автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Судовая ветротурбинная фрикционная установка

На правах рукописи

Кончаков Иван Евгеньевич

СУДОВАЯ ВЕТРОТУРБИННАЯ ФРИКЦИОННАЯ УСТАНОВКА

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2005

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Самсонов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сень Леонид Илларионович

кандидат технических наук, доцент Симашов Рафаиль Равильевич

Ведущая организация: ОАО Морская инженерная компания

(г. Владивосток)

Защита диссертации состоится 21 октября 2005г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.055.01 (ауд. А-301) при Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им. В.В. Куйбышева). По адресу: 690950 г. Владивосток, ул. Пушкинская 10, 26-08-03, факс (4232) 26-69-88

С диссертацией и авторефератом можно познакомиться в читальном зале ДВГТУ

Автореферат разослан ^ $ ¿у 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета / л Л Борисов Е.К.

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО ГЫ

Актуальность темы. Работа посвящена решению актуальной научной и народно-хозяйственной задачи: использованию энергии ветра на судах. Исследование в данной области может позволив облегчить решение сразу нескольких проблем экономических (повышение рентабельности морских транспортных перевозок), экологических (снижение вредною воздействия на окружающую среду), ресурсных (экономия дефицитного жидкого топлива) и социальных (улучшение обитаемости судов за счет уменьшения шума, вибрации, загазованности и т п.).

В настоящее время ветроиспользующис суда практически полностью вытеснены теплоходами, за исключением туристических и спортивных. Это обьясня-ется, в первую очередь, нестабильностью и рассеянностью энергии ветра. Эти недостатки ветра, как источника энергии, делают ветроиспользующие суда не конкурентоспособными в сравнении с гошшвоиспользующими. В го же время, увеличение числа топливоиспользующих судов и их водоизмещения во всем мире приводит к серьезным нарушениям экологии морей и океанов, нанося значительный вред флоре и фауне.

Многочисленные попытки создав конкурентоспособную судовую .шергети-ческую установку, использующую энергию ветра, успеха не имеют. Все известные устройства имеют серьезные недостатки, препятствующие их использованию на судах.

Традиционные паруса и другие подобные движители не позволяют накапливать энергию ветра и поэтому при его отсутствии необходимо использовать другой двигатель (обычно дизель). Ветроустановки (ВУ) вращающегося типа с передачей на винт позволяют накапливать энергию ветра, но имеют ряд серьезных недостатков: их сложно использовать на судне из-за повышенной опасности, шумное г и и т.п.

Фрикционные ВУ практически бесшумны и безопасны. Например, ротор Флетнера, работа которого основана на использовании эффекта Магнуса, обеспечивает судну приемлемые ходовые качества, но не может быть использован для накопления энергии, так как должен иметь д

Цель диссертации. Исследование и разработка фрикционной ветротур-бинной установки соответствующей требованиям, предъявляемым к судовым энергетическим установкам.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- выполнены аналитический обзор и обобщение научных работ по судовым ветроэнергетическим установкам (СВЭУ) и фрикционным турбинам (ФТ);

- выполнены теоретические исследования ФТ;

- разработана ветровая фрикционная турбина (ВФТ);

- на модели ветроустановки проведены экспериментальные исследования;

- разработана регрессионная модель влияния основных параметров установки на ее эффективность;

- на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований создана натурная действующая ВФТ и проведены ее испытания.

Методы исследований. Использованы теоретические и экспериментальные исследования по ВФТ, проектно конструкторское и математическое моделирование, разработана методика планирования и обработки экспериментальных данных. Основной метод работы - экспериментальный, что определилось сложностью исследуемых явлений, для которых практически невозможно получить чисто теоретическое решение.

Научная новизна состоит в:

- разработке научно - технических основ для проектирования судовых

ВФТ;

результатах экспериментальных исследований ВФТ; методике расчета основных параметров ВФТ; конструкции ВФТ;

конструкции экспериментального стенда.

Практическая ценность работы состоит в возможности применения полученных результатов для разработки СВЭУ, имеющей повышенную безопасность и бесшумность. Эти достоинства реализованы в проектах СВЭУ различной мощности и натурной действующей установки. Разработка ВФТ защищена патентом РФ

ВФТ используется в энергетике и имеет перспективы использования на строящихся и модернизируемых судах.

Достоверность и обоснованность результатов экспериментальных исследований, положений и выводов обеспечивается: соблюдением условий подобия при проведении экспериментов; оценкой погрешностей; проведением сравнительных экспериментов; экспериментальной проверкой полученного к п.д методом, применяемым ранее другими авторами; сравнением результатов исследований с результатами отечественных и зарубежных исследователей но ФТ, а также сопоставлением теоретических решений и выводов с результатами экспериментов, в том числе других исследователей, и проверкой этих решений при разработке и изготовлении натурной действующей установки; проверкой регрессионной модели на адекватность. '

Личный вклад автора. При непосредственном участии автора проводились: постановка задач исследования; проектирование конструкции ВФТ; разработка методики проведения экспериментальных исследований; анализ полученных данных. Лично автором выполнены: экспериментальный стенд, сопловой annapai и ФТ, натурные экспериментальные исследования, проекты фрикционных турбома-шин, а 1ак же обработаны полученные данные при помощи современных компьютерных технологий и предложена регрессионная модель расчета мощности и к.п д Положения, выносимые на защиту.

1. Ре1рессионная модель исследованных ВФТ.

2. Метод расчета основных параметров ВФТ

3. Технические решения, положенные в основу проектирования ветроустано-вок фрикционного типа полученные на основе комплекса экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на международных и ре1иональных научно - технических конференциях и семинарах: Международная НТК "Кораблестроение и океанотехника 11роблемы и перспективы". Владивосток, 1999; The fourteenth Asian Technical Fxchange and Advisory Meeting on Marine. TEAM-2000, Vladivostok, 2000, Международная конференция «Возобновляемая энергетика 2003», Санкт-Петербург, 2003; а также на научно-технических конференциях ДВГТУ в 1996 - 2004г

Публикации. Содержание диссертации представлено в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников (160 наименований) и приложения. Диссертация изложена на 122 страницах основного текста и включает 29 рисунков и 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении показана актуальность использования ветра для движения судов, несмотря на его недостатки: нестабильность по направлению, силе и т.д. Приведены примеры применения ветроиспользующих и фрикционных турбомашин в судовой atiepi ei икс, отмечено, что, несмотря на многообразие типов и конструкций таких установок, проблема использования энергии ветра полностью не решена.

В первой главе дан анализ работ по ветроиспользующим судовым энергоустановкам. Показано их многообразие по принципам действия и конструкциям Отмечены достоинства и недостатки. Недостатками, как правило, являются: сложность и громоздкость конструкции, опасность для экипажа и оборудования судна, сложность накопления энергии

Тысячи лет существует парусный флог, и за это время многие авторы Алчуджан Г А , Генов А.Г., Кузьменко А.В , Крючков Ю.С., Михайлов М.В , Михненков Л В, Вакулин К.Н., Соловьев А П., Фатеев Е.М., Царев Б.А, Д. де Рензо и другие занимались разработкой и исследованием различных вариантов ветроустановок. Некоторые авторы рекомендуют комбинированные установки. Отмечено, что большие перспективы имеют фрикционные турбины, которые просты, как в изгоювлении, так и в обслуживании Известны исследования и применение ФТ и других машин фрикционного типа в работах многих авторов. Бейли Ф., Оуэн Дж., Горин A.B., Давыдов А.Б., Ден Г.Н, Дорфман Л.А., Керт, Левн М., Наумов A.B., Мэтч Л., Раис В , Перельман Р.Г , Поликовсккй В.И., Хазингер, Цаплин М.И., Шерстюк А Н , Шиляев М.М. и др В основном исследованы Ф'1 малых размеров, причем в диапазоне больших скоростей, что мало подходит для использования их в качесте судовых ветродвигагелей Обычно установки изучают с варьированием малого количества параметров.

Обоснована актуальность работы, сформулирована цель и основные задачи для ее решения.

Во второй главе рассмотрено устройово и работа ВФТ В качестве основного объекта исследования принята ветрогурбина по патенту РФ № 2184872, 2002г (авторы Кончаков Е.И., Троицкий А.С., Фершалов Ю Я), как наиболее перспективная для решения поставленной задачи Данная ветроустановка представляет собой фрикционную центростремительную парциальная турбину специальной схемы (рис. 1). ФТ работает следующим образом- воздух входит в межлопагочные каналы направляющего аппарата (НА), в каналах он ускоряется и под острым уиюм в плоскости вращения натекает на диски рабочего колеса (РК).

Важная особенность данной турбины - НА расположен по всей окружное!и РК, но воздух поступает с одной стороны, что определяется спецификой работы и потоке ветра, который может поступать с любого направления. Это происходит в активной части турбины - правая часть рис 1 (Правая сторона схемы, относитель но оси вращения, является активной частью турбины, левая часть - неактивной).

Рис 1. Схема фрикционной центростремительной парциальной турбины Б- наружный диаметр РК, с! - внутренний диаметр дисков РК, А - расстояние между дисками, а - угол установки лопаток направляющего аппарата турбины

Поток воздуха за счет сил трения взаимодейавует с поверхностью диско», приводя ротор во вращение. Отдав энергию и но [еряв скорость, поток воздуха разделяется на две части. Одна часть выходит через осевое отверстие, а вшрая час!ь продолжает движение в зазоре между дисками и, пройдя центральную час I ь, попа-

дает в неактивную часть дисков РК - левая часть рис. 1. Так как диски вращаются, то воздух, находящийся в зазоре между ними, за счет сил трения захвашвается и под действием цешробежных сил выбрасывается из рабочего колеса. Таким обра-юм, чем больше скорость вращения РК, тем больше мощность, потребляемая ее неактивной частью В связи с тем, что мощность трения зависит от окружной скорости в третьей степени, на рабочих режимах ~ 7м/с потери невелики, но при больших скоростях ~ 12м/с и более потери резко возрастают и тормозят ротор. Это явление называется газодинамическим торможением, и оно весьма важно для вег-ро1урбины, работающей при постоянно изменяющейся скорости ветра, гак как ¿¡им обеспечивается ограничение максимальной скорости ротора, и соответственно уменьшаются напряжения в роторе от центробежных сил Кроме гого, чем больше скорость ветра, 1ем больше (за счет сил инерции) воздуха попадает в радиальную часть колеса и усиливает эффект торможения ротора.

В главе также приведен расчет 1ечения газа в междисковом пространстве для двух режимов течения: ламинарного и турбулентного, чю позволяет увеличить надежность и эффективность установки при ее проектировании.

В третьей главе изложена методика экспериментального исследования ФТ, включающая измерение и оценку погрешностей.

Особенности ФТ, такие как малые крутящие моменты и работа в свободном пространстве, не позволяют использовать стандартное оборудование, применяемое для исследования обычных турбин. Это потребовало разработать специальную методику исследований, а так же создать комплекс оборудования, основу которого составит! стенд (см рис. 2). На этом стенде проведены испытания одиннадцати ступеней ФТ. Здесь же дано подробное описание специально созданною оборудования, которое использовалось для исследования ВФТ.

Приведены результаты экспериментальных исследований, полученных в результате проведенных опытов с семью основными режимными и геометрическими параметрами. Планирование экспериментов осуществлялось на основе ме-юда Бокса-Бенкина, который позволил, обосновано сократить объем эксперимен-юв. Всего проведено 62 эксперимента, а с учетом необходимого числа повторений общее число опытов превысило 200.

Характерно 1ики испытанных ступеней ФТ приведены в таблице 1

Таблица 1

Характеристики ступеней ФТ

№ п.п. Диаметр наружн., мм Число дисков Зазор между дисками, мм Число отв. в дисках Шероховатость дисков, мм Угол установки НА, 1 рад Шаг лопаток 11 А, мм

1 270 8 8 0 0,05 15 25

2 270 8 8 0 0,05 15 55

3 270 8 8 0 0,05 25 40

4 270 8 8 0 0,05 15 40

5 270 8 8 1/160 0,05 25 40

6 270 8 8 1/178 0,05 25 40

7 270 8 5,6 1/178 1,2 25 40

8 270 ' 3 66 1/178 1,2 Г 25 40

9 270 4 22 1/178 1,2 25 40

10 270 8 7 1/178 0,5 25 40

11 270 4 22 1/178 0,5 25 40

Примечание: суммарная толщина дисков равна сумме толщин шероховато-

стей с обеих сторон и толщины дисков, равной 0,5 мм

Конкретные значения параметров и распределение их по уровням приведено в таблице 2

Таблица 2

Распределение варьируемых параметров по уровням

Уровень Параметры~-\_ -1 0 + 1

XI = Д3 0,8*10'2 1,6* 10"* 2,4*10 2

Х2 = С 0,5*10"4 0,25* Ю-' 1,0*10"

хз = Ррк 3,0* 10'2 3,6*10"" 4,2*10""

Х4=а 15 20 25

Х5-1 2,5* Ю^ 4,0*10'-' 5,5*10°

Х6=и 2 3 4

Х7=С 2 3 4

В качестве исследуемых параметров приняты' Д, - шлщнна междискового зазора (м), £ - шероховатость (м), Ррк - площадь рабочего колеса (м2), а - уюл уста-

новки направляющего аппарата (град), I - шаг направляющего аппарата (м), и - окружная скорость рабоче! о колеса (м/с), С - скорое [ь потока (м/с).

Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде (рис. 2).

Ф5080

1 - вентилятор, 2- регулятор подачи воздуха, 3- выравнивающее устройство, 4- измерительный комплекс, 5- ВФТ, 6- моментомер

Исследуемая модель ФТ (5) помещалась в потоке воздуха, выходящем из короба, в коюром расположено устройство, выравнивающее поток (3). Поток воздуха попадал в ФТ, приводя ее во вращение. Частота вращения измерялась электронным частотомером с помощью да1чика индукции

Воздух в короб направляется вентилятором (1) через регулирующее устройство (2) Выравнивающее уаройство (3) обеспечивав! равномерное поле скоростей потока воздуха поступающего на ВФТ. Комплекс приборов (4) обеспечива-е1 измерение скорости ветра и частоты вращения ротора ВФТ Крутящий момент измеряется с помощью момент омера (6)

Направляющий аппарат (НА) в ветротурбинной установке выполняет несколько функций, как и в обычной турбинной ступени служи! для направления потока 1аза на рабочее колесо 1урбины, преобразуя при этом располагаемый напор в скорость и, кроме того, ограждает роюр Поэтому исследованию НА уделено осо-

бое внимание Еще одна особенность НЛ заюночаеюя в том, что он должен эффективно работать при любом направлении ветра В соответствии с этим и для упрощения конструкции профиль лопаток НА принят плоским Результаты экспериментальных исследований приведены на рис 3-14

Необходимо отметить, что формулы относительной мощности и кпд, приведенные ниже, получены в результате аппроксимации экспериментальных значений, измеренных при скорости рабочего тела равной 4 м/с Причем, относительная мощность N = N/Nmax , где N - экспериментальное значение мощности, полученное при изменении значений одного факюра, а ,Vn;d., - максимальное значение мощности, полученное при изменении этого же фактора Значения кпд П = N/Nm .

С3

Nm = г^/, sin от,/ю-J-, Вт-

где N,n - мощность теоретическая, Вт; Дср - средний диаметр соплового аппарата, м, /с- высота направляющих лопаток, м; а, - угол установки направляющих лопаток, град.; р - плотность воздуха, кг/м3; С, - скорость воздуха, м/с, ь - парциальность

На рис 3 дана зависимость ошосительной мощности от относиiejibnoiо

шага НА для различных скоростей воздуха Где t =t/b Относительный rnai

t изменялся в диапазоне от 1,3 до 2,8 При этом изменение мощности N состави ю 35%, и с уменьшением относи 1ельного шага мощность увеличивалась

-12-1 N '

1 -0,8 0,60,4-

Рис 3 . Зависимость относительной мощносш от относительного шага направляющего аппарата при различных скоростях рабочего тела

4 м/с

3м/с

В результате аппроксимации данных полученных экспериментальным путем пришли к выражению относительной мощности.

1,385-0,3067 + 0,01 872.

На рис. 4 дана зависимость к п.д. от относительного шага НА для различных скоростей воздуха. Относительный иш изменялся в том же диапазоне, а значения

к п.д Л изменялись от 27% до 41%, при чем с уменьшением относительного шага к.п.д. увеличивайся

7] 0,5 т 0,450,40,350,30,250,20,150,1 -0,050 ---------Г--—Л-----

0 1 2 3^4

Рис 4 Зависимость к п д о I относительного шага направляющею аппарата при различных скоростях рабочего тела

Аппроксимирующее выражение зависимости к.п.д. от шага НА:

/7 = 0,41-0,27 + 0,03572.

Угол НА - одна из важнейших характеристик, влияющих как на мощность, так и на к п д. всей установки. На рис. 5 показано влияние угла а направляющего аппарата на мощность для различных скоростей воздуха При изменении угла о г 15° до 25° изменение относительной мощности установки составило 60%.

Формула, определяющая зависимость изменения мощности 01 угла НА

N = -1,44 + 0,16а -0,003а2.

N

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

13

15

17

19

21

23

25 27

а

Рис. 5 Зависимость относительной мощности от угла установки направляющего аппарата при различных скоростях рабочего тела

На рис 6 показана зависимость к п д от угла НЛ. При последовательном увеличении угла НА увеличивалось и значение к п д. 01 15% до 43%. 0,6-

ц

0.5 0,4 0,3 0,2 0,1

13

15

17

19

21

23

25

а

Рис 6. Зависимость к.п д. от угла установки лоиаюк направляющею аппарата при различных скорос!ЯХ рабочего тела

Формула зависимости к.п.д. от угла НА:

77 = 0,05 + 0,001а + 0,0002а2

13

Следующая характеристика, заметно влияющая на к.п.д ветроус гановки -относительная площадь дисков рабочего колеса. Из рис. 7 следует, что относительная мощность установки растет с увеличением относительной площади рабочего колеса (РК). Где Р - Р/Г-'тах Каждая из кривых соответствует определенной скорости рабочего

- 1,2 N

1 0,8 0,6 0.4 0.2 О

4м/с

3м/с

2м/с

0.6

0.7

О,В

0,9

1,1

тела. При

скорости рабочего тела 4 м/с относительная площадь из-

менялась от 0,72 до 1, при этом относительная мощность увеличилась на 10%.

Рис 7 Зависимость относительной мощности от относи!ельной площади дисков рабочего колеса при различных скоростях рабочего тела

Зависимости относительной мощности от площади дисков имеет вид'

N = -0,257 + 2,48^ -1,222^2.

На рис. 8 приведены зависимости к.п.д. установки от относительной площади. Установлено, что при различных скоростях рабочего тела кривые ведут себя

1

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

г „ и-Зм/с

2м/с

по-разному: при скорости 2 м/с к.п.д. установки уменьшается, в то время как при скоростях 3м/с и 4м/с к.п.д.

увеличивается примерно на

о,в

0,7

о.в

0,8

_ 1.1 23%.

Рис. 8 Зависимость к.п д установки от относительной площади рабочего колеса при различных скорое 1ЯХ рабочего тела

Аппроксимации данных выражающих зависимость к.п.д от площади дисков имеет вид:

7 = -0,777 + 2,48/^-1,223/^.

На рис. 9 показана зависимость относительной мощности от относительного зазора. Где Д = А/Кгк Изменение зазора между дисками РК оказывает на мощность ВФТ и на ее к п д. заметное влияние, т.е. с увеличением относительна о зазора значение относительной мощности снижается. Так, при изменении относительного зазора от 0,6 до 1,8, относительная мощность уменьшилась на 20%

Формула, полученная в результате аппроксимации значений опюси1ельной мощности от величины зазора между дисками, при скорости 4м/с имеет вид:

N -1,07 - 0,103А - 0,029А

1 -

0,8 -

0,6 -

0,4

0,2

0 -0

Рис 9 Зависимость относительной мощности установки от относительного зазора между дисками рабочего колеса при различных скоростх рабочего тела

На рис 10 видно влияние относительного зазора на к п д установки при различных скоростях рабочего тела. Кривые существенно отличаются друг от друга При скорости рабочего тела 2 м/с кривая к.п д. стабильно падает с увеличением относительного зазора, а кривые с большими скоростями - 3 м/с и 4 м/с, имеют параболический характер с точкой максимума. Относительный зазор изменился от 0 6 до 1,8 , т.е. в три раза, а к.п.д. изменился не более чем на 1/3

Зависимость к.п.д. от зазора выражена следующим выражением-

7] = 0,205 + 0,025А - 0,029А

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 - 1,9

Д

Рис 10 Зависимость к п д установки от относительного зазора между дисками рабочего колеса при различных скоростях рабочего тела

Наиболее важной переменной является шероховатость дисков рабоче1 о колеса, гак как ветроустановка является турбиной трения, в которой шероховатость поверхности определяет интенсивность взаимодействия потока воздуха и дисков. Поэтому влияние шероховатости исследовалось наиболее тщательно.

На рис. 11 приведены зависимости относительной мощности от шероховатости для различных скоростей рабочего тела. Все гри кривые имеют форму вогнутой параболы. Шероховатость изменялась в пределах от 0,5-10'4 м до 0,1 ■ 10'3 м. Изменения относительной мощности составило 20%.

0,4 -0,2 -о -

О 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012

С. м

Рис. 11. Зависимость ошосшельной мощности установки от величины шероховатости дисков при различных скоростях рабочего тела

Формула, описывающая взаимосвязь мощности и шероховатости имеет вид.

N = 0,909 - 540,32^ + 630877£2.

На рис. 12 дана зависимость к.п д установки ог шероховаюсш При скорости рабочего тела 2 м/с кривая зависимоеш плавно возрастает с увеличением значений шероховатости. При скорости 3 м/с и 4 м/с кривые кпд предс1авляют собой вогнутые параболы. Шероховатость варьировалась в тех же предетах, как показано выше. В то время как кпд. изменялся в пределах от 20% до 42%

0.46 ■ 0,4 0,35 0,3 0,26 0.2 0,15

0,0002 0,0004 оооое

0.0012

Рис 12 Зависимость к п д усгановки от величины шероховатости дисков при различных

скоростях рабочего тела

Зависимость к.п.д О! величины шероховатости аппроксимирована следующим выражением:

77 = 0,2 + 0,35+ 39766,08£2

Наиболее важной и влияющей на параметры ветроустановки характерисш-кой является скорость рабочего тела, т е. ветра

Па рис. 13 дана зависимос!ь мощности установки 01 величины скорости рабочего тела. Здесь С = С/С' тах.

_ 1,2 N

Рис 13 Зависимос/ь ошосительной мощности усгановки ог величины скорости рабочего тела при различных углах установки НА 17

При уветичении скорости рабочего тела увеличивалась и мощность установки Значения скорости изменялись от 2 до 4 м/с, а мощность в этом диапазоне изменилась ботсе чем на 60%, при этом зависимость величин имеет следующий вид'

N = - 0,002 + 0,338С + 0,664С2.

На рис 14 показано влияние скорости рабочего тела на к п.д. установки Значения кпд снижаются при увеличении параметров рабочего зела При углах направляющего аппарата 20° и 25° кривые имеют параболический характер, а при 15° изменения значений приобретают почти прямолинейный характер. При изменении скорости от 2 м/с до 4 м/с, изменения к.п д составило более 50%.

п

с

Рис 14 Зависимость кпд установки от скорости рабочего 1ела при различных углах установки НА

Аппроксимирующее выражение имеет вид:

7 = 1,64С-1,44С2.

В четвертой главе описаны результаты обработки данных экспериментальных исследований Приведена методика оптимизации исследованных режимных параметров

Для проведения оптимизации режимных параметров использован метод Бокса-Бенкина, как наиболее удобный и точный в нашем случае При использовании оптимальных планов данного метода, рассматриваются три уровня варьирования факторами -1, 0, +1 Численные значения переменных на этих уровнях принимаются исходя из условий границ изменения факторов Связь относительных и абсолютных параметров выражается зависимостью'

18

X -У о,

а,

где X, - относительное значение ¡-го фактора; X, - абсолютное значение 1 го фактора; Х01 - абсолютное значение ¡-го фактора в центральной шчке, а, - иш изменения 1-го фактора.

Для нахождения оптимального значения исследуемого параметра использовано уравнение:

я я я

1=1 1=1 7=1 1 " 1 V"! -

где к =7о; Ь- ; Ьу =ъЪ\хиУ» ;

24 и=1 8 К=|

1 А 1 АД V

16и=1 144^^ 3

Выполнен расчет оптимальных режимных параметров. На основе полученных данных была построена регрессионная модель расчета мощности ВФТ:

N = 36-6,58х, +0,47х,2 -0,38х,х2 -0,38х,х3 -1,88х,х4 -0,38х,х, -1,25х,х6 -

-4,25х,х7 +2,ЗЗх2 +0,36*2 -0,13*2*3 + 0,88*2х4 -0,25х2х5 +0,38х2х6 + 1,5х2х7 + + 1,67*3 +0,25*3 +0,5*з*4 _0,13*з*5 +0,38*3*6 +*3*7 +12,17*4 +0,22*4 ~

-0,88*4*5 +2,12*4*6 +7,75*4*7 ~2,67*5 +0,5*52 -0,6х5х6 -1,75*5*7 +7*6 + + 0,44х2 + 4,75*6х7 + 23,83Х7 + 1,67х2.

Данная регрессионная модель позволяет рассчитать мощность ВФТ в широком диапазоне режимных и геометрических параметров, что дает возможное 1ь проводить оценочные и оптимизационные расчеты ступеней ВФТ в вышеприведенном интервале изменения параметров.

В пятой главе приведены примеры использования методики расчета неметрических и режимных параметров ФТ

Описаны конструкции турбомашин, при проектировании которых использованы полученные автором методики расчета. Для оценки работоспособности ВФТ и возможности использования ее для целей энергообеспечения в лаборатории

кафедры Судовые двигатели внутреннего сгорания и установки ДВГТУ

19

федры Судовые двигатели внутреннего сгорания и установки ДВГТУ разработана натурная действующая ВФТ ограниченной мощности (рис. 15). Она изготовлена и установлена на здании в пригороде г. Владивостока и успешно используется по прямому назначению более двух лет Испытания показали возможность использования подобных установок в качестве вспомогательных в судовых условиях

На кафедре СДВС и У ДВГТУ, разработан проект главной СВОУ (рис 16), включающей в себя собственно ВФТ, аккумулятор энергии (маховик) и другие необходимые элементы, обеспечивающие выполнение всех режимов движения судна при любом состоянии ветра ВФТ так же может работать при любом направлении ветра и при любом режиме движения судна (в частности, при стоянке судна ВФТ приводит во вращение маховик, накапливая энергию). Вращение ротора способствует повышению остойчивости судна и уменьшению качки. Конструкция ВФТ обеспечивает безопасность эксплуатации, так как ротор огражден лопатками направляющего аппарата ВФТ практически бесшумна и не влияет на работу радиоаппаратуры.

Г,

и

и

тг

Рис 15. Схема ветротурбинной энергоустановки фрикционного типа. 1,2- подшипники, 3,5,6,7,8,9 - детали корпуса, 4,10,13 -детали ротора, 11 - генератор

М], М2, Мз - муфты, М4 - гидромуфта, 1,2,3,4 - шестерни ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Установлено, что, несмотря на большое количество видов вефоустано-вок, нет ветроустановок полнос!ью соответствующих требованиям использования в судовых условиях и в первую очередь по безопасности.

2. Разработана ВФТ нового типа, имеющая на 10% большую эффективность в сравнении с известными, работа которых основана на использовании эффекта Магнуса, так как не только не требует привода для вращения, а сама вырабатывает мощность, направляемую на вращение гребною вин 1а и других потребителей. Существенно повышена безопасность установки за счет следующих особенностей конструкции: ограждения ротора неподвижными лопатками направляющею аппарата и уменьшении парусности.

3. Впервые проведены экспериментальные исследования дисковой ФТ, используемой в качестве ветротурбины, для чего создан специальный экспериментальный стенд, моделирующий работу ФТ в потоке воздуха и обладающий высокой чувствительностью к изменению режимных и геометрических параметров. Максимальная относительная погрешность при измерениях не превышала 1,5%, а в большинстве случаев была менее 0,5 % Проведены экспериментальные исследования, спланированные на основе физической модели и в достаточно широком

21

диапазоне изменения геометрических и режимных параметров ФТ. В частности, зазоры между дисками PK изменялись в четыре раза, окружная скорость изменялась в три раза и т.д. Эксперименты, проведенные на натурной установке, подтвердили разработанную математическую модель Расширен диапазон исследований ФТ, что делает возможность применения их для расчетов ФТ, работающих на энергии ветра.

4 На основе экспериментальных исследований автора разработана регрессионная модель расчета мощности ВФТ, которая позволяет точно рассчитывать характеристики ВФТ различной конструкции. Проверка регрессионной модели ВФТ, проведенная по результатам экспериментальных исследований, показала, что данные, полученные в результате численного эксперимента, лежат в области доверительного интервала (-0,15 - +2,5)% экспериментальных данных, что говорит об их адекватности.

5. Спроектирована, создана и введена в эксплуатацию вспомогательная ВФТ, на которой проведен ряд дополнительных экспериментов, подтвердивших основные результаты исследований.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1 Экспериментальные исследования малоразмерного центробежного компрессора/ Д А Бакун, A.A. Бондаренко, Е.И. Кончаков, И.Е. Кончаков//Материалы региональной научной конференции' Молодежь и научно- технический прогресс.-Владивосток: Изд-во ДВГ I У, Ч 1, 2000. - С. 45.

2 Кончаков, Е.И. Однодисковые турбокомпрессоры/ Е.И Кончаков, И.Е Кончаков// Проблемы энергетики.- 2001.- № 3-4 - С. 22-29.

3. Кончаков, Е.И. Разработка и исследование однодискового фрикционного малонапорного турбокомпрессора (ОФМТК)/ Е.И. Кончаков, И.Е. Кончаков, A.A. Бондаренко// Материалы НТК' Молодежь и научно-технический прогресс.- Владивосток-Изд-во ДВГТУ, 2002,-С 23.

4 Кончаков, Е.И. Эксперимен1альные исследования однодискового фрикционного малонапорного 1урбокомпрессора (ОФМТК)/ Е.И Кончаков,

Ю Я Фершалов, И Е Кончаков// Исследования по вопросам повышения эффек-

22

тивности судостроения и судоремонта - Владивосток' Изд-во ДВГТУ, 2002,- НТО Вып. №42.-С. 128.

5. Кончаков, Е.И. Ветросолнечная установка/ Б.И Кончаков, И Е. Конча-ков// Международная конференция: Возобновляемая энергетика 2003/ Конгресс-центр «Питер-хофф».- С.-Петерб., 2003.- С. 400 - 406.

6. Ветротурбинная установка: пат 2240442 Рос Федерация МКИ7 Р 03 Б 3/00. / Кончаков Е.И., Кончаков И.Е , Кончаков Д Е , заявитель и патентообладатель Дальневосточный гос. технический ун-т,- заявл. 28.03.03; опубл.20.11.04, Бюл. № 32 -2 с: ил.

7. Кончаков, Е.И. Исследование судовой ветротурбинной установки/ Е.И. Кончаков, И.Е. Кончаков// Материалы НТК: Молодежь и научно- технический прогресс. - Владивосток- Изд-во ДВГТУ, 2004,- С 76.

8. Кончаков, Е.И. Ветросолнечная установка общей мощностью 15 кВт/ Е И. Кончаков, И.Е. Кончаков// Материалы НТК: Вологдинские чтения - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2004.-С. 53.

»16 107

РНБ Русский фонд

2006-4 14994

Кончаков Иван Евгеньевич

Судовая ветротурбинная фрикционная установка

Автореферат

Подписано в печать 31.08.05. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 124

Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, ул. Пушкинская, 10