MD589Z - Hydraulic station - Google Patents
Hydraulic station Download PDFInfo
- Publication number
- MD589Z MD589Z MDS20120130A MDS20120130A MD589Z MD 589 Z MD589 Z MD 589Z MD S20120130 A MDS20120130 A MD S20120130A MD S20120130 A MDS20120130 A MD S20120130A MD 589 Z MD589 Z MD 589Z
- Authority
- MD
- Moldova
- Prior art keywords
- blade
- guide
- blades
- profile
- possibility
- Prior art date
Links
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 46
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 16
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 16
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 7
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 22
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 10
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- UJCHIZDEQZMODR-BYPYZUCNSA-N (2r)-2-acetamido-3-sulfanylpropanamide Chemical compound CC(=O)N[C@@H](CS)C(N)=O UJCHIZDEQZMODR-BYPYZUCNSA-N 0.000 description 2
- 241001669680 Dormitator maculatus Species 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient
Landscapes
- Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
- Hydraulic Turbines (AREA)
Abstract
Description
Invenţia se referă la hidroenergetică, în special la staţiile hidraulice ce utilizează energia cinetică a fluxului de apă. The invention relates to hydropower, in particular to hydraulic stations that use the kinetic energy of water flow.
Este cunoscută o turbină hidraulică cu ax vertical, care conţine un arbore de ieşire vertical, ce include cel puţin o bară ce se extinde în direcţie axială. Fiecare bară conţine cel puţin o pală fixată mobil şi orientată astfel încât acţiunea fluidului efectuează rotirea arborelui. Pe osii orizontale sunt montate patru palete [1]. A vertical shaft hydraulic turbine is known, which comprises a vertical output shaft, which includes at least one bar extending in the axial direction. Each bar contains at least one blade movably fixed and oriented so that the action of the fluid causes the shaft to rotate. Four blades are mounted on horizontal axes [1].
Dezavantajul turbinei hidraulice cunoscute constă în aceea că construcţia turbinei este relativ simplă şi dezvoltă un moment de torsiune relativ mic. The disadvantage of the known hydraulic turbine is that the construction of the turbine is relatively simple and develops a relatively small torque.
În calitate de cea mai apropiată soluţie este prezentată o staţie hidraulică, care conţine o platformă, amplasată pe corpuri flotante şi ancorată de mal cu posibilitatea reglării poziţiei sale faţă de nivelul şi direcţia fluxului de apă printr-o structură metalică de cadru şi tiranţi dotaţi cu reglatori de întindere, conţinând de asemenea, plasate pe platformă şi legate cinematic între ele, un generator electric, o pompă hidraulică, un multiplicator şi o turbină, care include un arbore vertical legat cu multiplicatorul şi de care sunt fixate radial bare orizontale cu pale cu profil hidrodinamic. Pe platformă sunt instalate două ghidaje pentru orientarea palelor faţă de direcţia de curgere a apei pentru zonele aval şi amonte de interacţiune pală-fluid [2]. As the closest solution, a hydraulic station is presented, which contains a platform, placed on floating bodies and anchored to the shore with the possibility of adjusting its position relative to the level and direction of the water flow through a metal frame structure and tie rods equipped with tension regulators, also containing, placed on the platform and kinematically connected to each other, an electric generator, a hydraulic pump, a multiplier and a turbine, which includes a vertical shaft connected to the multiplier and to which horizontal bars with blades with a hydrodynamic profile are radially fixed. Two guides are installed on the platform to orient the blades relative to the direction of water flow for the downstream and upstream blade-fluid interaction zones [2].
Dezavantajul staţiei cunoscute constă în aceea că, deşi palele se orientează după direcţia de curgere a apei, eficienţa conversiei energiei cinetice a fluxului de apă este redusă, deoarece momentul de torsiune la arborele rotorului turbinei se sumează din momentele de torsiune formate de palele ce interacţionează cu fluxul de apă aflate doar în zonele amonte şi aval ale rotorului turbinei. Totodată construcţia staţiei nu permite poziţionarea palelor în funcţie de zona de interacţiune pală-fluid şi de viteza de curgere a fluxului de apă, ce conduce la diminuarea eficienţei conversiei. Acest dezavantaj diminuează eficienţa conversiei, deoarece, la depăşirea vitezei de curgere a apei a unui anumit prag, creşte rezistenţa hidraulică la rotirea palelor. The disadvantage of the known station is that, although the blades are oriented in the direction of water flow, the efficiency of converting the kinetic energy of the water flow is reduced, because the torque at the turbine rotor shaft is summed up from the torques formed by the blades interacting with the water flow located only in the upstream and downstream areas of the turbine rotor. At the same time, the construction of the station does not allow the positioning of the blades depending on the blade-fluid interaction area and the water flow velocity, which leads to a decrease in the conversion efficiency. This disadvantage reduces the conversion efficiency, because, when the water flow velocity exceeds a certain threshold, the hydraulic resistance to the rotation of the blades increases.
Problema pe care o rezolvă invenţia constă în majorarea eficienţei conversiei energiei cinetice a fluxului de apă atât prin contribuţia la formarea momentului de torsiune sumar a palelor aflate în zona de tranziţie de la zona amonte în zona aval, cât şi prin poziţionarea palelor în funcţie de viteza de curgere a fluxului de apă, fapt care conduce la sporirea forţelor hidrodinamice dezvoltate de fiecare pală şi la diminuarea concomitentă a forţelor de rezistenţă hidraulică la rotirea palelor. The problem solved by the invention consists in increasing the efficiency of the conversion of the kinetic energy of the water flow both by contributing to the formation of the total torque of the blades located in the transition zone from the upstream zone to the downstream zone, and by positioning the blades according to the flow speed of the water flow, which leads to an increase in the hydrodynamic forces developed by each blade and a concomitant decrease in the hydraulic resistance forces when the blades rotate.
Problema se soluţionează prin aceea că staţia hidraulică, conform invenţiei, conţine o platformă, amplasată pe două flotoare, un rotor hidraulic cu pale cu profil hidrodinamic montate vertical pe semiaxuri cu posibilitatea de a se roti în jurul acestora prin intermediul unui ghidaj plasat la periferia rotorului, conţinând de asemenea, legate cinematic între ele, un multiplicator, un generator şi o pompă hidraulică. Ghidajul constă dintr-un ghidaj cu profil circular cu raza R1, un ghidaj cu profil circular cu raza R2 şi un ghidaj cu profil rectiliniu, care sunt plasate individual cu posibilitatea poziţionării fiecărei pale cu profil hidrodinamic sub un unghi de atac α diferenţiat şi variabil, dependent de zona de interacţiune pală-fluid şi viteza de curgere a fluidului, totodată pe capătul semiaxului fiecărei pale este montată o tijă amplasată perpendicular faţă de cordul palei şi dotată la extremităţi cu două corpuri de rotaţie, care sunt angrenate cu suprafaţa ghidajelor cu posibilitatea poziţionării fiecărei pale sub un unghi de atac α faţă de direcţia de curgere a fluidului. The problem is solved by the fact that the hydraulic station, according to the invention, contains a platform, placed on two floats, a hydraulic rotor with blades with a hydrodynamic profile mounted vertically on half-axles with the possibility of rotating around them by means of a guide placed on the periphery of the rotor, also containing, kinematically linked to each other, a multiplier, a generator and a hydraulic pump. The guide consists of a circular profile guide with radius R1, a circular profile guide with radius R2 and a rectilinear profile guide, which are placed individually with the possibility of positioning each blade with a hydrodynamic profile under a differentiated and variable angle of attack α, depending on the blade-fluid interaction area and the fluid flow velocity, at the same time, on the end of the semi-axis of each blade is mounted a rod placed perpendicular to the blade chord and equipped at the ends with two rotating bodies, which are engaged with the surface of the guides with the possibility of positioning each blade under an angle of attack α to the fluid flow direction.
Ghidajul cu profil circular cu raza R1 poate fi amplasat în amonte Oab cu originea în centrul O1 deplasat la distanţa OO1, ghidajul cu profil circular cu raza R2 poate fi amplasat în aval Ocd cu originea în centrul O2 deplasat la distanţa OO2, iar ghidajul cu profil rectiliniu poate fi amplasat în zona de tranziţie amonte-aval sub un unghi de înclinare β faţă de direcţia de curgere a fluidului, cu posibilitatea rostogolirii pe suprafaţa ghidajelor a unuia din corpurile de rotaţie. The circular profile guide with radius R1 can be placed upstream Oab with the origin in the center O1 displaced at a distance OO1, the circular profile guide with radius R2 can be placed downstream Ocd with the origin in the center O2 displaced at a distance OO2, and the rectilinear profile guide can be placed in the upstream-downstream transition area at an inclination angle β to the fluid flow direction, with the possibility of one of the rotating bodies rolling on the surface of the guides.
Fiecare semiax poate fi plasat pe axa de simetrie a profilului hidrodinamic la distanţa BW de la bordul palei determinată prin relaţia: Each semi-axis can be placed on the symmetry axis of the hydrodynamic profile at the distance BW from the blade edge determined by the relationship:
BW = 0,25c - k; [Δ < k′ ≤ kmax], unde: BW = 0.25c - k; [Δ < k′ ≤ kmax], where:
c este lungimea corzii palei; c is the blade chord length;
k - cota liniară, care determină asigurarea condiţiei de stabilizare a poziţionării palei în fluid Rk > 0; k - linear dimension, which determines the stabilization condition of the blade positioning in the fluid Rk > 0;
Δ = (25…40) mm la modificarea lungimii c corzii palei corespunzător de la 800…1300 mm; Δ = (25…40) mm when changing the length c of the blade chord correspondingly from 800…1300 mm;
kmax - cota liniară maximală determinată din condiţia forţelor de frecare admisibile în cupla cinematică corpuri de rotaţie - ghidaj. kmax - maximum linear dimension determined from the condition of admissible friction forces in the kinematic coupling of rotating bodies - guide.
Corpurile de rotaţie pot fi montate în tije cu posibilitatea modificării distanţei l de amplasare a acestora de la axa semiaxurilor palelor în funcţie de viteza de curgere a fluidului. The rotating bodies can be mounted in rods with the possibility of changing the distance l of their location from the axis of the blade semi-axes depending on the fluid flow speed.
Razele ghidajelor R1, R2, deplasările originilor lor OO1 şi OO2, unghiul de înclinare β a ghidajului rectiliniu (18) faţă de direcţia de curgere a fluidului, precum şi distanţa l de amplasare a corpurilor de rotaţie de la axa semiaxurilor palelor pot fi luate în raport cu diametrul D al rotorului (9), astfel încât palele se poziţionează sub unghiul de atac α variabil: The radii of the guides R1, R2, the displacements of their origins OO1 and OO2, the inclination angle β of the rectilinear guide (18) with respect to the fluid flow direction, as well as the distance l of the rotation bodies from the axis of the blade semi-axes can be taken in relation to the diameter D of the rotor (9), so that the blades are positioned under the variable angle of attack α:
în amonte Oab α = 12°…25° , upstream Oab α = 12°…25° ,
în aval Ocd α = 90°…25°, downstream Ocd α = 90°…25°,
în zona de tranziţie amonte-aval Obc α = 12°…90° , in the upstream-downstream transition zone Obc α = 12°…90° ,
iar în zona de tranziţie aval-amonte Oda palele se poziţionează voluntar de fluxul de fluid α = 0°. and in the downstream-upstream transition zone Oda the blades are voluntarily positioned by the fluid flow α = 0°.
Staţia hidraulică, conform invenţiei, asigură următoarele avantaje: The hydraulic station, according to the invention, provides the following advantages:
- profilul şi amplasarea ghidajelor sunt executate astfel încât poziţionarea individuală a fiecărei pale are loc diferenţiat în funcţie de zona de interacţiune pală-fluid cu considerarea vitezei de curgere a fluxului de apă; - the profile and placement of the guides are executed so that the individual positioning of each blade takes place differently depending on the blade-fluid interaction area, taking into account the flow speed of the water flow;
- amplasarea în amonte Oab faţă de rotor a unui ghidaj cu profil circular cu raza R1 şi originea în centrul O1 deplasat la distanţa OO1, amplasarea în aval Ocd a altui ghidaj cu profil circular cu raza R2 şi originea în centrul O2 deplasat la distanţa OO2 şi amplasarea în zona de tranziţie amonte-aval a unui ghidaj cu profil rectiliniu amplasat sub un unghi β asigură prin interacţiunea cu corpurile rotative ale tijelor montate pe semiaxurile palelor o poziţionare diferenţiată a palelor, astfel încât forţele hidrodinamice dezvoltate de pale în toate trei zonele Oab, Ocd şi Oda contribuie la formarea momentului de torsiune la axul rotorului, fapt ce conduce la sporirea eficienţei conversiei energiei; - the placement upstream Oab of a circular profile guide with radius R1 and origin in the center O1 displaced by a distance OO1 from the rotor, the placement downstream Ocd of another circular profile guide with radius R2 and origin in the center O2 displaced by a distance OO2 and the placement in the upstream-downstream transition area of a rectilinear profile guide placed at an angle β ensures, through the interaction with the rotating bodies of the rods mounted on the blade semi-axes, a differentiated positioning of the blades, so that the hydrodynamic forces developed by the blades in all three areas Oab, Ocd and Oda contribute to the formation of the torque at the rotor axis, which leads to an increase in the efficiency of energy conversion;
- amplasarea semiaxurilor palelor pe axa de simetrie a profilului hidrodinamic la cota BW de la bordul palei determinată de relaţia: - the location of the blade semiaxes on the axis of symmetry of the hydrodynamic profile at the BW elevation at the blade edge determined by the relationship:
BW = 0,25c - k, [Δ ≤ k ≤ kmax], BW = 0.25c - k, [Δ ≤ k ≤ kmax],
permite stabilizarea poziţionării palelor în fluid pornind de la condiţia Rk > 0; allows the stabilization of the positioning of the blades in the fluid starting from the condition Rk > 0;
- montarea corpurilor de rotaţie în tije cu posibilitatea de modificare a distanţei l a acestora de la axa semiaxurilor palelor asigură repoziţionarea palelor în funcţie de viteza de curgere a fluxului de apă, şi implicit asigură sporirea eficienţei conversiei; - mounting the rotation bodies in rods with the possibility of modifying their distance l from the axis of the blade semi-axes ensures the repositioning of the blades depending on the flow speed of the water flow, and implicitly ensures increased conversion efficiency;
- forma ghidajelor şi amplasarea lor, luate în raport cu diametrul rotorului D, precum şi posibilitatea considerării influenţei vitezei de curgere a fluxului de apă asupra poziţionării corecte a palelor asigură orientarea palelor la unghiuri de atac variabile în funcţie de zona de interacţiune pală-fluid, şi anume: - the shape of the guides and their location, taken in relation to the rotor diameter D, as well as the possibility of considering the influence of the water flow velocity on the correct positioning of the blades, ensures the orientation of the blades at variable angles of attack depending on the blade-fluid interaction area, namely:
- în amonte Oab α = 12°…25°, - upstream Oab α = 12°…25°,
- în aval Ocd α = 90°…25°, - downstream Ocd α = 90°…25°,
- în zona de tranziţie de la amonte la aval Obc α = 12°…90°. - in the transition zone from upstream to downstream Obc α = 12°…90°.
Această poziţionare asigură o conversie sporită a energiei prin valorificarea eficientă a forţelor hidrodinamice dezvoltate de pale şi diminuarea forţelor de rezistenţă hidraulică ce acţionează asupra palelor la rotirea lor în jurul axului principal al rotorului hidraulic. This positioning ensures increased energy conversion by efficiently utilizing the hydrodynamic forces developed by the blades and reducing the hydraulic resistance forces acting on the blades as they rotate around the main axis of the hydraulic rotor.
Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-9, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1-9, which represent:
- fig.1, schema principală a staţiei hidraulice (vedere frontală); - fig.1, main diagram of the hydraulic station (front view);
- fig.2, schema principală a mecanismului de orientare continuă a palelor în raport cu direcţia de curgere a fluidului; - fig. 2, main diagram of the mechanism for continuous orientation of the blades in relation to the fluid flow direction;
- fig.3, schema principală a mecanismului de orientare şi stabilizare a poziţionării palelor; - fig. 3, main diagram of the blade positioning orientation and stabilization mechanism;
- fig.4, amplasarea axei semiaxurilor palei; - fig.4, location of the blade semi-axes axis;
- fig.5, mişcarea potenţială a fluidului în jurul conturului c; - fig.5, potential movement of the fluid around the contour c;
- fig.6, elementul de frontieră Ej; - fig.6, the border element Ej;
- fig.7, elementul de frontieră Ej şi parametrii de influenţă; - fig.7, the boundary element Ej and the influencing parameters;
- fig.8, tranziţia de la stratul limită turbulent; - fig.8, transition from turbulent boundary layer;
- fig.9, schema cinematică a palei hidrodinamice cu parametrii constructivi ai mecanismului de orientare şi stabilizare a palei în fluid. - fig.9, kinematic diagram of the hydrodynamic blade with the constructive parameters of the blade orientation and stabilization mechanism in the fluid.
Staţia hidraulică include o platformă 1 (fig.1), legată articulat de ţărm prin intermediul unei structuri de rezistenţă 2 şi tiranţilor 3 şi 4, amplasaţi paralel la planul de simetrie al structurii de rezistenţă 2 de ambele părţi ale ei, precum şi tiranţilor 5 şi 6, legaţi de flotoarele 7 şi 8, amplasate pe de-o parte a rotorului 9 hidrodinamic. Rotorul 9 este constituit din arborele central 10 cu ax vertical, fixate imobil de el, un număr impar de bare orizontale 11, la extremitatea cărora sunt montate în semiaxuri 12 ale palelor 13 cu profil hidrodinamic cu posibilitatea rotirii în jurul axelor semiaxurilor. Pe capătul semiaxului 12 al fiecărei pale 13 este montată câte o tijă 14 dotată cu două corpuri de rotaţie 15, amplasate perpendicular faţă de coarda palelor 13. Corpurile de rotaţie 15 sunt angrenate cu suprafaţa ghidajelor 16, 17, 18 cu posibilitatea poziţionării fiecărei pale sub un unghi de atac α faţă de direcţia de curgere a fluidului. Ghidajul cu profil circular cu raza R1 17 este amplasat în amonte faţă de rotorul 9, ghidajul cu profil circular cu raza R2 16 este amplasat în aval faţă de rotorul 9, iar ghidajul cu profil rectiliniu 18 este amplasat în zona de tranziţie amonte-aval. Corpurile de rotaţie 15 sunt montate în tije 14 în caneluri longitudinale cu posibilitatea deplasării lor în direcţie longitudinală perpendicular faţă de cordul palelor 13. The hydraulic station includes a platform 1 (fig. 1), articulated to the shore by means of a resistance structure 2 and tie rods 3 and 4, placed parallel to the plane of symmetry of the resistance structure 2 on both sides of it, as well as tie rods 5 and 6, connected to floats 7 and 8, placed on one side of the hydrodynamic rotor 9. The rotor 9 consists of the central shaft 10 with a vertical axis, fixed immobile to it, an odd number of horizontal bars 11, at the ends of which are mounted in half-axles 12 of blades 13 with a hydrodynamic profile with the possibility of rotation around the axes of the half-axles. On the end of the semi-axis 12 of each blade 13 is mounted a rod 14 equipped with two rotating bodies 15, located perpendicular to the chord of the blades 13. The rotating bodies 15 are engaged with the surface of the guides 16, 17, 18 with the possibility of positioning each blade under an angle of attack α with respect to the direction of fluid flow. The circular profile guide with radius R1 17 is located upstream of the rotor 9, the circular profile guide with radius R2 16 is located downstream of the rotor 9, and the straight profile guide 18 is located in the upstream-downstream transition zone. The rotating bodies 15 are mounted in rods 14 in longitudinal grooves with the possibility of their movement in the longitudinal direction perpendicular to the chord of the blades 13.
Pe platforma 1 este instalat un multiplicator 19, arborele conducător al căruia este cuplat cu arborele central 10 al rotorului cu pale 13 cu profil hidrodinamic. Arborele condus al multiplicatorului 19 prin intermediul transmisiilor prin curea (sau lanţ) 20, 21 şi 22 este legat cinematic cu pompa hidraulică 23 şi respectiv cu generatorul electric de turaţie joasă 24. A multiplier 19 is installed on the platform 1, the driving shaft of which is coupled to the central shaft 10 of the rotor with blades 13 with a hydrodynamic profile. The driven shaft of the multiplier 19 is kinematically connected to the hydraulic pump 23 and the low-speed electric generator 24 by means of belt (or chain) transmissions 20, 21 and 22.
Staţia hidraulică funcţionează în modul următor. The hydraulic station operates in the following mode.
Rotorul hidrodinamic 9 cu palele 13 este amplasat în fluxul de apă a râului. Poziţia lor faţă de nivelul apei râului este asigurată de forţele Arhimede, care acţionează asupra flotoarelor 7 şi 8 şi asupra părţii submersibile a palelor 13, care în interior sunt injectate cu material expandat. Poziţia verticală a axei rotorului 9 este asigurată prin reglarea lungimii tiranţilor 3 şi 4, iar poziţia platformei 1 în raport cu direcţia de curgere a fluxului de apă se asigură cu ajutorul tiranţilor 5 şi 6 legaţi cu structura de rezistenţă 2, în care sunt montate imobil flotoarele 7 şi 8. The hydrodynamic rotor 9 with blades 13 is placed in the river water flow. Their position relative to the river water level is ensured by Archimedes forces, which act on the floats 7 and 8 and on the submersible part of the blades 13, which are injected with expanded material inside. The vertical position of the rotor axis 9 is ensured by adjusting the length of the rods 3 and 4, and the position of the platform 1 relative to the direction of water flow is ensured by the rods 5 and 6 connected to the resistance structure 2, in which the floats 7 and 8 are fixedly mounted.
Fluxul de apă în curgere cu viteza V interacţionează cu palele 13 cu profil hidrodinamic, dezvoltând forţe hidrodinamice direcţionate astfel încât impun palele 13 să se rotească în jurul axei centrale a rotorului hidrodinamic 9, comunicând acestuia un anumit moment de torsiune sumar M, format prin contribuţia fiecărei pale. The flowing water flow with speed V interacts with the blades 13 with hydrodynamic profile, developing directed hydrodynamic forces such that they force the blades 13 to rotate around the central axis of the hydrodynamic rotor 9, imparting to it a certain total torque M, formed by the contribution of each blade.
Poziţionarea mecanică a palelor 13 faţă de direcţia de curgere a fluxului de apă se realizează prin intermediul tijelor 14, fixate imobil pe semiaxurile 12 palelor 13, şi al corpurilor de rotaţie 15, care sub acţiunea forţelor hidrodinamice se rostogolesc prin contact pe suprafaţa ghidajelor 16, 17 şi 18, orientând astfel fiecare pală 13 sub un anumit unghi de atac α. Momentul de torsiune şi mişcarea de rotaţie dezvoltate de forţele hidrodinamice aplicate palelor 13 se transmit de la axul central al rotorului 9 prin intermediul multiplicatorului 19 şi transmisiilor prin curea (sau lanţ) 20, 21 şi 22 către generatorul electric 24 şi pompa hidraulică 23. The mechanical positioning of the blades 13 relative to the direction of water flow is achieved by means of rods 14, fixed immobile on the semi-axes 12 of the blades 13, and of the rotating bodies 15, which under the action of hydrodynamic forces roll by contact on the surface of the guides 16, 17 and 18, thus orienting each blade 13 at a certain angle of attack α. The torque and the rotational movement developed by the hydrodynamic forces applied to the blades 13 are transmitted from the central axis of the rotor 9 by means of the multiplier 19 and the belt (or chain) transmissions 20, 21 and 22 to the electric generator 24 and the hydraulic pump 23.
În fig. 2 este prezentată schema principală a mecanismului de orientare continuă a palelor cu profil hidrodinamic în raport cu direcţia de curgere a fluidului. Fig. 2 shows the main diagram of the mechanism for continuous orientation of the blades with hydrodynamic profile in relation to the fluid flow direction.
Rotorul hidrodinamic 9 este constituit din arborele central 10, barele orizontale 11 şi palele 13 cu profil hidrodinamic seria NACA 0016, care sub acţiunea forţelor hidrodinamice de ridicare se rotesc cu viteza unghiulară ω, dependentă de viteza de curgere a fluxului de apă, unghiul de poziţionare α al palelor şi diametrul rotorului D (diametrul de amplasare a axelor semiaxurilor palelor). The hydrodynamic rotor 9 consists of the central shaft 10, horizontal bars 11 and blades 13 with NACA 0016 series hydrodynamic profile, which under the action of hydrodynamic lifting forces rotate with angular velocity ω, dependent on the water flow velocity, the positioning angle α of the blades and the rotor diameter D (the diameter of the location of the blades' semi-axes).
Pentru identificarea caracterului influenţei efectelor hidrodinamice asupra unei pale cu profil simetric NACA în mişcarea sa de rotaţie în jurul unui centru O, se definesc patru zone specifice de interacţiune pală-fluid, şi anume: amonte Oab, aval Ocd, zona de tranziţie de la amonte la aval Obc şi zona de tranziţie de la aval la amonte Oda (după sensul rotaţiei rotorului). To identify the nature of the influence of hydrodynamic effects on a blade with a symmetrical NACA profile in its rotational movement around a center O, four specific blade-fluid interaction zones are defined, namely: upstream Oab, downstream Ocd, the transition zone from upstream to downstream Obc and the transition zone from downstream to upstream Oda (according to the direction of rotor rotation).
Eficienţa maximă de conversie a energiei cinetice a fluidului în energie mecanică utilă poate fi realizată în cazul în care o pală cu profil hidrodinamic pe întreaga durată a unei rotaţii contribuie sub acţiunea forţei hidrodinamice la formarea momentului de torsiune sumar M. The maximum efficiency of converting the kinetic energy of the fluid into useful mechanical energy can be achieved if a blade with a hydrodynamic profile contributes, under the action of the hydrodynamic force, to the formation of the total torque M throughout the entire duration of a rotation.
Pentru realizarea acestei condiţii este necesar ca palele 13 să fie orientate faţă de direcţia de curgere a fluidului sub un unghi de atac α optim din punct de vedere al eficienţei conversiei pentru fiecare zonă traversată de fiecare pală în timpul unei rotaţii. To achieve this condition, it is necessary for the blades 13 to be oriented relative to the fluid flow direction at an angle of attack α that is optimal in terms of conversion efficiency for each area crossed by each blade during a rotation.
În acest scop pe arborele fiecărei pale 13 este montată câte o tijă 14, amplasată perpendicular pe coarda palei respective şi dotată cu două corpuri de rotaţie 15, amplasate cu posibilitatea de modificare a distanţei l a acestora de la semiaxurile palei. For this purpose, a rod 14 is mounted on the shaft of each blade 13, placed perpendicular to the chord of the respective blade and equipped with two rotation bodies 15, placed with the possibility of modifying their distance l from the blade semiaxes.
La periferia rotorului sunt montate ghidajele 16, 17 şi 18, pe care se rostogolesc prin contact corpurile de rotaţie 15. Profilul ghidajelor şi amplasarea lor faţă de centrul rotorului determină unghiul de atac α şi evoluţia modificării acestuia pentru fiecare pală în cursul unei rotaţii depline. Astfel, orice pală într-un anumit punct de pe traiectoria circulară a mişcării sale se poziţionează sub acelaşi unghi de atac α. În acest punct unghiul α poate fi modificat în funcţie de viteza curgerii fluxului de apă V prin modificarea parametrului l de amplasare a corpurilor de rotaţie 15 faţă de axele semiaxurilor 12 ale palelor 13. At the periphery of the rotor are mounted guides 16, 17 and 18, on which the rotating bodies 15 roll in contact. The profile of the guides and their location relative to the center of the rotor determine the angle of attack α and the evolution of its change for each blade during a full rotation. Thus, any blade at a certain point on the circular trajectory of its movement is positioned under the same angle of attack α. At this point the angle α can be changed depending on the speed of the water flow V by changing the parameter l of the location of the rotating bodies 15 relative to the axes of the semi-axes 12 of the blades 13.
La rotirea unei pale cu 0<φ<2π şi unghiul de atac α variabil, mecanismul de orientare al palelor (fig. 3) trebuie să asigure stabilitatea poziţionării acestora, care poate fi realizată în condiţiile în care forţa de reacţie RK în cupla cinematică corp de rotaţie - ghidaj: When rotating a blade with 0<φ<2π and variable angle of attack α, the blade orientation mechanism (fig. 3) must ensure the stability of their positioning, which can be achieved under the conditions that the reaction force RK in the kinematic coupling of the rotating body - guide:
Rk >0. (1) Rk >0. (1)
Iar din condiţia minimizării forţelor inutile de frecare în cuplele cinematice corp de rotaţie -ghidaj: And from the condition of minimizing unnecessary friction forces in the rotating body-guide kinematic couplings:
RKmax= (1,2…1,5) RK, (2) RKmax= (1.2…1.5) RK, (2)
unde RKmax - reacţia maximală în cupla cinematică corp de rotaţie(bucşă) - ghidaj. where RKmax - the maximum reaction in the kinematic coupling of the rotating body (bush) - guide.
Reacţia RK în cupla cinematică de clasă superioară corp de rotaţie - ghidaj poate fi exprimată prin relaţia: The reaction RK in the upper class kinematic coupling of rotating body - guide can be expressed by the relationship:
, (3) , (3)
unde FL - forţa hidrodinamică dezvoltată la interacţiunea pală - fluid; where FL - the hydrodynamic force developed at the blade - fluid interaction;
h - distanţa dintre axa semiaxului palei şi linia de acţiune a forţei hidrodinamice; h - the distance between the blade semi-axis and the line of action of the hydrodynamic force;
l - distanţa dintre axele semiaxurilor palei şi corpului de rotaţie. l - the distance between the axes of the blade semi-axes and the rotating body.
Din relaţia (3) urmează că pentru a asigura stabilitatea poziţionării palelor în mişcarea lor de rotaţie în fluid cu respectarea condiţiei RK > 0 este necesar de identificat punctul de amplasare a semiaxului palei W, precum şi influenţa tuturor forţelor suplimentare, care acţionează asupra palei interacţionând cu fluidul, şi anume tangajul, regimul de turbulenţă, curgerea fluidului în stratul limită, etc. From relation (3) it follows that in order to ensure the stability of the positioning of the blades in their rotational movement in the fluid while respecting the condition RK > 0, it is necessary to identify the location point of the blade semi-axis W, as well as the influence of all additional forces acting on the blade interacting with the fluid, namely pitch, turbulence regime, fluid flow in the boundary layer, etc.
Pentru aceasta se consideră profilul simetric al palei într-un curent de fluid, care se mişcă uniform cu viteza V∞ (fig. 3). În punctul O′ al palei simetrice se consideră două sisteme de coordonate, şi anume: sistemul O′xy cu axa O′y orientată în direcţia vectorului viteză, iar axa O′x normală la această direcţie; şi sistemul O′x′y′ cu axa O′y′ orientată în direcţia braţului O′O, iar axa O′x′ normală la această direcţie. Punctul A corespunde bordului de fugă, iar punctul B corespunde bordului de atac. Unghiul de atac α este unghiul dintre coarda AB palei şi direcţia vectorului de viteză V∞, iar unghiul de poziţionare φ este unghiul dintre direcţia vectorului de viteză şi braţul O′O. For this, the symmetrical profile of the blade in a fluid stream, which moves uniformly with the velocity V∞ (fig. 3), is considered. At the point O′ of the symmetrical blade, two coordinate systems are considered, namely: the O′xy system with the O′y axis oriented in the direction of the velocity vector, and the O′x axis normal to this direction; and the O′x′y′ system with the O′y′ axis oriented in the direction of the O′O arm, and the O′x′ axis normal to this direction. Point A corresponds to the trailing edge, and point B corresponds to the leading edge. The angle of attack α is the angle between the chord AB of the blade and the direction of the velocity vector V∞, and the positioning angle φ is the angle between the direction of the velocity vector and the O′O arm.
Forţa hidrodinamică F are componentele în direcţiile O′x şi O′y, numite forţa de portanţă şi forţa de rezistenţă; The hydrodynamic force F has components in the O′x and O′y directions, called the lift force and the drag force;
(4) (4)
, (5) , (5)
unde ρ este densitatea fluidului, V∞ - viteza curentului, Sp = ch (c - lungimea corzii AB, h - înălţimea palei) reprezintă aria suprafeţei laterale a palei, iar CL şi CD sunt coeficienţii hidrodinamici adimensionali, numiţi coeficientul de portanţă (lift) şi coeficientul de rezistenţă (drag). Coeficienţii hidrodinamici CL şi CD sunt funcţii de unghiul de atac α, numărul Reynolds Re şi forma hidrodinamică a profilului palei. Componentele forţei hidrodinamice în sistemul de coordonate O′x′y′ sunt: where ρ is the fluid density, V∞ - the current velocity, Sp = ch (c - the chord length AB, h - the blade height) represents the lateral surface area of the blade, and CL and CD are the dimensionless hydrodynamic coefficients, called the lift coefficient and the drag coefficient. The hydrodynamic coefficients CL and CD are functions of the angle of attack α, the Reynolds number Re and the hydrodynamic shape of the blade profile. The components of the hydrodynamic force in the O′x′y′ coordinate system are:
Fx′ = -FL sin φ + FD cos φ, Fy′ = FL cos φ + FD sin φ. (6) Fx′ = -FL sin φ + FD cos φ, Fy′ = FL cos φ + FD sin φ. (6)
Momentul de torsiune la arborele rotorului OO′ dezvoltat de pala i este The torque at the rotor shaft OO′ developed by blade i is
Tr,i = Fx′ · |OO′ |, Tr,i = Fx′ · |OO′ |,
iar momentul de torsiune total dezvoltat la toate palele este and the total torque developed at all blades is
, (7) , (7)
unde Npal - numărul palelor rotorului. where Npal - the number of rotor blades.
În general, forţa hidrodinamică nu are punctul de aplicaţie în originea sistemului de axe ale palei O′ (fig. 4), astfel că produce un moment rezultant M. Acesta este determinat în raport cu un anumit punct de referinţă. Drept punct de referinţă se va considera punctul P situat la distanţa de 1⁄4 de coardă de la bordul de atac B. Momentul, numit şi moment de tangaj, se calculează după formula: In general, the hydrodynamic force does not have its point of application at the origin of the blade axis system O′ (fig. 4), so it produces a resultant moment M. This is determined in relation to a certain reference point. The reference point will be considered to be point P located at a distance of 1⁄4 chord from the leading edge B. The moment, also called pitching moment, is calculated by the formula:
(8) (8)
unde CM reprezintă coeficientul de moment al profilului. where CM represents the moment coefficient of the profile.
Pentru simplitate, coarda profilului se consideră unitară. Iniţial, fluidul este considerat incompresibil şi nevâscos, iar mişcarea sa - plană şi potenţială. În cazul unui fluid incompresibil în mişcare plană, componentele vitezei (fig. 5) For simplicity, the chord of the profile is considered unitary. Initially, the fluid is considered incompressible and inviscid, and its motion - plane and potential. In the case of an incompressible fluid in plane motion, the velocity components (fig. 5)
în punctul P(x, y) sunt date de relaţiile: at the point P(x, y) are given by the relations:
unde Ф este potenţialul mişcării, obţinut prin poziţia unui flux uniform cu viteză , a distribuţiei de surse şi distribuţiei de vârtejuri, amplasate pe conturul profilului C: where Ф is the potential of motion, obtained by the position of a uniform flow with velocity , of the source distribution and the eddy distribution, located on the contour of the profile C:
(9), (9),
unde: where:
q(s) - intensitatea surselor, q(s) - source intensity,
y(s) - intensitatea vârtejurilor, y(s) - eddy intensity,
s - distanţa măsurată de-a lungul conturului C, s - distance measured along contour C,
(r, θ) - coordonatele polare ale punctului P′(x, y) raportate la punctul de pe contur corespunzător distanţei S (fig. 5). (r, θ) - the polar coordinates of the point P′(x, y) reported to the point on the contour corresponding to the distance S (fig. 5).
Pentru a calcula potenţialul mişcării Ф se foloseşte o metodă de colocaţie, şi anume: frontiera profilului C este aproximată cu o linie poligonală închisă , laturile elementului de frontieră Ej având vârfurile Pj şi Pj+1 situate pe C induse de nodurile Cebyshev. Se consideră că intensitatea vârtejurilor γ(s) distribuite pe profilul C este constantă pe frontieră, având valoarea γ, iar intensitatea surselor q(s) distribuite pe profil este constantă pe fiecare element de frontieră Ej, având valoarea qj, unde j = 1,…,N. Ecuaţia (9) devine: To calculate the potential of the motion Ф, a collocation method is used, namely: the boundary of the profile C is approximated by a closed polygonal line, the sides of the boundary element Ej having the vertices Pj and Pj+1 located on C induced by the Chebyshev nodes. It is considered that the intensity of the vortices γ(s) distributed on the profile C is constant on the boundary, having the value γ, and the intensity of the sources q(s) distributed on the profile is constant on each boundary element Ej, having the value qj, where j = 1,…,N. Equation (9) becomes:
(10) (10)
necunoscute fiind γ şi qj, j = 1,…,N. unknowns being γ and qj, j = 1,…,N.
Fie elementul de frontieră Ej cu vârfurile Pj şi Pj+1 (fig. 6). Necunoscutele γ şi qj, j = 1,…,N din relaţia (10) sunt determinate din condiţiile la limită şi condiţia de alunecare pe frontiera profilului presupus impermeabil Let Ej be the boundary element with vertices Pj and Pj+1 (Fig. 6). The unknowns γ and qj, j = 1,…,N in relation (10) are determined from the boundary conditions and the slip condition on the boundary of the assumed impermeable profile
, (11) , (11)
unde este normala la conturul profilului şi este versorul tangent al elementului de frontieră. Se cere satisfacerea condiţiei (11) în punctele de colocaţie cu mijlocurile laturilor Ej. Componentele vitezei în Mj se notează cu (uj,vj). Astfel, condiţia (11) furnizează N relaţii algebrice: where is the normal to the profile contour and is the tangent versor of the boundary element. It is required that condition (11) be satisfied at the points of collocation with the midpoints of the sides Ej. The velocity components in Mj are denoted by (uj,vj). Thus, condition (11) provides N algebraic relations:
-ui sin θ1 + vi cos θi = 0, i = 1,…,N, (12) -ui sin θ1 + vi cos θi = 0, i = 1,…,N, (12)
folosite pentru a determina cele N + 1 necunoscute γ şi qj, j = 1,…,N. Condiţia Kutta va furniza relaţia finală: used to determine the N + 1 unknowns γ and qj, j = 1,…,N. The Kutta condition will provide the final relation:
u1 cos θ1 +v1 sin θ1 = -uN cos θN + vN sin θN (13) u1 cos θ1 +v1 sin θ1 = -uN cos θN + vN sin θN (13)
Componentele vitezei în punctul Mi sunt determinate de către contribuţiile vitezelor induse de distribuţia surselor şi vârtejurilor de pe fiecare element de frontieră Ej: The velocity components at point Mi are determined by the velocity contributions induced by the distribution of sources and vortices on each boundary element Ej:
(14) (14)
unde sunt coeficienţi de influenţă. De exemplu, reprezintă componenta în direcţia x a vitezei în punctul M1, indusă de distribuţia de surse de intensitate unitară de pe elementul Ej. where are influence coefficients. For example, represents the component in the x direction of the velocity at point M1, induced by the distribution of unit intensity sources on the element Ej.
Fie βij(i ≠ j) unghiul format de laturile PjMi şi MiPj+1 şi βii = π, i, j = 1,…,N, iar rij - distanţa dintre punctele Mi şi Pj (fig.7). Let βij(i ≠ j) be the angle formed by the sides PjMi and MiPj+1 and βii = π, i, j = 1,…,N, and rij - the distance between the points Mi and Pj (fig.7).
Notăm . În aceste notaţii coeficienţii de influenţă se calculează din formulele: We note . In these notations, the influence coefficients are calculated from the formulas:
Substituim expresiile (14) şi (15) în condiţiile la limită (12) şi condiţia Kutta (13) pentru a obţine un sistem liniar cu N + 1 ecuaţii şi N + 1 necunoscute γ şi qj, j = 1,…,N, We substitute expressions (14) and (15) into the boundary conditions (12) and the Kutta condition (13) to obtain a linear system with N + 1 equations and N + 1 unknowns γ and qj, j = 1,…,N,
Sistemul liniar (16) furnizează valorile căutate: γ şi qj, j = 1,…,N, cu ajutorul cărora, în continuare, se pot calcula componentele tangenţiale ale vitezei în punctele de colocaţie Mi: The linear system (16) provides the sought values: γ and qj, j = 1,…,N, with the help of which, further, the tangential components of the velocity at the collocation points Mi can be calculated:
Regrupăm termenii şi utilizăm identităţi trigonometrice: Regroup the terms and use trigonometric identities:
Coeficientul local de presiune pe conturul discretizat al profilului se poate calcula prin relaţia: The local pressure coefficient on the discretized contour of the profile can be calculated by the relationship:
unde componentele uτi sunt furnizate de formula (17). where the uτi components are given by formula (17).
Forţele hidrodinamice, care acţionează pe Ej, sunt date de relaţiile: The hydrodynamic forces acting on Ej are given by the relations:
iar momentele de tangaj în raport cu punctul de referinţă sunt: and the pitching moments relative to the reference point are:
Forţa totală este suma contribuţiilor fiecărui element de frontieră: The total force is the sum of the contributions of each boundary element:
iar coeficienţii de portanţă şi de moment se calculează după cum urmează: and the lift and moment coefficients are calculated as follows:
, ,
După calculul distribuţiei de viteze din mişcarea potenţială în jurul profilului, se calculează parametrii stratului limită corespunzător distribuţiilor de viteze obţinute anterior. Etapa stratului limită, la rândul său, este divizată în două subetape: stratul limită laminar şi stratul limită turbulent. After calculating the velocity distribution from the potential motion around the profile, the boundary layer parameters corresponding to the previously obtained velocity distributions are calculated. The boundary layer stage, in turn, is divided into two substages: the laminar boundary layer and the turbulent boundary layer.
Stratul limită începe în punctul de stagnare şi urmează curgerea de-a lungul suprafeţei exterioare sau inferioare în direcţia bordului de fugă. Imediat ce punctul de stagnare x1 este determinat, se numerotează vârfurile în direcţia bordului de fugă TE (fig. 8). The boundary layer starts at the stagnation point and follows the flow along the outer or lower surface in the direction of the trailing edge. Once the stagnation point x1 is determined, the peaks in the direction of the trailing edge TE are numbered (Fig. 8).
Calculul parametrilor stratului limită laminar utilizează modelul Thwaites. Din ecuaţiile Navier-Stokes pentru un fluid incompresibil, se deduc ecuaţiile Prandtl ale mişcării în stratul limită laminar: The calculation of the parameters of the laminar boundary layer uses the Thwaites model. From the Navier-Stokes equations for an incompressible fluid, the Prandtl equations of motion in the laminar boundary layer are derived:
(18) (18)
unde x reprezintă distanţa măsurată de-a lungul conturului, iar y este distanţa măsurată de-a lungul normalei la contur (fig. 8). where x represents the distance measured along the contour, and y is the distance measured along the normal to the contour (fig. 8).
Introducem grosimea de deplasare δ*: We introduce the displacement thickness δ*:
(19) (19)
în care V reprezintă viteza din exteriorul stratului limită în punctul considerat, iar u este viteza tangenţială în acest punct. Similar, se defineşte grosimea pierderii de impuls θ where V is the velocity outside the boundary layer at the point considered, and u is the tangential velocity at this point. Similarly, the momentum loss thickness θ is defined
(20) (20)
şi grosimea pierderii de energie θ* and the energy loss thickness θ*
(21) (21)
Combinăm ecuaţiile (18) şi (19, 20) şi integrăm expresia rezultantă, pentru a obţine ecuaţia integro-diferenţială a stratului limită Von Karman: We combine equations (18) and (19, 20) and integrate the resulting expression to obtain the Von Karman boundary layer integral-differential equation:
, (22) , (22)
unde Cf - coeficientul local al forţei de frecare pe suprafaţa profilului: where Cf - local coefficient of friction force on the profile surface:
iar τw este tensiunea tangenţială and τw is the tangential stress
, ,
şi H=δ*/θ. Pe de altă parte, se obţine ecuaţia integrală pentru energia cinetică a stratului limită and H=δ*/θ. On the other hand, the integral equation for the kinetic energy of the boundary layer is obtained
, (23) , (23)
unde Cd este coeficientul de disipaţie where Cd is the dissipation coefficient
şi H* = θ*/θ. and H* = θ*/θ.
Sistemul de ecuaţii (22) şi (23) nu este suficient pentru determinarea tuturor necunoscutelor. Relaţiile suplimentare se bazează pe relaţiile semiempirice Falkner-Skan: The system of equations (22) and (23) is not sufficient to determine all the unknowns. Additional relations are based on the semi-empirical Falkner-Skan relations:
Înmulţim ecuaţia (22) cu Reθ şi rearanjăm termenii pentru a obţine: We multiply equation (22) by Reθ and rearrange the terms to obtain:
(24) (24)
Similar, înmulţim ecuaţia (23) cu Reθ/H* şi rearanjăm termenii: Similarly, we multiply equation (23) by Reθ/H* and rearrange the terms:
(25) (25)
unde s-au introdus notările: where the notations were introduced:
Valorile iniţiale sunt determinate astfel încât şi să ia valoarea 0. H(0) şi ω(0) se calculează din relaţiile: The initial values are determined so that and take the value 0. H(0) and ω(0) are calculated from the relations:
cu rădăcina H0 ≈ 2, 24 şi with root H0 ≈ 2, 24 and
Pentru rezolvarea sistemului de ecuaţii diferenţiale (24) şi (25) utilizăm metoda Euler. Trecerea de la pasul i la pasul i + 1 se efectuează prin liniarizarea funcţiilor F1 şi F2 în vecinătatea punctului Hi. Se obţine un sistem din două ecuaţii biliniare cu necunoscutele H = Hi+1 şi ω = ωi+1, care pot fi rezolvate exact: To solve the system of differential equations (24) and (25) we use the Euler method. The transition from step i to step i + 1 is performed by linearizing the functions F1 and F2 in the vicinity of the point Hi. We obtain a system of two bilinear equations with the unknowns H = Hi+1 and ω = ωi+1, which can be solved exactly:
Aplicăm această metodă fie până punctul de tranziţie de la stratul limită laminar la stratul limită turbulent este prezis, fir până bordul de fugă este atins. We apply this method either until the transition point from laminar to turbulent boundary layer is predicted, or until the trailing edge is reached.
Tranziţia de la curgerea laminară la cea turbulentă poate fi localizată folosind criteriul Michel: The transition from laminar to turbulent flow can be located using the Michel criterion:
unde Rex = Re · V · x. where Rex = Re · V · x.
Pentru analiza stratului limită turbulent se vor folosi valorile medii For the analysis of the turbulent boundary layer, the average values will be used
şi fluctuaţiile and fluctuations
Din ecuaţiile Navier-Stokes, se obţin ecuaţiile stratului limită turbulent: From the Navier-Stokes equations, the turbulent boundary layer equations are obtained:
Similar cazului stratului limită laminar, se obţin ecuaţiile integrale Von Karman. Calculul parametrilor stratului limită turbulent se va efectua utilizând modelul Head. Considerăm volumul fluxului în stratul limită în punctul x Similar to the case of the laminar boundary layer, the Von Karman integral equations are obtained. The calculation of the turbulent boundary layer parameters will be performed using the Head model. We consider the volume of the flow in the boundary layer at point x
Pentru grosimea de deplasare avem relaţia: For the displacement thickness we have the relationship:
Introducem viteza fluxului We introduce the flow velocity
, ,
unde where
Head a presupus că viteza adimensională E/V este funcţie doar de H1, iar H1, la rândul său, este funcţie de H. Cebeci şi Bradshaw au considerat relaţiile Head assumed that the dimensionless velocity E/V is a function of H1 only, and H1, in turn, is a function of H. Cebeci and Bradshaw considered the relations
(26) (26)
(27) (27)
A patra ecuaţie folosită pentru determinarea necunoscutelor θ, H, H1 şi Cf este legea coeficientului local de frecare la perete Ludwieg-Tillman The fourth equation used to determine the unknowns θ, H, H1 and Cf is the Ludwieg-Tillman law of the local wall friction coefficient
(28) (28)
Combinăm ecuaţia integrală Von Karman, relaţiile (26-28) pentru a obţine sistemul de ecuaţii diferenţiale: We combine the Von Karman integral equation, relations (26-28) to obtain the system of differential equations:
(29) (29)
unde Y = (θ,H1), iar where Y = (θ,H1), and
Valorile iniţiale sunt valorile finale furnizate de sub etapa stratului laminar. Integrarea numerică a sistemului (29) se efectuează cu metoda Runge-Kutta de ordinul 2: The initial values are the final values provided from below the laminar layer stage. The numerical integration of system (29) is performed with the 2nd order Runge-Kutta method:
(30) (30)
Calculul se efectuează fie până este atins bordul de fugă, fie până are loc separarea stratului turbulent. The calculation is performed either until the trailing edge is reached or until the turbulent layer separation occurs.
Pentru calculul coeficientului de rezistenţă CD se utilizează formula Squire-Young: To calculate the resistance coefficient CD, the Squire-Young formula is used:
(31) (31)
unde λ = (HTE + 5)/2. where λ = (HTE + 5)/2.
Luând în considerare faptul că forţa hidrodinamică Fx ′ nu este aplicată în originea sistemului de coordonate al palei O′ (fig. 9), această forţă produce momentul de tangaj M. Acest moment este determinat faţă de un punct de referinţă. Drept punct de referinţă va fi considerat punctul P situat la distanţa 1⁄4 din coardă de la bordul de atac B (fig. 9). Pentru valorile de lucru ale unghiului de atac α = 18° se obţine CM,ref = -0,026. Astfel, din relaţia (9) rezultă că CM = 0,0439. Momentul de torsiune faţă de punctul P este: Taking into account the fact that the hydrodynamic force Fx ′ is not applied at the origin of the blade coordinate system O′ (fig. 9), this force produces the pitching moment M. This moment is determined with respect to a reference point. The reference point will be considered to be the point P located at a distance of 1⁄4 of the chord from the leading edge B (fig. 9). For the working values of the angle of attack α = 18°, CM,ref = -0.026 is obtained. Thus, from relation (9) it follows that CM = 0.0439. The torsional moment with respect to point P is:
(32) (32)
unde V∞ = 1 m/s, c = 1,3 m şi h = 1,4 m. Componentele forţei hidrodinamice în sistemul de coordonate O′x"y" sunt furnizate de relaţiile (4, 5). Utilizând valorile FL şi FD obţinute anterior, avem: where V∞ = 1 m/s, c = 1.3 m and h = 1.4 m. The components of the hydrodynamic force in the O′x"y" coordinate system are given by relations (4, 5). Using the values of FL and FD obtained previously, we have:
Fx" = 1601,2 N, Fx" = 1601.2 N,
Fy" = -413,8 N (33) Fy" = -413.8 N (33)
Atunci Then
|O′ P| = |M|/| Fx′ |= 0,0249 m ≈ 25 mm = Δ (34) |O′ P| = |M|/| Fx′ |= 0.0249 m ≈ 25 mm = Δ (34)
În scopul asigurării stabilităţii mişcării palei, punctul de fixare W trebuie ales în intervalul Δ ≤|O′W| ≤ k, unde kmin ≤ k ≤ kmax sunt luate cu condiţia ca forţele de frecare, care apar în cuplele cinematice ale mecanismului de orientare, să fie minime. In order to ensure the stability of the blade movement, the fixing point W must be chosen in the range Δ ≤|O′W| ≤ k, where kmin ≤ k ≤ kmax are taken under the condition that the friction forces, which appear in the kinematic couplings of the orientation mechanism, are minimal.
În baza elaborărilor teoretice se identifică parametrii geometrici: razele de curbură a ghidajelor R1 şi R2, plasarea centrelor razelor de curbură a acestora OO1 şi OO2, unghiul de înclinare β a ghidajului cu profil rectiliniu (fig. 2), precum şi parametrii geometrici ai mecanismului de orientare şi stabilizare a palei cu profil hidrodinamic. Based on theoretical elaborations, the geometric parameters are identified: the radii of curvature of the guides R1 and R2, the placement of the centers of their radii of curvature OO1 and OO2, the inclination angle β of the guide with a rectilinear profile (fig. 2), as well as the geometric parameters of the orientation and stabilization mechanism of the blade with a hydrodynamic profile.
În fig. 9 este prezentată schema cinematică a palei cu profil hidrodinamic cu parametrii constructivi ai mecanismului de orientare şi stabilizare a palei în fluid. In Fig. 9 the kinematic diagram of the blade with hydrodynamic profile is presented with the constructive parameters of the blade orientation and stabilization mechanism in the fluid.
La interacţiunea palei 13 cu fluidul, forţa hidrodinamică Fx ′ comunică acesteia mişcare de rotaţie ω în jurul axului principal 10 al rotorului. Upon interaction of the blade 13 with the fluid, the hydrodynamic force Fx ′ imparts to it a rotational movement ω around the main axis 10 of the rotor.
Pala 13 se poziţionează faţă de direcţia fluidului sub unghiul α determinat prin rostogolirea pe suprafaţa ghidajului 16 a corpului de rotaţie 15 montat la extremitatea tijei 14 fixate imobil pe semiaxul 12 al palei. The blade 13 is positioned relative to the fluid direction at the angle α determined by the rolling on the surface of the guide 16 of the rotating body 15 mounted at the end of the rod 14 fixed immobile on the semi-axis 12 of the blade.
Pentru a asigura palei 13 stabilitate poziţională în fluid pentru orice unghi 0<φ<2π semiaxul 12 este plasat pe axa de simetrie a profilului hidrodinamic la distanţa de la bord BW determinată prin relaţia: To ensure positional stability of the blades 13 in the fluid for any angle 0<φ<2π, the semi-axis 12 is placed on the axis of symmetry of the hydrodynamic profile at the distance from the board BW determined by the relationship:
BW = 0,25c- k, (35) BW = 0.25c-k, (35)
unde c - lungimea cordului palei; where c - the blade chord length;
k - cota liniară, care determină asigurarea condiţiei de stabilizare a poziţionării palei în fluid Rk > 0. k - linear dimension, which determines the condition of stabilizing the blade positioning in the fluid Rk > 0.
Poziţia palei 13 în fluid pentru orice φ este stabilă în cazul în care: Δ< k≤ kmax, unde kmax - cota liniară maximală determinată din condiţia forţelor de frecare admisibile în cupla cinematică corp de rotaţie - ghidaj. The position of the blade 13 in the fluid for any φ is stable if: Δ< k≤ kmax, where kmax - the maximum linear dimension determined from the condition of admissible friction forces in the kinematic coupling of the rotating body - guide.
Parametrii constructivi menţionaţi în revendicări variază în funcţie de viteza de curgere a fluidului V∞ şi se determină prin formulele 1÷35. The constructive parameters mentioned in the claims vary depending on the fluid flow velocity V∞ and are determined by formulas 1÷35.
1. US 7083382 B2 2006.08.01 1. US 7083382 B2 2006.08.01
2. MD 3845 F1 2009.02.28 2. MD 3845 F1 2009.02.28
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| MDS20120130A MD589Z (en) | 2012-09-20 | 2012-09-20 | Hydraulic station |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| MDS20120130A MD589Z (en) | 2012-09-20 | 2012-09-20 | Hydraulic station |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| MD589Y MD589Y (en) | 2013-01-31 |
| MD589Z true MD589Z (en) | 2013-08-31 |
Family
ID=47681258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| MDS20120130A MD589Z (en) | 2012-09-20 | 2012-09-20 | Hydraulic station |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| MD (1) | MD589Z (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2187691C2 (en) * | 2000-03-13 | 2002-08-20 | Производственный кооператив "Энергетика и экология" | Channel hydropower unit |
| RU2003113279A (en) * | 2003-05-05 | 2004-11-20 | Филиал Красноярского государственного технического университета в г. Железногорске | HYDRAULIC POWER STATION |
| RU2247859C1 (en) * | 2003-09-15 | 2005-03-10 | Красноярский государственный технический университет (КГТУ) | Submersible free-flow microhydroelectric station |
| US7083382B2 (en) * | 2000-11-13 | 2006-08-01 | Ursua Isidro U | Vertical axis wind turbine |
| MD2992G2 (en) * | 2005-09-15 | 2006-09-30 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station |
| MD3104G2 (en) * | 2005-09-15 | 2007-02-28 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station |
| MD3845F1 (en) * | 2008-03-05 | 2009-02-28 | Universitatea Tehnica A Moldovei | Hydraulic station |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2275526C2 (en) * | 2003-05-05 | 2006-04-27 | ООО "Научно-производственное общество "Бакор" | Hydraulic power-generating station |
-
2012
- 2012-09-20 MD MDS20120130A patent/MD589Z/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2187691C2 (en) * | 2000-03-13 | 2002-08-20 | Производственный кооператив "Энергетика и экология" | Channel hydropower unit |
| US7083382B2 (en) * | 2000-11-13 | 2006-08-01 | Ursua Isidro U | Vertical axis wind turbine |
| RU2003113279A (en) * | 2003-05-05 | 2004-11-20 | Филиал Красноярского государственного технического университета в г. Железногорске | HYDRAULIC POWER STATION |
| RU2247859C1 (en) * | 2003-09-15 | 2005-03-10 | Красноярский государственный технический университет (КГТУ) | Submersible free-flow microhydroelectric station |
| MD2992G2 (en) * | 2005-09-15 | 2006-09-30 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station |
| MD3104G2 (en) * | 2005-09-15 | 2007-02-28 | Технический университет Молдовы | Hydraulic station |
| MD3845F1 (en) * | 2008-03-05 | 2009-02-28 | Universitatea Tehnica A Moldovei | Hydraulic station |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| MD589Y (en) | 2013-01-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fernandes et al. | Hydrokinetic energy harvesting by an innovative vertical axis current turbine | |
| El Mouhsine et al. | Aerodynamics and structural analysis of wind turbine blade | |
| Chica et al. | Design of a hydrokinetic turbine | |
| Amelio et al. | Innovative tidal turbine with central deflector for the exploitation of river and sea currents in on-shore installations | |
| US20220341328A1 (en) | Turbines and associated components, systems and methods | |
| TWI682098B (en) | Vertical axis type hydraulic power generation device, vertical axis type hydraulic power generation unit | |
| JP2017020482A (en) | Bistable type nonlinear pendulum power generator under utilization of fluid | |
| CN111622882A (en) | Double-vibrator flow induced shimmy power generation device | |
| CN108343544B (en) | Vertical shaft resistance difference type kinetic energy converter with automatic deformation of fluid-facing blades | |
| MD589Z (en) | Hydraulic station | |
| Ahmadi-Baloutaki | Analysis and improvement of aerodynamic performance of straight bladed vertical axis wind turbines | |
| Gareev | Analysis of variable pitch air turbines for oscillating water column (OWC) wave energy converters | |
| Ramachandran | Failure Analysis of Turbine Blade Using Computational Fluid Dynamics | |
| Djanali et al. | Numerical study of savonius wind turbines with standard and Bach-profile blade variations | |
| Nicholls-Lee et al. | Performance prediction of a free stream tidal turbine with composite bend-twist coupled blades | |
| CN101737089B (en) | Bi-directional blades for ocean power turbines | |
| Imran | Pre-stress and free vibration optimization of composite ocean current turbine blade | |
| Rostami et al. | Plate shape effect on the performance of the vertical axis auto rotation current turbine (VAACT) | |
| CN105626350A (en) | Mixed flow water turbine runner with groove drag reduction | |
| CN201582031U (en) | Bi-directional blades for ocean power turbines | |
| Zhao et al. | Failure analysis on darrieus type cross-flow water turbines under environment load on sea | |
| Turalına et al. | Theoretical and experimental investigations to define optimal parameters of the straight-flow turbine for non-dam hydro power station | |
| Keskin et al. | Performance analysis of roughness-controlled vertical axis wind turbine | |
| WO2016030910A4 (en) | Water kinetic energy driven hydro turbine | |
| Namiranian | 3D simulation of a 5MW wind turbine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG9Y | Short term patent issued | ||
| KA4Y | Short-term patent lapsed due to non-payment of fees (with right of restoration) |