Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Факультет (институт): информационных технологий

Кафедра: Системы автоматизированного проектирования

наименование кафедры

Отчет защищен с оценкой: __________________

Преподаватель: ______________ М.Н. Агапов__

(подпись) (и.о.фамилия)

“____”______________ 201_ г.

дата

План-проспект дипломного проекта

«САЕ – моделирование лопасти ветроколеса»

по дисциплине: НИРС

Студент группы: САПР-72 А.В. Якушев

и.о. фамилия

Преподаватель: профессор М.Н. Агапов

и.о. фамилия

БАРНАУЛ 2011

Тема дипломного проекта:«САЕ – моделирование лопасти ветроколеса».

Введение.

Целью данной работы является создание средств позволяющих автоматизировать построение модели лопасти ветроколеса, а также моделирование аэродинамических нагрузок на него. Использование данного метода проектирования на практике позволит сущест­венно повысить производительность и эффективность работы проектиров­щиков, выполняющих эту работу вручную.

Процесс моделирования обтекания лопасти ветроколеса воздушным потоком состоит из следующих этапов:

• создание геометрической модели лопасти при помощи созданного макроса;

• моделирование аэродинамических нагрузок;

• анализ результатов с возможным последующим повторением расчёта в зависимости от характера выходных данных.

Для осуществления моделирования в данной работе применяются CAD/CAE-системы – программные пакеты, использование которых позволяет наиболее точно рассчитать аэродинамические свойства модели.

Математическим инструментом моделирования и анализа, реализованном в данных программных пакетах, является метод ко­нечных элементов, который в настоящее время получил широкое распро­странение, поскольку с его помощью решаются задачи практически любой сложности, при одновременно высокой степени автоматизации расчетов и анализа их результатов.

Актуальность этой работы состоит в возможности сокращения времени при проектировании лопасти, уменьшения затрат и повышения качества.

Практическая значимость дипломной работы состоит в сокращении временных и трудовых ресурсов, требуемых при проектировании лопасти ветроколеса.

Результатами дипломного проектирования является создание средств для автоматизации проектирования лопасти ветроколеса и внедрение их на кафедру САПР АлтГТУ».

Глава 1.

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением яв­ляется вполне сложившимся направлением энергетики. Примерно с 1973 года, когда резко возросли цены на нефть и нефтепродукты, энергия ветра все более часто стала использоваться для выработки электроэнергии во многих странах Мира, особенно в Европе и США. В России, ветроэнергетика отстает от веду­щих стран, хотя географическое положение нашей страны наиболее благоприятно для использования именно этого вида ВИЭ. Особенно справедливо это для степных районов России.

Проектирование новых ВЭУ является сложным процессом. Необходимо чтобы при номинальных скоростях ветра вращение ветроколеса обеспечивало нужную скорость и вращающий момент. Крутящие моменты и скорости вращения ветроколес зависят от профиля лопасти, ко­торый выбирается исходя из назначения и мощности ветроустановки. Для каждого спроектированного профиля лопасти создаются справоч­ные данные, которые рассчитываются для каждой конфигурации.

Развитие современных компьютернх технологий позволяет производить расчеты параметров ветрокалеса, а также его лопастей со значительной скоростью и точностью, что значительно повышает эффективность проектирования.

В настоящее время известно много различных типов ветроэнергетических установок (ВЭУ). Широкое распространение имеют ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения представленные на рисунке 1.1. Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса. Вращающий момент ветроколеса создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным потоком. В результате кинетическая энергия воздушного потока в пределах площади, ометаемой лопастями, преобразуется в механическую энергию вращения ветроколеса.

1 – многолопастное, 2 – трехлопастное, 3 – двухлопастное, 4 – однолопастное с противовесом

Рисунок 1.1 - Ветроколеса крыльчатых ветроустановок

Важной характеристикой ветроколеса является его быстроходность Ζ, представляющая отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Оптимальные значения быстроходности двухлопастного колеса – от 5 до 7, трехлопастного – от 4 до 5, шестилопастного – от 2,5 до 3,5.

Из конструктивных характеристик на мощность ветроколеса основное влияние оказывают его диаметр, а также форма и профиль лопастей. Мощность мало зависит от числа лопастей. Частота вращения ветроколеса пропорциональна быстроходности и скорости ветра и обратно пропорциональна диаметру. На величину мощности влияет также высота расположения центра колеса, так как скорость ветра зависит от высоты.

Мощность ВЭУ, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. При расчетной скорости ветра и выше обеспечивается работа ВЭУ с номинальной мощностью. При скоростях ветра ниже расчетной мощность ветроустановки может составлять от 20 до 30% от номинальной и менее.

При таких режимах работы происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких к.п.д. на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают, кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют 2 генератора с номинальными мощностями 100 и от 20 до 30% от номинальной мощности ВЭУ. При слабых ветрах первый генератор отключается. В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра.

Установка ветроколеса на ветер, т.е. перпендикулярно к направлению ветра, производится в агрегатах очень малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в агрегатах небольшой и средней мощности – посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках – специальной системой ориентирования, получающей управляющий импульс от датчика направления ветра (флюгера), установленного наверху на гондоле ветроустановки. Механизм виндроз представляет собой одно или два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветродвигателя до тех пор, пока виндрозы не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра.