XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение характеристик ротора Угринского

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чистяков А.Д. 1

---

1МАОУ "Гуманитарная гимназия №8" г. Северодвинск

Лыбашев А.В. 1

---

1МАОУ "Гуманитарная гимназия №8"

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ.

Тема нашей работы – определение характеристик ротора Угринского.

Ротор Угринского — это турбина, применяемая для вращения генераторов и использующая энергию потока жидкости или газа. Она придумана советским инженером К.А. Угринским в 1946 году. Состоит из двух лопастей, имеющих в сечениях вид черпака с ручкой и расположенных так, что в любой момент времени какая-то часть ротора направлена навстречу потоку газа или жидкости.
Ротор имеет заявленный КПД до 46 %, максимум установлен на идеализированном объекте – компьютерной модели. Строительство ветротурбин такого рода целесообразно в районах, где среднегодовая скорость ветра больше 3 м/с. Согласно карте средней скорости ветра в России сюда входит побережье Белого моря, а это, в первую очередь, север и запад Кольского полуострова и территории западнее Беломорско-Кулойского плато, хотя частные ветроэлектростанции (ВЭС) целесообразно строить и на территориях восточнее устья Онеги.

Актуальность нашей работы заключается в том, что во всем мире непрерывно растет интерес к «зеленой» энергетике, к возобновляемым источникам энергии. Изначально ротор Угринского меня, ученика, занимающегося судомоделированием, заинтересовал как движитель судна. В сети Интернет имеется огромное количество страниц с информацией об этой ветротурбине, приводятся некие характеристики ротора, на форумах, посвященным ветрогенераторам одни любители говорят о КПД в 20-30%, другие о 30-40%, третьи вообще называют 10-20%, но нигде нет никаких конкретных расчётов. Мы заинтересовались реальным КПД ротора Угринского, и захотели выяснить зависит ли, и если зависит то как, КПД ротора от скорости ветра.

Таким образом, цель нашего исследования – определить зависимость КПД ротора Угринского от скорости ветрового потока, ометающего ротор.

Для достижения данной цели мы поставили следующие задачи:

Изучить чертежи и принцип работы ротора Угринского;

Построить модель ветротурбины Угринского;

Найти КПД ротора Угринсого;

Изучить зависимость энергии вращения ротора от мощности воздушного потока.

Основными методами нашего исследования станут анализ научной литературы, наблюдение, эксперимент.

Объект нашего исследования - ротор Угринского.

Предмет исследования – зависимость КПД ротора Угринского от скорости ветра.

Наша гипотеза: при увеличении скорости ветра линейно растет КПД ротора.

1 Ветротурбины

1.1 Горизонтальные

Ось ротора вращается параллельно земной поверхности. Имеет большую мощность преобразования энергии ветра в переменный и постоянный ток. Разные модификации горизонтальных установок имеют от одной до трех лопастей и более. Поэтому коэффициент полезного действия намного выше, чем у вертикальных. Недостатки ветрогенераторов − в необходимости ориентировать их на направление ветра. Постоянное перемещение снижает скорость вращения, что понижает его производительность.

Разновидности – одно- дву- трех- четырех- многолопастные, с аэродинамическим профилем и парусные¹. (Приложение 1).

1.2 Вертикальные

Турбина расположена вертикально по отношению к плоскости земли. Начинает работать при небольшом ветре. Вертикальные преобразователи силы ветра в энергию часто используются для бытовых нужд. Эти виды ветрогенераторов просты в обслуживании. Основные узлы, которые требуют внимания, находятся в нижней части установок и свободны для доступа.

Разновидности – ротор Савониуса, ротор Угринского, ротор Дарье, горизонтальная ветротурбина с направляющей системой.² (Приложение 1).

1.3 Ротор Угринского

Ротор Угринского — модификация турбины Савониуса, представленная К.А.Угринским в 1946 году. Может быть использован для работы в жидкостях и газах. Состоит из двух лопастей, имеющих вид буквы S и расположенных так, что в любой момент времени какая-то часть направлена навстречу потоку.
(Схема и фото ротора Угринского – Приложение 1).

2 Строение ротора Угринского.

2.1 Конструкция ротора.

У ветряка Угринского имеется две пары лопастей.

Каждая пара имеет разный профиль. Одна половина имеет загнутую в продольном направлении рабочую поверхность. Вторая половина прямая. В сечении такая лопасть напоминает ковш с ручкой. Вторая пара лопастей такая же в сечении, установлена симметрично относительно оси вращения. Между парами лопастей остается зазор для свободного прохождения воздушного потока. Лопасти крепятся на диски, в центр вставляется стержень.

2.2 Изготовление модели ротора.

Вырезаем 4 круга из упаковочного картона, 2 – откладываем, на оставшихся чертим разметку профиля лопастей по размерам, указанным на чертеже, разрезаем по разметке. Если необходимое отношение длины ротора к высоте имеется, то через пропорцию находим высоту лопастей ротора, через формулу длины дуги находим длину лопастей. Клеим эпоксидным клеем средние части разрезанных кругов на целые круги, линии лопастей должны располагаться как на чертеже, одну из заготовок откладываем, на другую клеим каплеобразные боковые части так, чтобы между ними и средней частью образовались небольшие желобки. Вставляем в них лопасти и зажимаем боковыми частями которые приклеены, но ещё не просохли, повторяем операцию с другой стороны, когда первая просохнет, когда высохнут обе - проделываем в центрах кругов отверстия, куда вставляем заточенный с двух сторон стержень, закрепляем его эпоксидным клеем или пластилином. (Схема сборки – Приложение 1).

3 Исследование ротора Угринского.

3.1 Определение момента инерции.

На одном их этапов исследования ротора Угринского у нас возникла идея найти связь между скорость ветрового потока и кинетической энергией вращения ротора. Для определения энергии вращающегося тела необходимо знать момент инерции вращающегося тела. Идею нахождения момента инерции собранного ротора мы подсмотрели в этом источнике³. В нем описан метод нахождения момента инерции методом махового колеса (Приложение 2).

Расчет момента инерции:

m₁gh₁ + +/A_тр/ (1)

m₂gh₂= + +/A_тр/ (2)

a=

h=

v=

w= =

Aтр₁=Атр_2, т.к условия эксперимента не меняются, скорости сравнимы.

Вычитаем из(1) уравнения(2)

Заменяем w

Выражаем I

I=

Таблица данных и результата:

При определении момента инерции основную погрешность мы допускаем при измерении времени опускания груза из-за скорости реакции человека ( (0,2+0,2)/3,21≈0,12 или 12%). Погрешностями определения m, h можно пренебречь. Поэтому конечный результат мы получаем с погрешностью порядка 12%.

3.2 Определение кинетической энергии вращения ротора при различных частотах вращения.

Энергия вращения ротора E=I•ω²/2=I•4•π²•n²/2

Таблица_1 расчета кинетической энергии ротора при различных скоростях ветропотока и график зависимости Ек ротора
от скорости ветра в Приложении 4.

3.3 Определение коэффициента передачи энергии воздушного потока ротору.

Коэффициента передачи энергии воздушного потока ротору по сути это и есть КПД ротора: он показывает, какая доля мощности воздушного потока отбирается ветроколесом.

Формулу для расчета мы получили путем следующих рассуждений:

Ветер со средней скоростью v обладает кинетической энергией:

Ев= , (1) где Ев- кинетическая энергия ветра в Дж, -масса воздушного потока в кг, - скорость ветра в м/с.

Мощность данного ветра – его кинетическая энергия в единицу времени:

N= = (2), где m- масса воздуха, проходящего через ротор за 1 секунду.

Учитывая, что m=V*p можно рассчитать расход воздуха за одну секунду : , где s-расстояние, проходимое воздушной массой за 1 секунду, т.е. скорость воздушного потока, А- площадь воздушного потока (т.н. ометаемая площадь)

Преобразовав (1) и (2), получим мощность ветрового потока:

N=

Согласно закону Бернулли расход воздуха за одну секунду остается постоянным в сечении потока до ротора, в месте нахождения ротора и за ротором:

А- площадь, ометаемая ветроколесом, А₁ и А₂-площади поперечных сечений, проходящих через ветроколесо ветрового потока соответственно до и за ним, v₁, v₂ и v-скорости в сечениях А₁, А₂ иА.

Действующая на ветроколесо сила F равна изменению импульса массы проходящего через него в единицу времени воздуха: F=

Мощность, развиваемая этой силой, т.е. мощность

ветроколеса: Nв=F*v=

Скорость ветра в сечении ветроколеса:

Мощность, развиваемую ветроколесом можно записать: Nв=

В случае отсутствия ветроколеса, в этом сечении мощность ветрового потока составила бы: N=

Отношение отобранной мощности ветроколесом NB к обладающей мощности ветрового потока N назовем КПД η:

Исследования проводились на установке, фото которой можно видеть в Приложении 3. Скорость ветрового потока измерялась анемометром, частота вращения ротора датчиком частоты вращения. У датчика частоты вращения пришлось убрать «родной» ротор, и чтобы он считал обороты нашего ротора, к ротору Угринского пришлось прикрепить диск наполовину непрозрачный, наполовину прозрачный. Значение скорости ветра, измеренное анемометром выводится на встроенный дисплей датчика, датчик частоты вращения подключен через компьютерный измерительный блок L-микро ичастота вращения ротора выводится на экран монитора компьютера. Изначально планировалось получать ветровой поток с помощью квадрокоптера, частоту вращения пропеллеров, которого регулировать с пульта управления, но впоследствии квадрокоптер заменили пылесосом, работающим на выдув воздуха и регулировать скорость ветропотока, меняя расстояние от пылесоса до ротора.

Результаты эксперимента сведены в таблицу 2 (Приложение 4). По результатам эксперимента построены графики зависимость КПД ротора от скорости ветра (Приложение 4) и Сравнение изменения скорости ветропотока и КПД ротора (Приложение 5). Погрешность анемометра по паспорту - 5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проделав эту работу, мы выяснили, что при увеличении скорости ветра линейно увеличивается КПД ротора (График 2). Поэтому, выдвинутая нами гипотеза подтвердилась.

Попутно, по результатам исследования мы пришли еще к некоторым выводам.

Упоминаемые на форумах любителей ветроэнергетики значения КПД ротора Угринского нами получены (Таблица_2).

Анализируя График 3, мы приходим к выводу, что КПД ротора Угринского незначительно возрастает при значительном увеличении скорости воздушного потока (примерно в 1,5 раза вырос КПД в наших опытах и более чем в 3 раза скорость ветропотока)-т.е. ротор Угринского будет примерно одинаково отбирать энергию воздушного потока в большом диапазоне скоростей ветра.

Анализируя Графика 1 приходим к выводу, что зависимость кинетической энергии ротора от скорости ветра близка к параболической.

Ротор должен быть тщательно отцентрован. У нас это идеально не получилось, и при больших частотах вращения ротор вываливался из системы крепления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

Овсецова Т.И. Определение момента инерции махового колеса методом вращения. [Электронный ресурс] URL: http://www.unn.ru/books/met_files/Ovsetsina_metod_vraschenii.pdf (дата обращения 22.12.2020).

Ветроэнергетика. [Электронный ресурс] URL: https://present5.com/vetroenergetika-1-energiya-vetra-eto-forma (дата обращения 22.12.2020).

Все об альтернативной энергетике. [Электронный ресурс] URL: https://tcip.ru/blog/wind/osnovnye-vidy-vetrogeneratorov-vertikalnye-gorizontalnye.html

Приложание 1

Виды горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) ветротурбин

Схема ротора Угринского.

Фото ротора Угринского, изготовленного нами для исследования.

Приложение 2

Установка для нахождения момента инерции ротора
методом махового колеса..

Экспериментальное определение момента инерции
методом махового колеса..

Приложение 3

Фотография установки в сборе.

Фото датчиков частоты вращения и скорости ветрового потока.

Приложение 4

График 1

Т аблица_1.

Таблица_2

График 2

Приложение 5.

График 3