрузку на стержень, можно определить количество образовавшего льда.

1.3.2. Косвенные методы определения обледенения.

Измерение разницы в ожидаемой и реальной выходной мощности.

Простой способ измерения обледенения ветровой турбины заключается в измерении ожидаемой мощности по номинальной кривой и реальной выходной мощности. Если снимаемая мощность ниже, чем ожидается, то можно предположить что на лопасти образовался лед. Этот метод имеет несколько недостатков. Нельзя быть уверенным, что отклонение между снимаемой мощностью и ожидаемой по номинальной кривой вызвано образованием льда. Могут иметь место другие причины, такие как несбалансированность лопастей или механические повреждения в кабине ветрогенератора. Чтобы быть в состоянии сделать такое сравнение, предпочтительно установить анемометр на кабине ветрогенератора. В условиях обледенения показания этого анемометра также будут зависеть от образования льда.

Можно сделать вывод, что этот метод может быть использован как способ анализа условий обледенения и производственных потерь, но не в качестве сигнала для системы антиобледенения. Также можно сказать, что когда наблюдаются большие отклонения в ожидаемых и реальных показаниях производства энергии, то процесс обледенения идет уже на протяжении некоторого времени. Это также означает, что данный метод не является хорошим методом для использования его в системе антиобледенения.

Сравнение показаний подогреваемого и не подогреваемого анемометров. В качестве грубого способа диагностики образования льда может послужить сравнение показаний двух измерителей скорости (анемометров), один из которых нагревается, а другой нет. Неподогреваемый анемометр может подвергаться образованию льда, а подогреваемый нет, и по разнице их показаний можно отследить наличие обледенения. Анемометр, на котором образуется снег, покажет значительно меньше значение скорости ветра, или вообще покажет показания близкие к нулю, чем подогреваемый.

Эти показания могут быть индикатором того, что лед на лопасти начал образовываться При использовании простого управляющего алгоритма и трех анемометров с различной степенью подогрева могут быть измерены различные фазы процесса обледенения [67].

У этого метода также есть недостатки. Неопределенности таких измерений очень велики и нет уверенности, что нагретый анемометр не взаимодействует со льдом. Метод является достаточно грубым, но дешевым способом оценки обледенения.

Диагностика обледенения по точке росы. Точка росы может быть показателем обледенения. Когда температура воздуха близка к точке росы, велика вероятность, того, что произойдет обледенение.

Диагностика обледенения по измерению шума лопастей. Одним из способов измерения обледенения ветровой турбины может быть способ, основанный на измерении звука, исходящего от движения лопастей ротора.

Было показано, что этот звук от лопасти при наличии обледенения сдвигается по частоте в более высокие частоты и уровень шума увеличивается [68].

Изменение резонансной частоты лопасти ветряной турбины.

Резонансная частота лопасти ротора ветряной турбины изменяется, когда на ней образуется лед. По мониторингу частоты колебаний лопасти может быть измерена нагрузка, создаваемая льдом. Нагрузка может быть определена по наблюдаемому сдвигу частоты.

Измерение высоты нижней границы облаков. Облачное обледенение происходит, когда температура воздуха находится ниже температуры кристаллизации. Существует способ определения интенсивности обледенения по высоте облаков, скорости ветра и температуре. Подставляя эти данные в известную модель [69] модель можно выяснить интенсивность обледенения по стандартной процедуре. Высоту нижней границы облаков можно измерить прямым способом, используя облакомер, который является стандартным метеорологическим инструментом. Облакомер измеряет высоту облаков с помощью лазеров. Лазерный свет рассеивается в облаке, и через некоторое время задержки по обратному рассеянию можно сделать оценку нижней границы облаков. Высота облаков может также быть измерена косвенным методом по излучению длинноволнового излучения в воздухе, используя закон излучения черного тела Стефана-Больцмана. Если температура неба над ветровой турбиной и температура воздуха на ветровой турбине одинакова, то существует высокая вероятность, что облака в данный момент покрывают турбину.

Оценка методов диагностики обледенения. Предыдущее исследование на тему методов диагностирования обледенения в приложении к ветряным турбинам позволяет сделать вывод, что лучшими измерителями являются те, что позволяют выполнять измерения прямо на лопастях [70]. Это связано в основном с тремя факторами. Первый фактор - обледенение зависит от скорости ветра. Скорость ветра на конце лопасти достигает гораздо большего значения, чем на оси. Второй фактор - лопасти могут подниматься на 80 метров выше, чем кабина турбины и достигать низких облаков. Третий фактор - лопасти контактируют с большим объемом воздуха, и поэтому на них может образоваться большее количество льда.

Большинство описанных методик не позволяет измерять обледенение непосредственно на лопастях. Только методика измерения сдвига резонансной частоты, метод инфракрасной спектроскопии, метод полного внутреннего отражения и емкостный метод, кажутся относительно применимыми для этих целей в приложении к ветровым турбинам.

Кроме того, большинство описанных методов диагностируют только наличие или отсутствие льда, и не дают оценок толщины наледи и ее массы.

На практике диагностику обледенения в приложении к ветряным турбинам можно оценивать с использованием методик косвенных измерений, сигнализирующих, есть ли риск обледенения. Наиболее перспективным является использование метода определения точки росы и высоты облаков, которые вместе могут достаточно достоверно определить риск обледенения.

Методы, основанные на оценке снижения выработки энергии следует рассматривать как сигнальные и аварийные для предотвращения повреждений турбины.

У всех описанных методов обнаружения обледенения на ветровых турбинах существует ряд недостатков.

Метод, основанный на затухании ультразвуковых волн на поверхности лопасти, не обладает достаточной чувствительностью из-за большой разности масс материала лопасти и тонкого слоя льда.

У метода измерения температуры есть проблемы при обнаружении очень тонких слоев льда. Это связано с тем, что слой льда успевает растаять за время цикла нагрева.

Использование отраженного света через окно в лопасти, покрытой льдом, является очень простой идеей, хорошо работает для изморози, но испытывает трудности с очень тонкими слоями прозрачного льда, например, для ледяного дождя. Это связано с тем, что тонкие слои чистого льда не нарушают оптическое отражение. Резонансная частота лопасти не изменится, пока ледяной слой не станет значительным по сравнению с материалом лопасти, что означает, что эти системы обладают низкой чувствительностью.

Методы с использованием затухания ультразвуковых волн в волноводе, метод измерения резонансной частоты зонда, метод по измерению точки росы и температуры, и метод, основанный на сравнении подогреваемого неподогреваемого анемометров, имеют ограниченное применение, так как их датчики устанавливаются на кабине турбины. Они могут быть использованы в том случае, если их удастся смонтировать на конце лопасти.

Метод, основанный на отслеживании снятой мощности, хорош для оценки безопасности, но имеет большую погрешность, т.к. изменение мощности может быть вызвано не только обледенением, но и рядом других причин.

Диагностика с помощью поляризованного света интересна тем, что она позволяет производить измерения дистанционно.

Метод, основанный на измерении частоты шума перспективен, но требует дальнейшего изучения, чтобы определить, как фоновый шум и различные скорости ветра влияют на данные об обледенении.

Метод резонирующей диафрагмы эффективен для обнаружения обледенения, но не позволяет измерять толщину льда. Действительно, мембраны могут быть произведены с правильной кривизной лопасти, и могут быть встроены в нее. Они имеют низкое энергопотребление и могут работать по беспроводной сети.

Как видно из обзора доступных эффективных методов, которые полностью отвечают потребностям обнаружения обледенения на ветровых турбинах, пока не существует. Соответственно, требуется поиск и создание новых методов диагностики обледенения.

Выводы по главе 1 В главе представлен обзор по проблемам ветроэнергетики в области изучения аэродинамики ротора и развития вихревого следа, а также дан анализ методов диагностики обледенения. Проанализированы отечественные и зарубежные информационные источники.

Выполнен обзор методов для диагностики вихревого следа. Проведен краткий сравнительный анализ экспериментальных методов традиционных для диагностики потоков и определены условия применимости и ограничения данных методик.

Анализируя публикации по данной тематике, можно заключить следующее.

• Несмотря на долгое существование ветряных турбин, увеличение их размера и использование в ветроэлектростанциях требует проведения дополнительных исследований.

• Наиболее сложную структуру, оказывающую существенное влияние на характеристики работы турбины, нестационарный поток имеет за ротором турбины. Наличие в потоке позади ветровой турбины этой сложной вихревой системы приводит к нестационарности поля скорости и появлению пульсаций давления в потоке. Несмотря на многолетние исследования и достаточно ясную качественную картину течения, проблема высокоточного диагностирования развития вихревых структур следа еще не решена.

• По данным проведённого сравнительного анализа экспериментальных методов диагностики течений, обоснована необходимость использования в данных исследованиях следующих основных технологий: ЛДА и цифровой трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry – PIV). Базовые решения данных экспериментальных методов являются в настоящее время общепринятым стандартом (Дубнищев и др. 2003; Бойко, Оришич, Павлов, Пикалов 2009), широко внедрены в мире и начинают активно внедряться в научных, учебных и промышленных организациях России. Эти методы позволяют получать экспериментальные данные в удобном формате для верификации численных моделей потока. При этом данные о полях скорости представляются с высоким пространственно-временным разрешением, необходимым для детального сравнения с результатами численных расчетов.

• Изучен вопрос влияния обледенения на работу ветрогенераторов.

Установлено, что обледенение лопастей может привести к таким проблемам как нарушение аэродинамики, росту вибраций и дисбалансам масс в элементах конструкций, которое может привести к частичному или полному снижению производства энергии и к сокращению срока службы ветрогенератора.

• Изучены основные методы диагностики обледенения. Проведенный анализ литературных источников показал, что у всех известных методов есть значительные ограничения и недостатки, требующие разработки новых методов диагностики обледенения лопастей.

Одним из интересных решений для диагностики наледи может стать обобщение методов, разработанных ранее для изучения пленочных течений, поскольку показатели льда и воды незначительно отличаются (у льда 1,35, а у воды 1,33).

Глава 2. Применение оптико-лазерных методик для исследования вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора В главе описано исследование вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора при различных параметрах эксперимента.

Модель ротора помещалась в водяной канал. Проведены визуализация флуоресцентными чернилами и измерение производительности ротора прямым измерением крутящего момента. Поля скорости были измерены в продольном и поперечном сечении методом цифровой трассерной визуализации PIV для значений быстроходности в диапазоне = 3 - 8. Области следа классифицированы на основе анализа коэффициента торможения. Для идентификации вихрей восстановлена карта завихренности. Представленные в главе результаты, опубликованы в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, а также в трудах российских и международных конференций[71-79].

2.1. Описание водяного канала и используемого оборудования

Диагностика вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора проводилась в водяном канале Датского технического университета (ДТУ), обеспечивающего ламинарное течение жидкости (рис. 2.1). Длина водяного канала составляла 35 м, ширина 3 м и рабочая высота 0,9 м. Стенки водяного канала выполнены из пропитанной смолой лакированной фанеры для обеспечения ламинарного течения в канале (рис. 2.1 а). Для проведения оптических измерений на расстоянии 20 м от начала канала располагался измерительный участок длиной 3 м, все стенки и дно которого выполнены из стекла. Водяной поток поступал в канал через конфузор и хонейкомб – сотовое устройство для линеаризации скорости течения по сечению канала (рис. 2.1 б).

–  –  –

В стенках и дне канала установлены вставки из стекла для оптических измерений, скорость движения воды в канале регулируется двумя двигателями в диапазоне 0,01 -0,6 м/с.

Канал был оснащен следующим оборудованием.

• 2 насоса переменного расхода.

• Подвижная платформа на рельсах.

• Мост через канал.

• Регулируемое крепление установки модели ротора.

• Регулируемое крепление двигателя.

• Тензометр.

• Гидрометрический измеритель скорости потока OTT Z400.

• Галогеновые лампы 4 шт мощностью 500 Вт.

• Электродвигатели с программным обеспечением (МAC400, JVL Industri Electronik A/S).

• Угловой энкодер ROTACAM ASR58 для синхронизации Stereo PIV и модели ротора осевой турбины.

В ходе проведения тестовых работ измерительная установка была оборудована следующей приборной базой.

- Высокоскоростной цветной камерой (Casio High Speed EXILIM EXFC100).

- Двухкомпонентным лазерным анемометр - Dantec 2-D Fiberflow LDA, выполненным на аргоновом лазере мощностью 2 Вт и коммерческом процессоре для обработки доплеровских сигналов (BSA57N2), Размер измерительной зоны LDA: 0,120,121,52 мм3.

- Стерео система PIV в составе.

• Nd: YAG импульсный лазер (120 мДж, частота срабатывания 15 Гц, длина волны 532 нм.).

• 2 камеры фирмы Dantec Hisense II (разрешение 1344x1024 пикс.).

• Калибровочная мишень и ее крепление.

• Стеклянная призма для оптической коррекции.

• Программное обеспечение PIV, Dantec Dynamic Studio Ver. 2.21.

• Системы крепления и точного позиционирования лазера и камер.

• Зеркала с угловым регулированием.

Стенд функционирует следующим образом. Два насоса управляют потоком в канале. Один насос переменной скорости ускоряет поток от нулевой скорости приблизительно до 30 % от максимальной скорости.

Помимо возможности управления количеством оборотов насоса, имелась возможность управлять углом наклона его лопаток. Второй насос позволяет дать добавочную мощность, чтобы достигнуть приблизительно 60 % от способности канала, управляя углом наклона лопастей насоса. Максимальная скорость воды в канале составляет 1 м/с.

Подвижная платформа установлена на рельсы сверху канала. Скоростью и положением платформы можно управлять компьютером, установленным около канала. Платформа предназначена для позиционирования модели ротора вдоль и по сечению канала. Регулируемое крепление двигателя удерживает шаговый двигатель. Крепление разработано таким образом, что усилие от шагового двигателя передается на шкив ротора модели через ременную передачу.

Тестовая модель ветрогенератора была специально изготовлена с возможностью визуализации течения. Крепление было смещено на 0,6 м позади крыльчатки ротора, чтобы избежать возмущения потока. Пластина тензометра состоит из алюминиевой пластины длиной 1 см между моделью ротора и регулируемым креплением с 2-мя тензометрами, установленными последовательно. Тензометр используется, чтобы измерить усилие, оказываемое потоком воды на модель ветрогенератора. Усилитель тензодатчиков помещен около канала и связан кабелем с тензометром.

Сигнал с усилителя оцифровывается системой сбора данных и отображается на компьютере в режиме реального времени.

Лазер и камеры системы PIV предназначены для высококачественной визуализации в высоком разрешении в одной плоскости рядом с концом лопасти.

Высокоскоростная цветная камера (карманная камера Casio High Speed EXILIM EX-FC100) предназначена для регистрации спиральной структуры концевых вихрей и детального изучения вихрей. Устанавливается и фиксируется на штативе.

Лампы. Для флуоресцентной визуализации использовались два вида ламп. Первая - 500 ваттная галогенная лампа и две лампы, обеспечивающих цвет формата RGB.

Для измерения пульсаций скорости использован 2D лазерный доплеровский анемометр (Dantec 2-D Fiberflow LDA). Анемометр выполнен на аргоновом лазере мощностью 2 Вт и коммерческом процессоре DSP для обработки доплеровских сигналов (BSA57N2). Длины волн лазерного излучения составляли 514.5 нм (зеленый свет) и 488 нм (синий свет). Размер измерительной зоны ЛДА - 0.12x0.12x1.52 мм. Доплеровский сигнал от светорассеивающих частиц обрабатывался сигнальным процессором BSA57N2 и на персональном компьютере.

Для определения оптимального положения ротора в канале, в области, где скорость набегающего потока была близкой к постоянному значению, были проведены тестовые измерения профиля скорости в горизонтальном и вертикальном сечении измерительного участка (рис. 2.2). Значение скорости потока в месте предполагаемого расположения ротора всегда была близка к V = 0,36 м/с и ее колебания в ходе тестовых экспериментов не превышали 3 %. Контроль скорости потока осуществлялся независимым гидрометрическим измерителем скорости OTT Z400. Было установлено, что во избежание влияния пограничного слоя на измеряемые характеристики поля течения, исследуемая модель ротора должна размещаться не ближе 0,3 м от дна и вертикальной стенки канала, но при этом и не приближаться к водной поверхности ближе 15 см. Таким образом, оптимальный размер исследуемого диаметра модели ротора не должен превышать 0,4 м.

Рисунок 2.2.

Распределение скорости в горизонтальном и вертикальном сечении канала.

2.2. Модель ротора ветрогенератора Модель трехлопастного ротора (рис. 2.3) была специально изготовлена для проведения качественной и количественной визуализации течения позади ротора. Диаметр ротора составлял 2R = 0,376 м, а длина лопасти ротора - 0,159 м. В качестве профиля для лопастей был взят профиль CD7003 из [80]. Хорда лопасти и угол ее установки были рассчитаны по теории Глауэрта [81] для оптимального ветряка с быстроходностью = 5, где = R/V, а - угловая скорость вращения ротора. Результаты расчета профиля показаны на рис. 2.3.

Рисунок 2.3.

Расчет формы лопасти трехлопастного ротора для быстроходности 5 Регулировка угла установки лопаток не предусматривалась, их положение было выставлено для оптимального режима = 5 единожды и было фиксированным для всех тестируемых режимов. Числа Рейнольдса Re = V0D/µ, ( и µ – плотность и динамическая вязкость рабочей жидкости – водопроводной воды в проведенных экспериментах находятся вблизи 20 000 для быстроходности = 5, при рабочей температуре 20 оС).

Крепление и фиксация ротора были выполнены на перемещаемой над каналом платформе на 0,3 м позади ротора, чтобы минимизировать возмущения набегающего потока в плоскости ротора. Ось ротора размещена на высоте 0,5 м от дна и удалена на 0,75 м от стенки канала, чтобы свести влияние неоднородности профиля набегающего потока к минимуму.

Для вращения ротора с постоянной угловой скоростью применялся серводвигатель JVL Industri Elektronik MAC400. Вращательный момент двигателя передавался на ось ротора через жесткую зубчатую ременную передачу. Программное обеспечение управления серводвигателем MacTalk обеспечивало установку необходимого вращения ротора и его контроль с погрешностью менее 2%.

Конструирование профилей лопасти воздушной турбины - важная задача для проектирования роторов воздушной турбины. Использование эффективного профиля с коэффициентом большой подъемной силы может приводить к снижению стоимости эксплуатации лопастей воздушной турбины, и таким образом приводить к снижению стоимости вырабатываемой энергии. С другой стороны, шум от воздушных турбин становится барьером для увеличения эффективного преобразования энергии ветра. Поэтому при проектировании высокоэффективных воздушных турбин, и в то же самое время при сокращении его шумового излучения основной целью становится проектирование конструкции профиля лопасти будущих воздушных турбин. Однако, конструктивные характеристики таких профилей воздушной турбины - компромисс нескольких возможных противоречивых требований типа большой подъемной силы, коэффициента лобового сопротивления и малошумного использования; поэтому выбор целевой функции, которая может формировать желательные особенности профиля, очень важен в процедуре проектирования.

Профиль лопаток модели ротора был рассчитан методом CQU-DTU-B, разработанным в Датском техническом университете. Этот метод характеризуется как прямой метод проектирования, который для проектирования использует целевые характеристики профилей воздушной турбины, в виде коэффициента подъемной силы профиля, коэффициента увлечения и параметров пограничного слоя для управления уровнем шума профиля. Данный метод использует аналитическое представление для описания профилей крыла при их проектировании. Одно из главных преимуществ этого метода состоит в том, что он дает гладкую форму профиля (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Модель ротора ветрогенератора с формой профиля CQU-DTU-B

2.3. Описание использованных методик измерения 2.3.1. Визуализация Для визуализации течения на края лопатки и на области вблизи оси ротора наносился флуоресцентный краситель (рис. 2.5) Течение вокруг ротора подсвечивалось галогеновыми лампами мощностью 1 кВт. Частички красителя слетали с лопаток ротора и увлекались потоком. При попадании света от ламп на частички красителя, частички переизлучали свет в видимом диапазоне. Изображения подкрашенных вихревых структур фиксировались с помощью высокоскоростной камеры Casio High Speed EXILIM EX-FC100.

–  –  –

2.3.2. Метод цифровой трассерной визуализации Для восстановления трехмерной структуры течения использовалась методика стереоскопической цифровой трассерной визуализации PIV.

Нестационарность и трехмерная структура течения делают чрезвычайно трудными любые измерения за ротором, особенно при диагностике мгновенных картин течения, когда нужно тестировать большое количество измерительных точек с одновременным измерением характеристик течения.

Применение PIV - трековых методов диагностики позволяет относительно быстро выполнять одновременные измерения скорости во многих точках и наблюдать мгновенную картину течения, но только в двумерной плоскости пересекающего исследуемую область потока светового ножа. В нашем случае было необходимо исследовать поле скорости в сечении, проходящем вдоль геометрической оси ротора, когда световой нож расположен перпендикулярно к плоскости вращения ротора, а также в нескольких сечениях, перпендикулярных оси вращения ротора.

За время между двумя последовательными кадрами, фиксирующими положение светорассеивающих частиц для определения их смещения, часть из них выходит из светового сечения, при этом другие частицы могут появиться в нем. Это, естественно, приводит к искажениям восстанавливаемого поля скорости и возникновению случайных ошибок.

Точность измерения можно существенно повысить при статистическом осреднении нескольких мгновенных полей скорости. Как было показано в [82], данный прием хорошо работает для стационарных режимов течения в контейнере, генерирующем вихревую структуру, существенно уменьшает случайную ошибку и дает отличное согласие с другими методами диагностики течения и с результатами численного моделирования. Однако при изучении пульсирующего течения такое осреднение теряет информацию о нестационарных особенностях потока, оно приводит к накоплению ошибки смещения, за счет дополнительного отклонения треков частиц от мгновенного направления скорости из-за реальных временных изменений в структуре течения.

Решением данной проблемы может стать фазовое статистическое осреднение, предложенное в [83]. Предположив, что картины течения повторяются при повороте ротора на полный угол между ближайшими лопатками, нужно привязать фазовое осреднение, к частоте прохождения лопаток, например, через крайнее нижнее их положение. Для реализации этой схемы на вал вращения ротора установлен угловой энкодер ROTACAM ASR58, который формирует стробоскопический сигнал во время нахождения одной из лопастей ротора в плоскости светового ножа в момент, когда нужно измерять мгновенное поле скорости.

Для диагностики течения используется стерео PIV измерительное оборудование фирмы Dantec, чтобы получить информацию обо всех трех компонентах скорости, включая и третью, перпендикулярную световому ножу. В качестве осветителя для формирования светового ножа применялся Nd:YAG импульсный лазер с характеристикам: 120 мДж энергии в импульсе, длина волны 532 нм, частота срабатывания 15 Гц. При измерениях в плоскости, перпендикулярной ротору, проходящей вдоль оси вращения ротора, лазерный нож толщиной 2 мм проходил вертикально в направлении основного набегающего потока через дно канала и ось ротора (рисунок. 2.6а).

При регистрации поля скорости в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, лазерный нож проходил вертикально, параллельно плоскости вращения ротора на расстояниях x= 5 R, 6 R, 8 R,10 R соответственно.

Регистрация изображения производится на две камеры Dantec HiSense II с разрешением 1344x1024 пикселов. Для вычисления трехмерного поля скорости используется программное обеспечение PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21. При измерениях Stereo PIV камеры располагаются перпендикулярно друг к другу и под углом 45° к каналу (рисунок. 2.6 б).

Поскольку камеры расположены не фронтально, а под углом к световому сечению, был использован узел независимой регулировки приемного объектива и регистрирующей изображение ПЗС матрицы камеры, для того чтобы обеспечить фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы. Для уменьшения искажений между камерой и стенкой канала были установлены оптические призмы заполненные водой, что обеспечивает параллельность плоскости матрицы камеры и границы раздела воздухстекло-вода. Такое размещение регистрирующего оборудования может породить некоторые проблемы с регистрацией движения частиц лазерным ножом в областях течения с относительно большими значениями градиента скорости, например, вокруг ядер концевых вихрей. Для решения этой проблемы в ходе калибровки и тестовых экспериментов с помощью выбора между толщиной лазерного ножа, временем между лазерными импульсами и размерами (окном) регистрируемого изображения был найден компромисс для получения оптимального числа движущихся частиц - пикселов в регистрируемых вихревых структурах.

Рис. 2.6. Схема стерео измерительной системы для цифровой трассерной визуализации. На рисунке показана схема расположения лазера и камер при измерениях в плоскости, проходящей через ось вращения ротора перпендикулярно ротору(а,б) и в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора(в).

Калибровка системы цифровой трассерной визуализации. Для проведения тестирования и калибровки стерео PIV системы использовалась точечная мишень (поле с нанесенными точками размером 5 мм и расстояниями между центрами точек 10 мм) представленная на рис. 2.7 и регулируемое крепление для перемещения мишени в области измерений.

Калибровочное устройство установлено на платформе над каналом и выровнено по центру лазерного ножа. Для точной настройки области фокусировки между двумя камерами использовался режим калибровки в программе Dynamic Studio. Для регистрации калибровочных изображений и реконструкции трехмерного пространства в программном обеспечении, регулированием винта микрометра, мишень была помещена на 2 мм назад за калибровочную плоскость в z-направлении (рис. 2.7). Снимки делались в каждом положении от положения z = - 2 мм до положения z = 2 мм с шагом 1 мм. После перемещения мишени в новое положение, мишень фиксировалась.

Затем производился калибровочный снимок мишени. Таким образом, были сформированы 5 калибровочных плоскостей в пространстве, необходимых для восстановления трехмерного поля скорости, обеспечивающие погрешность измерения на уровне 3 - 5%.

Рисунок 2.7.

Калибровочная мишень выполненной на полированной пластине из нерж. стали 80801 мм лазерной гравировкой. Область мишени с маркерами 220220 мм, расстояние между точками 10 мм, диаметр основных маркеров 4 мм, центрального мм, осевых 2,6 мм.

В традиционной конфигурации 2D PIV системы оптические оси линз направлены перпендикулярно плоскости измерения, таким образом, после записи изображений частиц, попавших в плоскость лазерного ножа, теряется информация о нормальной к плоскости измерения компоненте скорости. Для двухмерных потоков конфигурация эксперимента с одной камерой дает достоверный результат. Сохраняя оптическую ось перпендикулярно плоскости лазерного ножа, область измерения будет в фокусе, даже при большой апертуре, и перспективные искажения будут минимальны. Без перспективных искажений коэффициент увеличения является однородным по всему полю изображения, поэтому процедура калибровки для 2D системы включает в себя только расчет масштабного коэффициента путем измерения соответствующих масштабов тестового объекта в измерительной области потока и на изображении.

В Stereo PIV измерениях добавляется вторая камера для получения изображения области измерения под некоторым углом. Запись в этом случае производится двумя камерами, направленными на объект под разными углами. При этом каждая камера получает плоскую информацию об объекте измерения. Объединяя эту информацию от двух камер можно получить трехмерную информацию об интересующем нас объекте (см. рис. 2.8 а).

Основная сложность теперь состоит в том, что изображение, полученное камерой расположенной под углом к измерительной плоскости потока, содержит искажения перспективы. Такие искажения влекут за собой изменение масштабного коэффициента от точки к точке изображения. Чтобы найти зависимость масштабного коэффициента от координаты в плоскости изображения применяется калибровка камеры Существует две основные конфигурации для стереоскопических измерений методом PIV: трансляционный метод (см. рис. 2.8 а) и угловой метод (см. рис. 2.8 б).

В трансляционном методе оптические оси обеих камер параллельны, таким образом, коэффициент увеличения изображения остается постоянным.

Недостатком данной конфигурации является то, что стереоскопический угол наблюдения должен оставаться небольшим (менее 30 градусов) для того, чтобы избавиться от перспективных искажений.

Рисунок 2.8.

Конфигурации стереоскопических измерений.

Угловой конфигурационный метод может быть использован с более широким диапазоном стереоскопических углов (до 45-60 градусов между оптической осью камеры и нормалью к плоскости измерения). Таким образом, во второй конфигурации может быть достигнута более высокая точность измерения нормальной компоненты скорости. Для углового метода масштабный коэффициент не является постоянным по всему полю изображения, поэтому в этом случае необходимо использовать калибровку системы при помощи специальных калибровочных мишеней. Калибровочная мишень представляет собой набор маркеров расположенных в узлах прямоугольной координатной сетки.

Несколько маркеров в этом наборе отличается от всех остальных. Они определяют начало координат и расположение координатных осей в плоскости измерения. Изображение калибровочной мишени записывается камерой. Если камера была расположена под углом к мишени, маркеры на изображении мишени больше не будут находиться в узлах прямоугольной координатной сетки, вследствие искажения перспективы. Необходимо произвести коррекцию искажений. Для этого с использованием одной из моделей, например, проективного преобразования, находится преобразование действительных координат в области измерения, заданных сеткой из маркеров мишени, в координаты изображения. Трехкомпонентное поле скорости в плоскости измерения находится в процессе реконструкции, с использованием найденного преобразования координат.

Основная сложность при использовании угловой конфигурации состоит в том, что плоскость наилучшей фокусировки, расположенная параллельно сенсору изображения, не лежит в плоскости лазерного ножа. Для совмещения этих двух плоскостей применяется коррекция Шаймпфлюга. Это такое размещение, где плоскость объекта, плоскость изображения и плоскость оптической системы линз пересекаются по прямой, при этом измерительная плоскость потока фокусируется на ПЗС матрицу наилучшим образом (см.

рис. 2.9.а).

Угол для условия Шаймпфлюга может быть вычислен по формуле:

= arctan( f·tan(/d0) ), где f - фокусное расстояние линзы, - угол расположения камеры относительно измерительной плоскости, d0расстояние от центра измерительной плоскости до центра линзы оптической системы (см. рис. 2.9.б.). Если коррекция фокусировки Шаймпфлюга не использована и фокусировка была проведена по центральной части изображения, результатом расчета будет поле скорости с плохими векторами по краям.

Чтобы найти параметры модели отображения x=F(X) из системы координат эксперимента OXYZ в систему координат изображения oxy применяется калибровка камеры. Калибровка осуществляется по набору опорных точек (по изображениям мишени). В зависимости от расположения опорных точек в системе координат эксперимента используется 2D или 3D калибровка камеры.

2D калибровка применяется при компланарном расположении, когда все Z координаты опорных точек равны. Это самый простой метод калибровки камеры, он требует оценки наименьшего количества параметров и проводится по одному изображению плоской калибровочной мишени.

Однако в этом случае обязательным является знание горизонтальных и вертикальных углов обзора камеры относительно плоскости мишени для проведения геометрической реконструкции итогового поля скорости.

Рис. 2.9. Схема метода измерения (a), оптическая конфигурация в условиях Шаймпфлюга (б) Если на оптическом пути между камерой и мишенью встречается граница раздела сред, например, вода-воздух, то необходимо учитывать преломление лучей и соответствующее изменение углов обзора мишени камерами в воде. При достаточно сложной геометрической конфигурации границы раздела, определение углов становится нетривиальной задачей, в этом случае стоит обратить внимание на возможность применения 3D калибровки.

3D калибровка применяется в том случае, если опорные точки не расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси Z. Для достижения приемлемого уровня погрешности калибровки камеры для плоскостных оптических измерений принято использовать от 3 и более Z плоскостей опорных точек.

Каждая Z плоскость опорных точек соответствует одному изображению плоской калибровочной мишени в положении Z. Таким образом, при использовании 3D калибровки необходимо получить 3 и более изображений плоской калибровочной мишени, перемещая мишень вдоль оси Z в пределах объема засвечиваемого лазерным ножом. Например, если толщина лазерного ножа в эксперименте равна 2 мм, то необходимо записать изображения мишени в положениях Z = -1 мм, 0 и 1мм. Конструкция мишени должна иметь возможность перемещения мишени в направлении, нормальном к измерительной плоскости, так чтобы мишень оставалась параллельной плоскости лазерного ножа. При этом существуют довольно строгие требования к точности перемещения мишени: порядка ± 0.1 мм. Существуют также требования к точности изготовления калибровочной мишени.

Типичная погрешность положения опорных точек при изготовлении калибровочного объекта с эталонными опорными точками составляет ± 0,0015-0,05мм.

3D калибровка позволяет проводить реконструкцию трехкомпонентного поля скорости в сечении потока двумя методами. Методом реконструкции с использованием геометрических соотношений и методом реконструкции на основе модели отображения, описанным далее. Очевидным достоинством метода с применением 3D калибровки вместе с реконструкцией является то, что он не требует знания углов позиционирования камеры.

Наиболее часто используемой моделью отображения в 2D калибровке является проективное преобразование или гомография (DLT – Direct Linear Transform) и различные виды его уточнений, например, полиномиальное преобразование второго порядка (SOP – Second Order Polynomial):

wx f11 f13 X f12 wy = f f 23 Y ( DLT ) f 22 21 w f 31 f 33 1 f 32.

Эти преобразования переводят точку в плоскости системы координат эксперимента (X, Y) в точку в плоскости изображения (x, y).

–  –  –

Геометрическая реконструкция 3-х компонентного поля скорости.

Для проведения геометрической реконструкции 3-х компонентного поля скорости необходимо получить параллельные проекции поля скорости в плоскости измерения в направлении каждой камеры. Параллельную проекцию можно получить двумя путями.

1. Кросскорреляционным алгоритмом рассчитать 2D поле скорости по исходному изображению, содержащему перспективные искажения, а затем реконструировать поле скорости в плоскость измерения с использованием модели отображения F. Это так называемый алгоритм с реконструкцией поля скорости.

2. Реконструировать изображение содержащие перспективные искажения в плоскость измерения и по параллельной проекции изображения рассчитать соответствующее поле скорости. Это алгоритм с реконструкцией изображения.

В обоих методах получения параллельной проекции поля скорости применяется восстановление данных в новой системе координат с применением процедуры интерполяции на новую сетку. Интерполяция изображения во втором случае требует больше вычислительных затрат, чем интерполяция поля скорости в первом случае. Поэтому по времени расчета первый метод оказывается более предпочтительным. Однако он уступает второму методу в разрешающей способности мелкомасштабных структур потока.

Для обеспечения более детального разрешения вихревых структур в следе за ротором в наших дальнейших экспериментах измерительная область была разделена на 12 отдельных измерительных окон, размером 220х350 мм (рис. 2.10). Размер области обусловлен тем, что характерный размер концевых вихрей, сходящих с кромок лопастей модели ротора, доходит до 20 мм. Все области исследования выбираются так, чтобы они накладывались друг на друга с пересечением на 10 мм, тем самым, гарантируя восстановление всего поля скорости. В итоге размер суммарного восстановленного трехмерного поля скорости предполагается сделать равным 290 на 2090 мм, с необходимым перекрытием полей для минимизации ошибок, связанных с краевыми эффектами измерений.

Позиционирование каждого измерительного окна производится перемещением подвижной платформы, на которой была установлена модель ротора. Данное координатное устройство позволяло перемещать ротор, по высоте водяного канала (ось Y) и вдоль его длины (ось Х). Это перемещение модели ротора позволяло менять измерительные окна без изменения положения оптической системы - лазерного ножа и регистрирующих изображение камер. Таким образом удавалось избежать описанной выше достаточно трудоемкой процедуры калибровки стерео PIV для каждого измерительного окна.

Угловой энкодер ROTACAM ASR58 с угловым разрешением 0,1°, установленный на вал ротора, формирует импульс для запуска измерений через полный оборот ротора, когда одна из лопаток проходит через свое крайнее нижнее положение. Такое кратно периодическое осреднение мгновенных 100 полей скорости позволяет, как и в стационарном случае, существенно уменьшить случайную ошибку измерений, и, с другой стороны, оно практически полностью устраняет ошибку смещения, связанную с нестационарными изменениями структуры потока.

Рисунок 2.10.

Схема области восстановления трехмерного поля скорости и положение измерительных окон.

В результате обработки изображений программой Dynamic Studio в плоскости светового ножа XY определяются 2 компоненты скорости (u, v) и ортогональная им третья w в направлении оси Z. После получения значений полей скорости в каждом измерительном окне для получения картины течения в полном тестируемом сечении предполагается провести их сшивание путем равномерного обрезания зон перекрытия измерительных окон.

2.4. Результаты визуализации течения

Исследуемая структура течения хорошо известна и хорошо иллюстрируется визуализацией (рис. 2.11). На вращающиеся лопатки рабочего колеса набегает изначально равномерный поток. В относительном движении, когда лопатка покоится, на каждое ее сечение набегает поток под некоторым углом атаки, что при безотрывном обтекании приводит к скачку

–  –  –

=6 =7 =8 Рис. 2.11. – Визуализация вихревой структуры следа для различной быстроходности.

Концевые вихри хорошо визуализируются как непрерывные винтовые линии практически правильной формы с небольшим их расширением в осевом направлении вниз по потоку за ротором. Трехлопастной ротор формирует три подобных концевых вихря (рис. 2.11). Расстояние между витками – вихревой шаг зависит от быстроходности и с ее увеличением уменьшается. Вблизи оси ротора формируется подобная приосевая вихревая структура, которая слабо выражена на визуализации и может быть воспринята как единый суммарный приосевой вихрь, охватывающий вал ротора. В целом винтообразный характер вихревой системы ротора турбины индуцирует окружное против вращения ротора и возвратное течения внутри следа за турбиной. Т.е. в следе за турбиной поток закручен и существенно замедлен.

В области ближнего следа на расстоянии до 1-2 диаметров за ротором концевые вихри хорошо воспроизводимы и устойчивы. За этой областью в зоне перехода вихри становятся неустойчивыми, деформируются и спариваются. Затем в области дальнего следа концевые вихри разрушаются, след характеризуется высокой степенью турбулизации. Из результатов визуализации видно, что устойчивые концевые вихри формируются при

5. При этом устойчивый вихревой след разрушается и происходит спаривание концевых вихрей после расстояния в 1,5 – 2 диаметра ротора вниз по течению.

2.5. Реконструкция 3-х компонентного поля скорости и оценкапогрешностей измерений

На основании описанной выше измерительной процедуры методом цифровой трассерной визуализации были получены трехмерные распределения мгновенных полей скорости для режимов работы ротора турбины с быстроходностью = 3-8, представленные на рис. 2.12. Для каждой быстроходности на трех изображениях последовательно сверху вниз для значений декартовых компонент скорости U, W, V показаны по 15 линий уровня с равномерным шагом и возрастанием интенсивности окраса от минимального до максимального значения, приведенного в таблице 1.

С традиционной точки зрения существуют несколько стадий развития вихревого следа за ротором:

- ближний след со стабильной винтообразной вихревой структурой (см.

визуализацию на рис. 2.11), в которой средняя осевая скорость уменьшается от 2/3 до 1/3 части от начальной скорости потока;

- дальний след со слабо изменяемой средней осевой скорости следа и трудно выделяемой вихревой структурой;

- переходный режим следа с интенсивных разрушением винтовой структуры концевых вихрей с переходом к турбулентному следу.

Измерения методом стерео PIV делают особый упор на изучение изменений этих не всегда видимых визуально вихревых структур в следе за ротором. Рисунки 2.12. показывают мгновенные и усредненные трехмерные поля скорости для рабочих режимов с быстроходностями = 3-8. В измерениях углы поворота лопатки, к которым привязывался энкодер, составляли = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105°. При дальнейшем повороте ротора считалось, что картина повторяется. Например, картина течения при угле поворота = 120° совпадает с картиной течения при угле поворота = 0°. Мгновенные поля представлены для = 0°. Усредненное поле скорости соответствует среднему значению, полученному фазовым осреднением полей скорости, соответствующих углам поворота ротора = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105°. Каждая проекция получена для угла поворота = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105° путем фазового осреднения по 200 мгновенным полям скорости.

Рис. 2.12.а. Изоконтуры мгновенных компонент скорости при быстроходности =3-5.

Рис. 2.12.б. Изоконтуры усредненных компонент скорости при быстроходности =3-5.

Рис. 2.12.в. Изоконтуры мгновенных компонент скорости при быстроходности =6-8.

Рис. 2.12.г. Изоконтуры усредненных компонент скорости при быстроходности =6-8.

Рисунок 2.13.

Сравнение между профилями мгновенной и средней скорости в одинаковом сечении следа: в потоке перед ротором, в потоке за ротором и вблизи ротора скорости для быстроходности = 5 Анализируя представленные на рисунках данные, можно заключить, что в области (x = 1.8 - 3.6R, y = -1,5..0 R) регулярная лопастная структура разрушается и происходит спаривание соседних концевых вихрей, причем для всех углов поворота лопатки спаривание происходит примерно в одной области, вблизи x = 3R. Из-за спаривания вихрей частоты пульсаций потока становятся отличными от частоты вращения ротора и лопастной частоты и осреднение необходимо проводить не в диапазоне 0-120, а 0-360. Поэтому на представленном осредненном поле скорости наблюдаются регулярные структуры.

На рис. 2.13 показано сравнение между профилями мгновенной и средней скорости в трех одинаковых сечениях следа: в потоке перед ротором, в потоке за ротором и вблизи ротора. Несмотря на небольшое сходство в профилях на рис. 2.13 изоконтурные карты мгновенной и средней скорости (рис. 2.12) не похожи друг на друга. Результаты рис. 2.12 показывают сложную вихревую структуру следа за ротором, который был показан в визуализации выше, а на рисунках 2.13 в значениях средней скорости теряется информация о деталях следа.

Наиболее преобладающая спиральная структура концевых вихрей хорошо повторялась в наших экспериментах (рис. 2.12), а мгновенные PIVизображения осевой и радиальной компонент скорости (рис.2.12), по которым были восстановлены вихревые ядра, четко показывают цепь неоднородностей дипольного вида, соответствующих сечениям ядер концевых вихрей. Они следуют вниз по течению за лопатками ротора и определяют границу следа. Для азимутальной компоненты скорости эти свойства менее выражены потому, что эта компонента исчезает на границе следа (рис.2.13). В дополнение к спиральной вихревой структуре концевых вихрей, PIV- измерения показывают хорошо воспроизводимый осевой вихрь вокруг оси ротора, которого не было видно при визуализации [84]. Это может быть объяснено его осесимметричной формой. Другой видимой формой вихрей на рисунках 2.12 является вихревая пелена, которая слетает со всей задней кромки лопатки. Эти вихри визуализируется только в мгновенных PIV измерениях. Вихревая пелена наблюдается как вертикальные "языки" и "мостики" с примерно одинаковым периодом в осевом направлении за лопаткой.

По измеренным полям были определены минимальные и максимальные значения для проекции скорости для быстроходности = 3-8. Результаты представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Минимальные и максимальные значения компонент скорости.

–  –  –

В дополнение к измерениям полей скорости в продольном сечении канала, были проведены измерения полей скоростей в поперечном сечении канала для быстроходности = 5. Измерения проводились в плоскости, поперечной сечению канал на расстояниях x = 5 R, 6 R, 8 R и 10 R от плоскости вращения лопаток ротора.

Рис. 2.14. Поля компонент скорости в поперечно сечении Были построены изоконтурные карты осевой (U), радиальной (V) и тангенциальной (W) компонент скоростей. Результаты представлены на рис. 2.14. На изоконтурной карте осевой компоненты скорости наблюдается ослабление осевой скорости на расстоянии x = 5 R и постепенное выравнивание осевой компоненты скорости со скоростью набегающего на ротор потока. Также, из изоконтурных карт тангенциальной и осевой скоростей наблюдается наличие сильной закрутки потока, которое ослабевает по мере удаления от ротора.

Для оценки погрешностей измерений были построены карты среднеквадратичного отклонения, в каждой точке которого показано значение среднеквадратичного отклонения в данной точке (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Карты среднеквадратичного отклонения при измерения.

Результаты представлены для значений быстроходности = 3-7 в области x/R = 0-3.2, y/R= 0-1.5. Данная область была выбрана из тех соображений, что в эту область попадают точки, содержащие информацию о концевых вихрях, осевом вихре, вихревой пелене, сходящей с лопаток и сами лопатки. Из рисунка видно, что максимальная погрешность порядка 5 % достигается в области лопатки. В области концевых вихрей, вихревой пелены и осевого вихря погрешность не превышает 3,5 %.

2.6. Определение областей ближнего и дальнего следа и сравнение с классическими теориями ротора Анализ структуры следа за моделью роторов ветрогенератора был начат с анализа различных зон в следе за ротором. На первом этапе была предпринята попытка определить эти зоны по ослаблению осевой компоненты скорости. Для этого на рис. 2.16 представлено изменение осевой компоненты скорости в осевом направлении (координата X).

Известно, что ближний след за ротором описывается уменьшением осевой компоненты скорости в диапазоне от 2/3 до 1/3 от скорости набегающего потока; дальний след характеризуется неизменностью этой скорости на некотором участке и увеличением осевой компоненты скорости вплоть до выравнивания ее со скоростью набегающего потока. В соответствии с указанными выше критериями, оказалось, что ближний след реализуется в области от плоскости ротора до 4-5 радиусов за ротором, дальний след в области далее 4-5 за ротором. Из рисунка 2.15 видно, что в ближнем следе концевые вихри сохраняют свою структуру. На границе ближнего и дальнего следов происходит разрушение концевых вихрей. В дальнем следе концевых вихрей не наблюдается.

В дополнение к анализу осевой компоненты скорости структуры следа была исследована зависимость коэффициента торможения от расстояния до плоскости ротора. Коэффициент торможения имеет смысл отношения разности расхода в данной точке и расхода набегающего потока по отношению к расходу набегающего на ротор потока. Коэффициент торможения рассчитывается по формуле

1.54 R (V u ( x, r )) * 2 rdr.

( x) = (1.54r ) 3 На рис. 2.17 показана зависимость коэффициента торможения для быстроходностей = 3-9. С его помощью можно более корректно определить зону ближнего следа, так как обычно ближний след связывают с уменьшением средней осевой скорости от 2/3 на роторе до 1/3 в следе от значения начальной скорости набегающего потока. Соответственно, коэффициент торможения должен возрасти от 1/3 до 2/3. Действительно, такой участок существует на рис. 2.17 и простирается от ротора с нулевой координатой до 4 радиусов за ним. Затем примерно до 5 радиусов идет участок с практически постоянным около 2/3 значением коэффициента торможения. Условно его можно считать началом дальнего следа.

Последующее уменьшение коэффициента торможения обычно связывают с разрушением вихревой структуры следа, называя этот участок дальним следом. Действительно, в дальней и турбулентной зоне следа не наблюдается его вихревой структуры на изображениях мгновенных полей скорости (рис. 2.12).

Рис. 2.16. Профили осевой компоненты скорости, построенные в осевом направлении.

Рисунок 2.17.

Изменение коэффициента торможения вдоль следа для =3-9.

Следует подчеркнуть, что полученные результаты подтверждают многие основные положения существующих теорий ротора. Прежде всего, это относится к простейшей теории Фруда [1], которая для расчетной быстроходности = 5 оптимального колеса тестируемой ветровой турбины предполагает двойное замедление осевой скорости в дальнем следе по сравнению с его замедлением на турбине. Действительно u/V для = 5 (см. рис. 2.16) на турбине (точки) замедляется на 1/3, а в дальнем следе на 2/3, как и предсказывает теория Фруда. Для быстроходности выше оптимальной ( = 6), как и ожидалось, замедление потока на турбине становится более одной трети. Следующим элементом классических теорий является предсказание расширения следа за ветровыми турбинами при оптимальном режиме примерно в 1,22 раза [25]. Действительно, для = 5 (рис. 2.12) по мере удаления от турбины радиус концевых вихрей увеличивается практически до нижней горизонтальной границы области наблюдения, приблизительно отстоящей от оси вращения на 1,28 R.

Соответствия этих положений будет также показаны далее при анализе поля завихренности.

Важным элементом для теорий ротора с конечным числом лопастей является предположение о постоянстве шага между витками вихревой структуры следа в осевом направлении. Несмотря на отмеченное выше двукратное замедление осевой скорости в следе, осевое расстояние между ядрами двух ближайших концевых вихрей не претерпевает таких значительных изменений, а практически остается постоянным. Данный важный факт для утверждения вихревых теорий ротора с конечным числом лопастей был также отмечен в воздушных измерениях в аэродинамической трубе за моделью ветровой турбины в рамках проекта «MEXICO» [85]. Еще одним важным предположением аналитической модели с постоянной циркуляцией вдоль лопасти, разработанной в рамках концепции оптимального ротора Н.Е. Жуковского [2], было предположение о полном отсутствии тангенциального вращения у концевых вихрей. Результаты данных измерений для оптимального режима (см. w/V для = 5 на рис. 2.12) этот факт подтверждают.

Еще одно интересное наблюдение данных измерений связано с обнаружением закрутки потока перед пропеллером турбины, которое ранее фиксировалось в визуализациях Рябушинского. В связи с этим следует, наверное, по-новому подойти к оценке возможности использования его оригинальной вихревой модели для ротора, описанной в первом параграфе статьи Н.Е. Жуковского [2]. Последний интересный вывод данных измерений связан с подтверждением модели дальнего следа, предложенной при теоретическом исследовании устойчивости концевых вихрей [5]. В модели дальнего следа внутренняя структура следа была равномерной, предполагалось, что неоднородности, связанные с вихревой пеленой в виде зафиксированных ранее «мостиков» и «языков», сгладятся и нивелируются на расстоянии 3 радиусов от ротора турбины. Действительно, для обоих режимов наблюдается исчезновение указанных структур вниз по потоку за турбиной.

Таким образом, проведенные исследования не только позволили диагностировать мгновенную структуру трехмерного поля скорости в продольном сечении течения за трехлопастным ротором при разных режимах течения, но и позволили подтвердить и обосновать некоторые предположения и гипотезы классических теорий ротора.

Новым фактом, впервые установленным здесь и подтвердившем основной вывод теории Фруда [1] об удвоении индуцированной скорости торможения в дальней следе по сравнению с его значением на роторе, стал расчет коэффициента торможения на рисунке 2.17.

Последним интересным заключением из кинематических измерений потока является четкое наблюдение неустойчивости концевых вихрей (разрушения и отсутствия их ядер) в дальнем следе на участке без его расширения и с постоянным значением коэффициента торможения (около 2/3). Неустойчивость таких винтовых вихрей была неоднократно доказана визуализацией и в численных расчетах, но в данной работе в эксперименте с четким выделением зоны дальнего следа она была установлена впервые.

2.7. Измерения силовых характеристик

–  –  –

где CP и CT - коэффициенты мощности и лобового сопротивления (напора) соответственно, A = R2 -площадь поперечного сечения ротора.

Рисунок 2.18.

- Измерительный объем вокруг ротора турбины.

–  –  –

Измерения проводились в следующей последовательности.

1. Поток воды в канале останавливался.

2. Ротор вынимался из канала.

3. Задавался необходимый угол атаки.

4. Ротор устанавливался в канал.

5. В программном комплексе, управляющим ротором, снималось напряжение с электродвигателя, приводящего в движение ротор, чтобы снять напряжения с вала ротора. Выставлялся ноль предусилителя тензометрических датчиков.

6. Устанавливался ноль усилителя тензометрических датчиков.

7. Запускался поток в канале с необходимой скоростью.

8. Задавалась необходимая быстроходность.

9. Выдерживался интервал времени 30 с, необходимый для установления течения в следе за ротором.

10.Электрический сигнал с тензометрических датчиков регистрировался системой сбора данных с частотой 100 Гц в течение 60 с. Результаты измерений сохранялись в виде текстового файла в две колонки. Одна колонка содержала информацию о значениях момента, другая - о значениях напора. Имя файла кодировало время и дату проведения измерения, а также несло информацию о текущем значении быстроходности и параметрах усилителя сигнала с тензодатчиков.

11.Затем устанавливалось другое значение быстроходности и измерения производились в указанном выше порядке, начиная с пункта 8.

12.После того как были произведены измерения для необходимых значений быстроходности, устанавливался следующий необходимый угол атаки и измерения производились в описанном выше порядке с пункта 1.

По полученным измеренным данным определялось средние значения напряжений, соответствующих моменту и напору. Результаты представлены на рис. 2.20 и 2.21. Для преобразования значений напряжений в единицы [Н] и [Н·м] была проведена калибровка. Для калибровки напора ротор извлекался из канала и располагался так, чтобы плоскость винта была горизонтальной.

На ротор помещались грузы различной массы: 0.5, 1, и 2 кг. Записывались соответствующие значения напряжений и усреднялись.

По полученным данным была определена калибровочная зависимость:

T [Н] = 55,189 * U [В] - 0,0612, (3.5) где U - значение напряжения, соответствующее напору.

Рис. 2.21. Показания тензометрических Рис. 2.22. Показания тензометрических датчиков, соответствующих крутящему датчиков, соответствующих напору, в моменту, в зависимости от быстроходности зависимости от быстроходности при при различных углах атаки. различных углах атаки.

Калибровка момента производилась следующим образом. Ротор располагался так, чтобы плоскость винта была вертикальной. Ось ротора фиксировался таким образом, чтобы ротор не прокручивался, но в то же время усилие с лопастей передавалось на тензометрические датчики. На отдельно выбранную лопатку на заданном радиусе (10 и 15 см) помещался груз известной массой (0,5, 1, 2 кг). Системой сбора данных измерялось соответствующее моменту напряжение и усреднялось.

По полученным данным была получена калибровочная зависимость для момента:

М [Н·м] = 1,3362 * U[В] - 0,1078, (3.6) где U - значение напряжения, соответствующее измеренному крутящему моменту.

По полученным калибровочным зависимостям значения напряжения, соответствующие моменту и напору, были пересчитаны в единицы [Н] и [Н·м]. Результаты представлены на рис. 2.22, 2.23.

–  –  –

По полученным значениям, используя формулы (2.6), были вычислены зависимости коэффициентов напора CT (рис. 2.24) и передачи мощности CP (рис. 2.25) от быстроходности при различных углах поворота лопаток модели ротора.

–  –  –

Оптимальные значения коэффициентов напора и передачи мощности находятся в диапазоне углов поворота лопаток от = 0° до = 3°. Значения коэффициентов представлены в таблице 2.2. Таким образом, было определено и экспериментально подтверждено, что оптимальный режим спроектированной лопатки модели трехлопастного ротора действительно соответствует быстроходности = 5, а оптимальный угол атаки находится в интервале 0 – 3°.

Таблица 2.2 - Значения коэффициентов напора и передачи мощности

–  –  –

2.8. Расчет поля завихренности, определение положения вихрей Для индентифицирования концевых вихрей была построена карта завихренности. На рис. 2.26 показана карта азимутальной завихренности z.

–  –  –

Концевые вихри видны в виде ярких областей на карте завихренности.

Также на карте присутствует завихренность от осевого вихря и крепления ротора. Карта завихренности была использована для оценки координат концевых вихрей. Использовалась следующая процедура. Рассматривались только те точки, у которых значение произведения z·D/V0 было больше 25.

Значение комплекса z·D/V0= 25 основывалось на рассмотрении множества карт завихренности для различных углов поворота лопаток. Вихрь идентифицировался только, если, как минимум три точки с произведением x·D/V0 25 были соединены между собой. Две точки считались соединенными между собой, если вторая точка находилась в области размерами 3x3, в центре которой лежала первая точка. Центр группы точек определялся как "центр масс" точек с учетом значения их завихренности.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«СТРЕЛЕЦ _ БУК-Р Блок управления и контроля радиоканальный Руководство по эксплуатации СПНК. 425557.013 РЭ, ред. 1.0 ЗАО Аргус-Спектр Санкт-Петербург, 2008 БУК-Р стр. 2 из 27 Введение 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕР...»

«УдК 338.22 С. Е. Ушакова (контактное лицо) канд. экон. наук, заведующая сектором Российский научно-исследовательский институт экономики, политики и права в научно-технической сфере (РИЭПП), Москва, Россия, svetlanaush804@yandex.ru Ю. А. Буханова научный сотрудник, Российский научно-исследовательский институт экономи...»

«Институт Государственного управления, Главный редактор д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 – до 1800) права и инновационных технологий (ИГУ...»

«АННОТАЦИЯ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ ДИСЦИПЛИНЫ Шифр, Б1.В.ДВ.1.1 наименование Экономика и управление народным хозяйством по отраслям и сферам деятельности дисциплины Направление 38.06.01 Экономика подготовки Направленность Экономика и управление в строительстве и недвижимости. (профиль) ОПОП Квалификация, присваиваемая И...»

«МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ (МГС) INTERSTATE COUNCIL FOR STANDARDIZATION, METROLOGY AND CERTIFICATION (ISC) ГОСТ МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ 25100СТАНДАРТ ГРУНТЫ Классификация Издание официальное Москва Стандартинформ ГОСТ 2510...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образовани...»

«БЕСПРОВОДНОЙ GSM ОХРАННЫЙ КОМПЛЕКС GINZZU HS-K02B РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ GINZZU HS-K02B GINZZU HS-K02B СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ..03 ФУНКЦИИ..05 КОМПЛЕКТ ПОСТАВКИ..06 ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ..06 Основной блок..06 Датчик движения беспроводной..07 Датчик открытия двери/окна беспроводной.07 Пульт дистанционного управления..07 УСТАН...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО "Уральский государственный лесотехнический университет" Институт автомобильного транспорта и технологических систем Кафедра "Сервиса и...»

«Приволжский научный вестник ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ Ж.С. Иржасова соискатель, ст. преподаватель, кафедра гуманитарных наук, Костанайский социально-технический университет имени академика З. Алдамжар МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СОЦИАЛЬНО-ЭТИЧЕСКОЙ КОМ...»

«Федеральный надзор России за ядерной и радиационной безопасностью (Госатомнадзор России) ПРАВИЛА И НОРМЫ В АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ Утверждены Постановлением Госатомнадзора России от 17.02.1993г. № 2 ПРАВИЛА КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ЛОКАЛИЗУЮЩИ...»

«Сучасні будівельні матеріали Випуск 2014 1(105) УДК 621 КИМ ЕН ДАР a, Б. П. ГОРДИЕВИЧ b, В. И. КОВАЛЕВ c, С. М. ЦУРАК b a Украинская инженерно педагогическая академия, b ЗАО "Южноуральская межрегиональная электротехническая компания", c Донбасский государственный педаго...»

«ИНЖЕНЕРНО-ВНЕДРЕНЧЕСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "КРЕЙТ" Контроллер Ethernet К-104 Руководство по эксплуатации Т10.00.104 РЭ Екатеринбург Лист 2 Т10.00.104 РЭ Редакция 11.01 от 17.11.15. © ИВП КРЕЙТ, 2015 г. Т10.00.104 РЭ Лист 3 СОДЕРЖАНИЕ 1 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗ...»

«Институт Государственного управления, Главный редактор д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 – до 1800) права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Опубликовать статью в журнале http://publ.naukovedenie.ru Интернет-журнал "НАУКОВЕДЕНИЕ" №3 2013 Иванова Дарья Геннадьевна Ivanova...»

«Л. Ф. Мараховский, доктор технических наук, профессор КНЕУ Н. Л. Михно, инженер-программист КНЕУ Математические основы многофункциональных автоматов 1-го и 2-го рода и автоматов 3-го рода Аннотация Предложен принцип иерархического программного управления, который может одновременн...»

«Упражнение по планированию радиосетей LTE, а также о технических предпосылках объединения операторов Варукина Лидия, к.т.н., менеджер по оборудованию мобильного широкополосного доступа компании Nokia Siemens Networks Плани...»

«Особенности взаимодействия концепции "логистики" и "управления цепями поставок" в строительстве Литвина Д.Б., Теренина И.В. Целью любого бизнеса является повышение прибыли и обеспечение долгосрочной конкурентоспособности. Для...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.ГОРБАЧ...»

«КРАНЫ щ ^ \, р~ %к щ• гШИ ^^ъ, -1 РЕ N,i V1 •v \ Ш ишЯ iiT СОДЕРЖАНИЕ ИНЖИНИРИНГ КРАНОСТРОИТЕЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО КРАНЫ КОНТЕЙНЕРНЫЕ КОЗЛОВЫЕ ПОРТАЛЬНЫЕ МОСТОВЫЕ МЕЖДУНАРОДНЫЕ ПРОЕКТЫ СТС РМГ РТГ ПОРТАЛЬНЫЕ СУДОВЫЕ ОФФШОРНЫЕ ГРУЗОЗАХВАТНЫЕ УСТРОЙСТВА...»

«Инженерно внедренческое предприятие КРЕЙТ РЕГИСТРАТОР ИНФОРМАЦИИ ТЭКОН-17РИ РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Т10.00.50 РЭ Екатеринбург Лист 2 Т10.00.50 РЭ Редакция 02.01 от 15.01.2008 © ИВП КРЕЙТ, 2001-2008. Т10.00.50 РЭ Лист 3 СОДЕРЖАНИЕ 1 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ 2 ОПИСАНИЕ РЕГИСТРАТОРА И ПРИНЦИПОВ ЕГО РАБОТЫ 2.1 НАЗНАЧЕ...»

«Отраслевые научные и прикладные исследования: Машиностроение УДК 621.01 ПЕРСПЕКТИВЫ СТРАТЕГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ТЕХНОПАРКОВ В ЮФО ––––––– PROSPECTS OF STRATEGIC DEVELOPMENT OF TECHNOPARK IN THE SOUTHERN FEDERAL DISTRICT Бережной Сергей Борисович Berezhnoy Sergey Borisovich Professor, Doctor of Technical Sc...»

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ СЕТЕЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНТЕЛЛЕКТРОНИКИ – ИМПЕРАТИВЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И УПРАВЛЕНИЯ ИМВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ РОССИИ THE INTELLECTUALIZATION OF NETWORK AND IMPROVEMENT OF INTELLECTRONICS – IMPERATIVES OF EFFICIENCY OF ORGANIZATION OF PRODUCTION AND MANAGEMENT IN THE ELECTRIC P...»

«нения для очистки низкоконцентрированных газов при повышенных температурах без предварительного охлаждения газовых потоков. Одной из наиболее важных термодинамических характеристик энергии взаимодействия молекул адсорбатов с поверхностью адсорбентов является теплота адсорбции, несущая информацию о природе адсо...»

«Об опыте регулирования развития внутреннего туризма в Китае Государственное регулирование в сфере внутреннего туризма в Китае характеризуется, прежде всего, наличием специального законодательства, системы наделенных полномочиями государственных органов, механизма регулирования и контроля. Законом КНР "...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ брестский государственный технический университет Омельянюк А.М. Управление процессами мотивации труда Апрель, 2001г. Препринт № Брест, 2001 УДК 338.24/27 К Рецензент: доктор...»

«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Техника выполнения броска "Мельница" в вольной борьбе Методическое пособие по дисциплине "Физическая культура" Казань 2014 КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ _ Печатается по реш...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт физики высоких тех...»

«уур ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ Э •ввь ЭкоКемикал l-J^A www.ecochemical.biz Юр. адрес: РФ, 606016, Нижегородская обл, г. Дзержинск, ул. Октябрьская, д. 82. ИНН 5249100806 КПП 524901001 ОГРН 1095249001506 р/с№ 40702810708260000694 в ДФ ОАО АКБ Саровбизнесбанк г. Дзержинск к/с № 30101810...»

«"Ученые заметки ТОГУ" Том 5, № 4, 2014 ISSN 2079-8490 Электронное научное издание "Ученые заметки ТОГУ" 2014, Том 5, № 4, С. 1249 – 1266 Свидетельство Эл № ФС 77-39676 от 05.05.2010 http://pnu.edu.ru/ru/ejournal/about/ ejournal@pnu.edu.ru УДК 004.891.2 © 2014 г. А. Абрахам (MIR Labs, Оберн, США) П. Н. Се...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.