Теория и методы проектирования ортогональной турбины

• Автор: Спирин, Евгений Анатольевич
• Шифр специальности: 05.02.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Состояние проблем в области проектирования и исследования ортогональных турбин и их элементов
1.1 Анализ работ в области разработки и исследования ортогональных турбин
1.2 Исследования в области работоспособности турбины
1.3 Исследования в области динамики турбины
1.4 Расчетные методы исследования НДС турбины
2. Моделирование ортогональной турбины
2.1. Описание ортогональной турбины средствами объектноклассификационного моделирования
2.2. Математические модели объектов исследования
2.2.1 Силовая модель лопасти, учитывающая изменение характеристик лопасти при изменении угла атаки
2.2.2 Модель водного потока
2.2.3 Модель лопастной системы
2.2.4 Оптимизационные модели
2.3 Решения уравнений моделей
2.3.1 Решений уравнений водного потока
2.3.2 Решений уравнений лопастной системы
3. Программная реализация алгоритмов
3.1 Подсистема оптимизации параметров ортогональной турбины
3.1.1 Модуль градиентной оптимизации
3.1.2 Модуль генетической оптимизации профиля лопасти
3.2 Подсистема проектирования ортогональной турбины
3.3 Модуль конечно-элементного анализа рабочих процессов
3.3.1 Модуль определения аэродинамических характеристик крыла
3.3.2 Модуль численного решения уравнений Навье-Стокса
3.4 Подсистема проверки работоспособности ортогональной турбины
3.4.1 Модуль решения задач статики и динамики МГЭ
3.4.2 Модуль расчета конструктивных элементов
4. Экспериментальные исследования

4.1 Численный эксперимент
4.1.1 Обдувка профилей крыла в аэродинамической трубе
4.1.2 Моделирование рабочего процесса турбины
4.1.3 Определение НДС
4.1.4 Моделирование динамики гидрогенератора
4.2 Натурный эксперимент
4.2.1 Испытания свободнопоточной турбины
4.2.2 Испытания турбины под напором
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность работы. В России области централизованного энергоснабжения составляют не более 31% территории, при этом продолжается рост электропотребления. Промышленное развитие Сибирского региона и Дальнего Востока, а также Кавказа, Урала и Кольского полуострова, увязано с концентрацией основного гидроэнергетического потенциала в данных регионах. Реализация энергетического потенциала многоводных и горных рек, а также набольших водотоков возможна при применение малых гидроэлектростанций.
В 2005 - 2010 гг. специалисты НИЛ «Возобновляемые источники энергии» доказали целесообразность применения ортогональной турбины в составе свободнопоточной микроГЭС.
На сегодняшний день отсутствует обобщенная методика проектирования ортогональной турбины. Необходимость в создании такой методики обусловлена потребностью в применении ортогональных турбин в составе микроГЭС в широком диапазоне мощностей и условий ее эксплуатации.
Цель диссертационной работы - разработка теории и методов проектирования ортогональных турбин, обеспечивающих повышенные технические параметры и качество изделия на этапе проектирования.
Основные задачи исследования:
1. Создание модели рабочего процесса ортогональной турбины в свободном потоке, учитывающей геометрию лопасти и лопастной системы в целом, торможение потока, позволяющей обеспечить работоспособность турбины и ее элементов.
2. Исследование влияния параметров турбины на ее энергетические характеристики.

где, со- угловая скорость вращения ротора, /- время.
Аппроксимировав производные по скорости и времени с помощью разностной схемы, и выразив требуемое значение угловой скорости, получим:
Т ■ г (28)

где, Т = ҐІ - £;_!•
Или в более точном представлении:
Г1 т((Рі)
со і — а)(_г + I —-— (И, (29)
^<Рі-1 '
Аналогичным образом получаем уравнение угла поворота турбины:
ді = Ші ■ г + (9і_х (ЗО)
Вычисление значений крутящего момента производится на каждой итерации вычислительного цикла по уравнениям (6-14)
Качественная картина изменения мощности, полученной на основе созданной математической модели, показана на рисунке 8, и соответствует графикам, построенным по результатам натурных испытаний.