2.3 Экспериментальные исследования вязкого трения
Эксперименты проводились с целью определения влияния зазора между дисками и материала дисков на коэффициент вязкого трения, который влияет на эффективность преобразования энергии потока воды в дисковых гидротурбинах.
Для анализа использовали величину зазора в 1, 2 и 3 мм, а в качестве материалов дисков использовали листовой алюминий толщиной 1,2 мм, стальных пластин толщиной 1,2 мм и полимерных (пластмассовых) пластин толщиной 1,2 мм.
Пластины размером 150х100 мм собирались в пакеты по пять пластин.
Измерения производились при помощи системы сбора данных LTR-U-1 с компьютерной программой LGraph2 (L-CARD) для тензометрических измерений.
Первоначально производилась тарировка тензометрической балки при помощи грузов в 10, 20 30 грамм. По графику тарировки в программе LGraph2 определялся коэффициент пересчета в ньютонах на вольт [H/B]. График тарировки тензометрической балки представлен в приложении В.
Пакет из пластин погружались в воду. Затем цепь устанавливались в зацепление определенных пар ведущего и ведомого блоков звездочек. Для замера силы трения Fμ в экспериментах использовалась тензометрическая балка. Далее включался двигатель и при помощи системы сбора данных LTR-U-1 в программе LGraph2 записывался график изменения силы гидравлического трения, которая отображалась на графике в вольтах. При помощи коэффициента пересчета определялась сила вязкого трения Fμ в ньютонах. Таким образом, производились замеры при различных сочетаниях ведущей и ведомой звездочек.
Фотография стенда для определения коэффициента вязкого трения представлена на рисунке 6.
Для определения скорость вначале вычислялось времени полутора оборотов шестерни в секундах в соответствии с передаточным отношением задействованных пар звездочек. Затем определялась скорость как частное пути (0,035 м) и времени полутора оборотов шестерни в секундах.
Рисунок 6 – Фотография стенда для измерения коэффициента вязкого трения
Коэффициент вязкого трения определяется из зависимости по формуле
,
(2.3)
где f = 2*5*0,15*0,1=0,15м2– суммарная площадь пакета пластин;
b– зазор между пластинами.
Результаты экспериментального определения коэффициента вязкого трения при температуре воды 20оС сведены в таблицы 2 - 10.
Таблица 2 – Полимерные пластины, b=0,001м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость)
м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000115
1,128
0,0098
28
14
1,06
0,000145
1,422
0,0134
28
15
0,993
0,000150
1,471
0,0148
28
17
0,876
0,000155
1,520
0,0173
28
19
0,784
0,000165
1,618
0,0206
28
21
0,709
0,000190
1,863
0,0262
28
24
0,620
0,000220
2,158
0,0348
28
28
0,532
0,000235
2,305
0,0433
Таблица 3 – Полимерные пластины, b=0,002м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость)
м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000145
1,422
0,0124
28
14
1,06
0,000150
1,471
0,0138
28
15
0,993
0,000160
1,569
0,0158
28
17
0,876
0,000160
1,569
0,0179
28
19
0,784
0,000160
1,569
0,0200
28
21
0,709
0,000160
1,569
0,0221
28
24
0,620
0,000162
1,589
0,0256
28
28
0,532
0,000170
1,667
0,313
Таблица 4 – Полимерные пластины, b=0,003м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость)
м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000145
1,422
0,0124
28
14
1,06
0,000150
1,471
0,0138
28
15
0,993
0,000160
1,569
0,0158
28
17
0,876
0,000170
1,667
0,0190
28
19
0,784
0,000175
1,716
0,0218
28
21
0,709
0,000185
1,814
0,0255
28
24
0,620
0,000200
1,962
0,0316
28
28
0,532
0,000195
1,912
0,0359
Таблица 5– Стальные пластины, b=0,001м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость)
м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000250
2,452
0,0215
28
14
1,06
0,000270
2,648
0,0262
28
15
0,993
0,000280
2,746
0,0276
28
17
0,876
0,000300
2,943
0,0335
28
19
0,784
0,000320
3,139
0,0400
28
21
0,709
0,000350
3,433
0,0484
28
24
0,620
0,000370
3,629
0,0585
28
28
0,532
0,000460
4,512
0,0848
Таблица 6 – Стальные пластины, b=0,002м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость)
м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000240
2,354
0,0206
28
14
1,06
0,000250
2,452
0,0231
28
15
0,993
0,000260
2,550
0,0256
28
17
0,876
0,000260
2,550
0,0291
28
19
0,784
0,000340
3,335
0,0425
28
21
0,709
0,000370
3,629
0,0511
28
24
0,620
0,000400
3,924
0,0632
28
28
0,532
0,000380
3,727
0,0700
Таблица 7– Стальные пластины, b=0,003м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость)
м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000300
2,943
0,0258
28
14
1,06
0,000360
3,531
0,0333
28
15
0,993
0,000380
3,727
0,0375
28
17
0,876
0,000410
4,022
0,0459
28
19
0,784
0,000430
4,218
0,0538
28
21
0,709
0,000440
4,316
0,0608
28
24
0,620
0,000470
4,610
0,0743
28
28
0,532
0,000520
5,101
0,0958
Таблица 8– Алюминиевые пластины, b=0,001м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость)
м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000115
1,471
0,0129
28
14
1,06
0,000145
1,569
0,0148
28
15
0,993
0,000150
1,716
0,0172
28
17
0,876
0,000155
2,060
0,0235
28
19
0,784
0,000165
2,158
0,0275
28
21
0,709
0,000190
1,962
0,0276
28
24
0,620
0,000220
1,863
0,0300
28
28
0,532
0,000235
1,177
0,0221
Таблица 9– Алюминиевые пластины, b=0,002 м
-
z1
(шестерня двигателя)
z2
(шестерня датчика)
V
(скорость), м/с
Значение тензографика
Fμ
(Н)
μ
28
13
1,14
0,000145
1,157
0,0101
28
14
1,06
0,000150
1,353
0,0127
28
15
0,993
0,000160
1,373
0,0138
28
17
0,876
0,000160
1,402
0,0160
28
19
0,784
0,000160
1,520
0,0193
28
21
0,709
0,000160
1,618
0,0228
28
24
0,620
0,000162
1,471
0,0237
28
28
0,532
0,000170
1,520
0,0285
Таблица 10– Алюминиевые пластины, b=0,003 м
z1 (шестерня двигателя) |
z2 (шестерня датчика) |
V (скорость) м/с |
Значение тензографика |
Fμ (Н) |
μ |
28 |
13 |
1,14 |
0,000145 |
1,1772 |
0,0103 |
28 |
14 |
1,06 |
0,000150 |
1,2753 |
0,0120 |
28 |
15 |
0,993 |
0,000160 |
1,3243 |
0,0133 |
28 |
17 |
0,876 |
0,000170 |
1,4028 |
0,0160 |
28 |
19 |
0,784 |
0,000175 |
1,4710 |
0,0187 |
28 |
21 |
0,709 |
0,000185 |
1,5696 |
0,0221 |
28 |
24 |
0,620 |
0,000200 |
2,4525 |
0,0395 |
28 |
28 |
0,532 |
0,000195 |
1,962 |
0,0368 |
На рисунках 7, 8 и 9 изображены графики экспериментальных зависимостей коэффициента вязкого трения от скоростипостроенные по данным соответствующих пластин из алюминия, стали и полимера. На графиках точки в виде квадратов относятся к зазору между дисками равному 1мм (аппроксимация линейной функцией изображена пунктирной линией), точки в виде ромбов – к зазору 2 мм (аппроксимация линейной функцией – штрих-пунктирной линией) и точки в виде кружков – к зазору 3 мм (аппроксимация линейной функцией – сплошной линией).
Рисунок 7 – Экспериментальные зависимости для алюминиевых пластин
Из графиков экспериментальных зависимостей коэффициента вязкого трения от скорости потока воды видно, что для малых скоростей выгоднее принамать зазоры между дисками пластин гидротурбин больше, чем для более высоких скоростей потока воды. То есть при малых расходах воды необходимо предусматривать большие зазору, чем при больших расходах воды.
Что касается материалов. То, как видно из графиков наиболее предпочтительными для исследуемых материалов являются пластины из стали с наиболее высоким коэффициентом вязкого трения.
Рисунок 8 – Экспериментальные зависимости для стальных пластин
Рисунок 9 – Экспериментальные зависимости для полимерных пластин
3 ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ВЕТРЯНОЙ СТАНЦИИ
3.1 Разработка методики испытания опытного образца ветростанции
Проведение испытаний опытных образцов ветростанций весма затруднено в районах не обладающих постоянными ветрами, в частности в районе города Алматы.
В этой связи была разработанна методика испытаний опытных образцов ветростанций. Суть методики закдючается в следующем. Ветродвигатель устанавливается на автомобиль. В этом случае скорость движения автомобиля будет определять скорость ветрового потока. При этом следует учитывать направление естественного ветрового потока.
Для измерения мощности на валу ветродвигателя раработан и изготовлен специальный стенд, который состоит из вала, один конец которого соосно закрепляется на валу ветродвигателя, а другой через подшипниковую опору соединен с тормозным устройством для обеспечения переменной нагрузки на валу. При этом вал снабжен тензодатчиками отражателем, посредствам которых производится замер мощности и частоты вращения вала ветродвигателя. Фотография стенда представлена на рисунке 10.
Рисунок 10 – Стенд для измерения мощности на валу ветродвигателя
Эффективность преобразования энергии (к.п.д.) определяется отношением мощности на валу ветродвигателя к мощности ветрового потока.