Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym wirników wiatrowych typu Magnusa o poziomej osi obrotu

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym wirników wiatrowych typu Magnusa o poziomej osi obrotu"

Dawid Stachowiak
8 lat temu
Przeglądów:

1 Budownictwo i Architektura 12(2) (2013) Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym wirników wiatrowych typu Magnusa o poziomej osi obrotu Laboratorium In ynierii Wiatrowej, Instytut Mechaniki Budowli, Wydział In ynierii L dowej, Politechnika Krakowska, e mail: liwpk@windlab.pl Streszczenie: Praca przedstawia wyniki bada eksperymentalnych w tunelu aerodynamicznym wirników typu Magnusa o poziomej osi obrotu. Najpierw przeprowadzono pomiary aerodynamicznej siły bocznej (no nej) oraz oporu aerodynamicznego na wiruj cym walcu doł czonym do wagi aerodynamicznej. Nast pnie wykonano badania wirnika jednołopatowego z przeciwwag. Słowa kluczowe: efekt Magnusa, siłownie wiatrowe, wirniki wiatrowe, wiruj cy cylinder 1. Wprowadzenie Wirniki wykorzystuj ce efekt Magnusa jest to nowa generacja wirników wiatrowych, które w zakresie głownie małych i rednich pr dko ci wiatru s znacznie bardziej efektywne od klasycznych wirników wiatrowych o łopatach w kształcie zbli onym do profili stosowanych w lotnictwie. W tych ostatnich mechanizm powstawania siły bocznej na ka dej z łopat jest zbli ony do mechanizmu generowania siły no nej na migle (skrzydle) samolotu. Natomiast w wirnikach typu Magnusa głównym parametrem steruj cym efektywno ci turbiny wiatrowej jest pr dko obrotowa walców (łopat) obracaj cych si wokół własnych osi. W przypadku za klasycznych wirników migłowych o osi poziomej głównym elementem steruj cym efektywno ci pracy ka dej z łopat jest k t ustawienia łopaty wzgl dem napływaj cego powietrza (k t natarcia wiatru). Podstawowe charakterystyki aerodynamiczne i mechaniczne wirnika wykorzystuj cego efekt Magnusa wyprowadzono na podstawie analizy wymiarowej i teorii podobie stwa zjawisk aerodynamicznych i mechanicznych zachodz cych w tego typu wirnikach [1]. Schematyczny rysunek wirnika typu Magnusa wraz z odpowiednimi układami współrz dnych i pionowym profilem redniej pr dko ci wiatru υ ( z), przedstawiono na rys. 1. Du ym post pem w omawianej problematyce były dokonania szkockiego in yniera Alexandra Thoma [2]. Zamiast stosowa dyski tylko na ko cach wiruj cych walców zastosował on kształt pokazany na rys. 2. Zale no współczynników aerodynamicznych siły bocznej C L i oporu aerodynamicznego C D od bezwymiarowego współczynnika pr dko ci obrotowej walca = R/V, gdzie: pr dko k towa wirowania walca; R promie walca; V pr dko napływaj cego powietrza przedstawiaj rys.3 i 4.

2 152 z, z w, z ow D(r) L/2 L/2 L b r R * υ a a x ow,y o z * =H υ( z) x w,y Rys. 1. Widok z boku wirnika typu Magnusa czterołopatowego z dyskami brzegowymi na obracaj cych si łopatach Rys. 2. Zespół dysków brzegowych i po rednich pomysłu Toma [2] Z rys. 3 wynika, e zastosowanie dysków na całym walcu zmienia kształt wykresu, przybli aj c go do krzywej wyidealizowanej. Opisany kształt ma lepsze wła ciwo ci, gdy przepływaj ce powietrze przylepia si nie tylko do powierzchni walca, ale tak e do cianek dysków. Tym samym zwi ksza si ró nica obj to ci kontaktuj cego si z łopat powietrza pod i nad ni, powoduj c tym samym zwi kszenie ró nicy ci nie po obu stronach łopaty i wzrost siły no nej. Natomiast współczynnik oporu aerodynamicznego C D niewiele si zmienia co pokazuje rys. 4.

3 Inżynieria Wiatrowa Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym Rys. 3. Porównanie wykresów współczynnika aerodynamicznego siły no nej C L w funkcji, gdzie: idealny - krzywa uzyskana stosuj c teori Kutty- ukowskiego; Thom - krzywa uzyskana dzi ki eksperymentom na walcu pomysłu Thoma; klasyczny - krzywa uzyskana dzi ki eksperymentom na walcu zaopatrzonym tylko w dyski na ko cach [2 Wynika z niego, e dla typowego kształtu z dyskami na ko cach najmniejszy opór aerodynamiczny wyst puje wcze niej dla równego 2 do 3, a dla walca Thoma dla równego 5 do 6. Rys. 4. Porównanie wykresów współczynnika oporu aerodynamicznego C D w funkcji, wszelkie parametry nale y przyj jak dla rys. 3 [2] Dyski po rednie ł cznie z brzegowymi znacznie bardziej efektywnie ograniczaj wyrównywanie si ci nie na ko cach walca. Sugeruje to, e taki kształt b dzie wzgl dnie mało wra liwy na zmiany wydłu enia łopaty. Podczas gdy opór aerodynamiczny zaczyna rosn dla walców z samymi dyskami brzegowymi przy C L = 2 rotor Thoma osi ga C L >16 zanim jego C D zaczyna rosn.

4 Opis przeprowadzonych bada w tunelu aerodynamicznym 2.1. Badania na wiruj cym walcu W 2007 r. w Laboratorium In ynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej przeprowadzono badania eksperymentalne efektu Magnusa na walcu obracaj cym si wokół własnej osi (rys. 5 do 7). Badania te pozwoliły okre li efekt Magnusa zarówno ilo ciowo, jak i jako ciowo w przepływie turbulentnym dla walca pozbawionego dysków. Zakres do wiadczenia obejmował eksperymentalne okre lenie współczynnika siły no nej wiruj cego walca w funkcji, tj. stosunku pr dko ci liniowej powierzchni walca do pr dko ci strumienia powietrza przed walcem. Pomiary sił oddziałuj cych na model wykonano na trójskładnikowej wadze aerodynamicznej. Wyniki przeprowadzonego do wiadczenia pokazuj zgodno trendu wykresu CL=f( ) z rezultatami uzyskanymi w innych tunelach aerodynamicznych, gdzie przeprowadzono badania dla modeli o zró nicowanej geometrii i w odmiennych warunkach pomiarowych. Rys. 5. Model wiruj cego walca na stanowisku pomiarowym w tunelu aerodynamicznym [4] Rys. 6. Rozwi zanie poł czenia nap du z wałem rotora oraz wag trójskładnikow [4] Rezultat przeprowadzonego do wiadczenia, w porównaniu z innymi wynikami bada zgromadzonymi przez Swansona [3], przedstawia rys. 7.

5 Inżynieria Wiatrowa Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym Rys. 7. Wykres współczynnika C L dla ró nych parametrów eksperymentu oraz krzywa l rezultat przeprowadzonego do wiadczenia własnego dla z zakresu ~ (1 3) [3] 2.2. Badania na wirniku jednołopatowym z przeciwwag W Laboratorium In ynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej zbudowano model wirnika wiatrowego o rednicy 1.1m (rys. 8) i przeprowadzono na nim badania modelowe [1]. Wirnik ten jest jednołopatowy z przeciwwag i pozwala na eksperymenty z ró nymi kształtami łopat. Rys. 8. Model wirnika jednołopatowego typu Magnusa z przeciwwag w tunelu aerodynamicznym LIWPK[1] Prowadzono eksperymenty z wieloma kształtami łopat wykonanych z włókna szklanego. Wyniki bada przedstawione na rys. 9 dotycz dwóch wirników typu Magnusa: klasycznego, tj. wirnika jednołopatowego o rednicy 1.1m z dwoma dyskami ograniczaj cymi na ko cach walca i ulepszonego, tj. wirnika jednołopatowego o rednicy 1.1m z du liczb dysków rozło onych wzdłu całej łopaty. Porównanie obu tych wirników przeprowadzono przy pr dko ci wiatru równej 2 do 3 m/s, oraz przy ustalonych

6 156 na stałym poziomie obrotach silnika nap dzaj cego ruch obrotowy łopat wzgl dem jej własnej osi. 0,7 0,6 Obroty [obr./s] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 V = 2 m/s Klasyczna V= 3 m/s Klasyczna V = 2m/s Ulepszona V = 3m/s Ulepszona 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Masa hamulca [kg] Rys. 9. Przykładowe wyniki bada w tunelu aerodynamicznym LIW PK wirnika jednołopatowego typu Magnusa - zmierzone obroty wirnika przy danym obci eniu hamulca tarciowego [1] 3. Wnioski ko cowe Przeprowadzone badania pozwalaj na sformułowanie nast puj cych wniosków: Sprawdzono cz ciowo poprawno napisanej wcze niej symulacji komputerowej; Eksperymentalnie wykazano, e zaproponowana modyfikacja kształtu łopaty okazała si korzystniejsza w porównaniu z dyskami tylko brzegowymi (rys.9); Eksperymentalnie potwierdzono, e wyposa enie łopaty w dodatkowe dyski nie powoduje znacz cej zmiany poboru mocy silnika wymuszaj cego jej ruch obrotowy, natomiast powoduje około dwukrotny wzrost momentu obrotowego turbiny. Literatura 1 Flaga A. Siłownie wiatrowe. Politechnika Krakowska im. Tadeusza Ko ciuszki, Kraków, Thom A. Effects of discs on the air forces on a rotating cylinder, ARC R and M 1623, Swanson W.M. The Magnus effect: A summary of investigations to date, Journal of Basic Engineering, Nr 83/1961, Kapczy ski M. Chiralne siłownie wiatrowe zagadnienia aerodynamiczne i konstrukcyjne, praca dyplomowa, Politechnika Krakowska, Kraków. Wind tunnel model tests of Magnus type wind rotors with a horizontal rotation axis Laboratorium In ynierii Wiatrowej, Instytut Mechaniki Budowli, Wydział In ynierii L dowej, Politechnika Krakowska, e mail: liwpk@windlab.pl Abstract: The paper presents results of wind tunnel tests of horizontal axis wind rotors of Magnus type. Firstly, measurements of aerodynamic side (lift) force and aerodynamic drag on rotating cylinder attached to horizontal aerodynamic balance were performed. Secondly, the model of single-blade rotor with counterbalance was tested. Keywords: Magnus effect, wind turbines, wind rotors, rotating cylinder

Podobne dokumenty

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW AERODYNAMICZNYCH RÓŻNYCH TYPÓW ŁOPAT WIRNIKA KARUZELOWEGO

PIOTR MATYS, MARCIN AUGUSTYN WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW AERODYNAMICZNYCH RÓŻNYCH TYPÓW ŁOPAT WIRNIKA KARUZELOWEGO EXPERIMENTAL DETERMINATION OF AERODYNAMIC COEFFICIENTS OF DIFFERENT TYPES OF MERRY-GO-ROUND