热物理实验原理与技术 小型叶轮机制作及风洞测试 实验报告.docx
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热物理实验原理与技术小型叶轮机制作及风洞测试实验报告
热物理实验原理与技术
实验报告
学院:
实验名称:
小型叶轮机制作及风洞测试
小组成员:
指导老师:
日期:
2019年12月
一、实验名称
小型叶轮机制作及风洞测试
二、实验背景
伴随着化石能源的日益枯竭和能源需求的加速增长,以可再生能源与新能源技术为代表的新一轮科技革命和产业变革正在兴起,并将持续改变世界能源格局。
可再生能源与新能源技术在当前形势下,不仅代表着一种新兴技术的发展,同时在全球范围内对现有传统经济与能源发展模式、新的制造体系等一系列传统发展格局都有着深远的影响。
可再生能源的迅猛发展给电网的安全性和稳定性带来越来越严峻的挑战,而储能系统是提高电网安全性和稳定性的有效途径目前储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、物理储能等。
在压缩空气储能系统中,能量以压力势能的形式储存起来,通常的做法是将压缩的气体(一般是空气)储存在容器中。
当需要用能时,释放高压气体在透平中膨胀做功以带动透平轴旋转从而将气体中储存的能量释放出来转化为机械功。
传统压缩空气储能系统具有容量较大、周期长、寿命长、投资相对小等优点。
三、实验目的
计算小型叶轮机的机械效率。
四、实验设计
在搭建的试验台上,利用实验仪器测出叶轮转速、前缘速度、前后压差、对应时间,然后利用机械能守恒等相应公式及变型,计算叶轮机效率,并分析误差来源。
五、实验器材
小型风洞,UT373迷你型非接触式转速计(见图5.1),哈博瑞轴承(见图5.2),叶轮(孔径为8mm,孔厚度为5mm,叶片直径为95mm),重物圆盘(质量为171.603g,直径为80mm),DP2000智能数字微压计(见图5.3),皮托管,转轴(直径为8mm),轴承支撑架(直径为10cm),剪刀,胶带等等。
图5.1UT373迷你型非接触式转速计及其测量操作图
使用UT373迷你型非接触式转速计测量转速的操作方法如下:
1)停止正在转动的待测物;
2)裁剪一段反光纸(约10mm*10mm)贴在待测物体上;
3)将转速计固定于一个稳定位置,使转速计的激光发射与接收窗口距离被测量物体50-200mm之间;
4)短按电源键开启转速计,默认进入测量转速功能,将激光对准被测物体上的反光纸,并且与反光纸的垂直夹角不大于30°;
5)启动待测物,仪表即显示正在测量的转速。
图5.2重物圆盘、哈博瑞轴承、叶轮
图5.3DP2000智能数字微压计和皮托管
DP2000智能数字微压计的操作方法及原理在此说明:
1)测量表压用胶管连接嘴与被测压力源,测高于大气压接正压接嘴;测低于大气压接负压接嘴。
另一接嘴通大气,仪器示值即为表压(如图5.4所示)。
图5.4DP2000智能数字微压计测量表压
2)测量动压(压差):
仪器正、负接嘴分别接高、低压力源,读数即为压差值(如图5.5)。
图5.5DP2000智能数字微压计测量动压
3)
测量风速:
仪器与皮托管按图5.6连接,用伯努利方程即可计算出流体中某一点的流速
。
图5.6DP2000智能数字微压计测量风速
计算式:
,
式中:
——风速(m/s);
——皮托管系数(L型皮托管系数在0.991-1.009之间);
——通过皮托管测得的动压(Pa);
——流体密度(kg/m3)。
六、实验过程
步骤一:
叶轮设计
图6.110叶片叶轮
采用SOLIDWORKS设计了10叶片和12叶片的两种叶轮,孔径为8mm,孔厚度为5mm,叶片直径为95mm,如图6.1、6.2所示。
图6.212叶片叶轮
采用光明树脂材质,3D打印出实物。
步骤二:
设计试验台并建立模型,如图6.3所示。
图6.3试验台设计图
步骤三:
试验台搭建
搭建如图6.4所示的试验台。
步骤四:
实验数据采集
以10叶片叶轮,风机15m/s挡位为例:
1.选用10个叶片的叶轮,将风机开关调至15m/s挡位;
2.结合叶轮边缘上的反光条,用迷你型非接触式转速计测量叶轮转速;
3.利用皮托管与DP2000智能数字微压计测量叶轮前后的压差和叶轮出口的流体速度;
4.与此同时,利用录像同时记录时间以及上述实验参数;
5.重复实验三次,以确保实验的准确性;
6.关闭风机,整理恢复试验台。
而后对10叶片叶轮,风机10m/s挡位;12叶片叶轮,风机15m/s挡位;12叶片叶轮,风机10m/s挡位,重复以上实验步骤。
图6.4试验台实物图
七、实验数据
实验中测得的不同叶片在不同风速档位下的流动参数(叶轮进出口压差、叶轮入口流速、叶轮转速)随时间的变化如下表所示:
表7.110叶片叶轮在15m/s挡位时流动参数随时间的变化
10叶片15m/s档
压差(Pa)
入口流速(m/s)
转速(r/min)
角速度(rad/s)
时间
0
195
4.0659
659.0
69.01048
1
197
3.6364
817.2
85.577184
2
198
3.4015
946.8
99.148896
3
199
2.2268
1045.6
109.495232
4
199
1.8182
1115.3
116.794216
5
199
1.8182
1159.3
121.401896
6
200
1.2856
1185.5
124.14556
7
201
1.8182
1200.5
125.71636
8
199
1.8182
1210.2
126.732144
12
198
1.8182
1214.7
127.203384
13
199
1.2856
1223.8
128.156336
15
200
1.2856
1225.4
128.323888
16
201
1.8182
1228.8
128.679936
17
199
2.2268
1236.7
129.507224
22
200
2.2268
1240.6
129.915632
表7.210叶片叶轮在10m/s挡位时流动参数随时间的变化
10叶片10m/s档
压差(Pa)
入口流速(m/s)
转速(r/min)
角速度(rad/s)
时间
0
93
3.8569
250.0
26.18
1
94
3.8569
299.3
31.342696
2
93
4.0656
348.6
36.505392
3
93
3.8569
377.2
39.500384
4
94
3.8569
393.3
41.186376
5
94
4.0656
405.9
42.505848
6
94
4.0656
415.4
43.500688
7
93
3.8569
423.8
44.380336
8
94
4.0656
430.6
45.092432
12
94
4.0656
435.2
45.574144
13
94
4.264
442.6
46.349072
15
94
4.246
442.6
46.349072
16
94
4.0656
447.7
46.883144
17
94
4.264
448.3
46.945976
22
94
4.264
448.9
47.008808
表7.312叶片叶轮在15m/s挡位时流动参数随时间的变化
12叶片15m/s档
压差(Pa)
入口流速(m/s)
转速(r/min)
角速度(rad/s)
时间
0
197
4.0656
817.2
85.577184
1
198
3.1492
946.8
99.148896
2
200
1.2882
1045.6
109.495232
3
200
1.2856
1115.3
116.794216
4
199
1.2856
1155.5
121.00396
5
201
1.2856
1185.5
124.14556
6
199
1.2856
1210.2
126.732144
7
197
1.8182
1213.5
127.07772
8
195
2.2268
1214.2
127.151024
9
198
1.8182
1214.7
127.203384
10
199
1.8182
1219.3
127.685096
11
201
1.8182
1225.4
128.323888
12
201
1.8182
1228.8
128.679936
13
201
1.8182
1234.1
129.234952
14
197
1.2856
1236.7
129.507224
15
198
1.2856
1235.7
129.402504
16
199
1.2856
1236.7
129.507224
表7.412叶片叶轮在10m/s挡位时流动参数随时间的变化
10m档15m/s档
压差(Pa)
入口流速(m/s)
转速(r/min)
角速度(rad/s)
时间
0
93
2.8748
266.8
27.939296
1
92
2.8748
330.2
34.578544
2
93
3.1492
377.0
39.47944
3
94
2.8748
411.6
43.102752
4
94
2.8748
439.0
45.97208
5
94
2.8748
461.3
48.307336
6
94
2.5713
477.1
49.961912
7
93
2.8748
488.0
51.10336
8
93
2.5713
497.2
52.066784
12
93
2.8748
505.7
52.956904
13
92
2.5713
513.0
53.72136
15
93
2.5713
519.0
54.34968
16
93
2.5713
523.8
54.852336
17
93
2.8748
527.2
55.208384
18
93
2.5713
528.8
55.375936
19
93
2.5713
528.8
55.375936
20
93
2.5713
532.2
55.731984
八、实验数据处理及分析
定义符号
为角速度,
为转速,
为体积流量,
为叶轮直径,叶轮前缘速度
,功率
,叶轮前后压差
,转动惯量
,重物圆盘质量
,重物圆盘半径
,转轴质量
,转轴半径
,
为角加速度,
为瞬时效率,
为总效率。
实验所涉及到的公式如下:
(式8.1)
(式8.2)
(式8.3)
(式8.4)
(式8.5)
(式8.6)
根据表7.1-7.4中实验测量所得数据,用Matlab绘制出角速度、角加速度与时间的曲线图。
图8.110叶片叶轮在15档/10档风速下角速度与时间的关系
图8.212叶片叶轮在15档/10档风速下角速度与时间的关系
图8.312叶片在15档/10档风速下角加速度与时间的关系
图8.410叶片在15档/10档风速下角加速度与时间的关系
根据图8.1-8.4,公式(8.1)-(8.6),对表7.1-7.4中的数据进行处理,得到瞬时效率随时间的变化情况。
表8.110叶片叶轮在15m/s挡位时瞬时效率随时间的变化
10叶片15m/s档
角加速度(r/s2)
瞬时效率
时间
0
17.0
5.64854%
1
16.0
6.59250%
2
12.0
5.72850%
3
7.0
3.69033%
4
5.0
2.81166%
5
3.0
1.75355%
6
2
1.19545%
7
1
0.60529%
表8.210叶片叶轮在10m/s挡位时瞬时效率随时间的变化
10叶片10m/s档
角加速度(r/s2)
瞬时效率
时间
0
6.0
0.80387%
1
5.0
0.80200%
2
3.0
0.56046%
3
2.2
0.44472%
4
1.9
0.40047%
5
1.0
0.21753%
6
0.9
0.20036%
7
0.8
0.18170%
8
0.65
0.15000%
9
0.7
0.16326%
10
0.5
0.11860%
表8.312叶片叶轮在15m/s挡位时瞬时效率随时间的变化
12叶片15m/s档
角加速度(r/s2)
瞬时效率
时间
0
14.0
6.87396%
1
11.0
6.25751%
2
7.0
4.39759%
3
7.0
4.69073%
4
4.0
2.77703%
5
2.0
1.42457%
表8.412叶片叶轮在10m/s挡位时瞬时效率随时间的变化
12叶片10m/s档
角加速度(r/s2)
瞬时效率
时间
0
7.0
1.52673%
1
5.0
1.34966%
2
4.0
1.23276%
3
3.0
1.00943%
4
2.5
0.89719%
5
1.8
0.67879%
6
1.2
0.46802%
7
1.0
0.39893%
8
0.8
0.32516%
9
0.6
0.24804%
10
0.5
0.20968%
11
0.3
0.12728%
12
0.1
0.04282%
画出两种叶轮在两个挡位下的瞬时效率随时间的变化曲线图,如图8.5和8.6所示。
图8.510叶片在15档/10档风速下瞬时效率与时间的关系
图8.612叶片在15档/10档风速下瞬时效率与时间的关系
因为阻力与速度成正比关系,从图8.5、8.6中可以看出,随着角速度的增大,角加速度不断减小,瞬时效率随之逐渐减小,最后变为零。
计算出平均功率、平均压差及平均速度,从而计算出总的平均效率,如表8.5所示。
表8.510叶片和12叶片叶轮在10m/s挡位时瞬时效率随时间的变化
平均功率(W)
平均压差(Pa)
平均速度(m/s)
平均效率
10叶片
15m/s档
2.876589469
199.1200
2.0448
3.79750%
10m/s档
2.706351033
93.8056
4.0836
0.74862%
12叶片
15m/s档
2.413951961
198.8000
1.7187
3.86738%
10m/s档
1.774196557
93.3966
2.6888
0.54356%
从表8.5可以看出,在15m/s的风速档位下,具有12个叶片的叶轮的总平均效率高于具有10个叶片的叶轮的总平均效率;而在10m/s的风速档位下,具有12个叶片的叶轮的总平均效率则低于具有10个叶片的叶轮的总平均效率;具有相同叶片数的叶轮在15m/s档位下的效率比在10m/s档位下的效率大。
九、实验误差分析
一、实验装置设计产生的误差:
(1)圆盘挡风会使进风小;
(2)轴承内圈与转轴是粘合在一起的,不是标准配合件,会有相对滑动,从而产生摩擦;
(3)悬臂梁会增大两个轴承支撑架与转轴的摩擦损失;
(4)实验时的测量点比较单一,只测量了叶轮中心点的流速,未测量多个点取平均值(未考虑流场分布不均匀)。
二、数值处理误差:
(1)数值处理时将流体看作不可压缩流体,实际上空气可压缩;
(2)处理数据时用平均值处理法,与实际的瞬时值的波动有差异。
三、测量误差:
(1)测量转速时反光条对角速度有一定影响;
(2)测量出口流速时存在误差,对流量的计算产生影响,从而产生对功率的影响;
(3)质量测量时存在误差,从而影响转动惯量的计算;
(4)皮托管、DP2000智能数字微压计测量、UT373迷你型非接触式转速计等测量仪器存在系统误差。
十、实验结论
通过实验数据分析可得以下几点结论:
1.具有相同叶片数的叶轮,在15m/s风速挡位下叶轮的瞬时效率、总平均效率均大于在10m/s风速挡位下的叶轮。
2.当风速相同时,在15m/s的风速挡位下,具有12叶片叶轮的总平均效率大于具有10叶片叶轮的总平均效率;在10m/s的风速挡位下,具有10叶片叶轮的瞬时效率、总平均效率大于具有12叶片叶轮的总平均效率。
3.随着转速的不断增加,阻力不断增大,叶轮的角加速度、瞬时效率逐渐减小,最终变为零,风机做功与克服摩擦力做功相平衡,从而使叶轮等速转动。
十一、实验展望
实验选取的叶轮叶片数种类较少,没有找出效率与叶片数的关系;同时风速范围选取较小,风速间隔选取较大,无法得出准确的叶轮叶片数相等时,瞬时效率随风速的变化关系。
后续实验可以增加叶片数种类、减小风速之间的间隔,使实验细化。
此外,实验所用叶轮的叶片形状没有经过测试优化,实验过程中也只采用了一种叶轮形状,后续实验可以探究当风速不同时叶轮形状与效率的关系,从而得出不同风速下效率最高时的叶片数与叶片形状。
并且可以通过优化实验台设计,例如使轴承内圈和转轴标准配合,增加测量点等来减小实验过程中存在的误差,从而得到更精确的实验数据,使实验结论更准确。
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