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1、 河南科技大学毕业设计（论文）螺旋萨沃纽斯转子性能试M.A. Kamoji，S.B. Kedare，S.V. Prabhua印度理工学院，能源科学与工程系，孟买b印度理工学院，机械工程系，孟买论文信息关键词：螺旋萨瓦纽斯转子，常规萨瓦纽斯转子，功率因数，静态扭矩系数摘 要一定的转子角度下，常规萨沃纽斯转子具有高的静态扭矩系数，在一个周期的360中，从135到165和从315到345为负转矩系数。为了降低静态扭矩从0到360中的这种变化，提出了螺旋90的螺旋萨伏纽斯转子。在这项研究中，螺旋萨瓦纽斯转子的测试是在开放式风洞中进行的。实验测试了静态转矩系数，每个萨瓦纽斯转子的力矩系数和功率系数。实验
2、比较了在端板间有轴、无轴的螺旋转子的性能，即其重叠率分别为0.0，0.1和0.16.。无轴型螺旋萨瓦纽斯转子也与常规萨瓦纽斯转子比较了性能。结果表明，在所有的转子角内，全部的螺旋萨瓦纽斯转子具有正的静态转矩系数。有轴的螺旋转子动力系数比无轴螺旋转子要低。实验发现无轴螺旋转子重叠率为0，纵横比为0.88，这使它与常规萨瓦纽斯转子具有相同的功率系数。通过对一系列雷诺数的研究，有关螺旋萨瓦纽斯转子扭矩系数和功率系数相关性的研究正在进行。一、 简介萨瓦纽斯1转子的“S-形状”截面是由两个半圆桶构造的。萨瓦纽斯转子的概念基于Flentter提出的原理。它结构简单，具有良好的起动特性，工作在相对较低的运行
3、速度，并具有接受来自任何方向的风的能力。它的气动效率低于其他类型的风如达里厄型和螺旋桨转子风机。萨沃纽斯转子被认为是一个阻力机。这意味着它主要的驱动力是风作用在叶片上的阻力。然而，在低角度作用时，升力也有助于转矩的产生2。因此，萨伏纽斯转子是不是一个纯粹的阻力机而是一个混合机，因此可以超越CP主要阻力式机械的限制（由Manwell等人做的，CPMax就是四分之一0.08平板式涡轮 3 。虽然传统的萨沃纽斯转子的气动效率低，但其具有高起动转矩、高静态扭矩系数。因此他们被用作具有较低启动转矩的其他类型风力机的启动器。虽然启动转矩很大，但它在所有转角是不均匀的。在特定的转子角度，常规萨沃纽斯转子不能
4、自己启动，因为其静态扭矩系数是负的。从135到165和从315到345范围内，常规萨沃纽斯转子是具有负转矩的转子。资料表明，两阶和三阶的常规萨瓦纽斯转子可以克服负扭矩的问题4,5。然而，随着阶数的增加，最大功率会像Kamoji和Hayashi 5等人报道的一样变小。每个叶片相隔120的三叶片一阶转子的应用也减少了转子扭矩在一个周期内的变化，但功率因数也像Shankar 6和Sheldahl等人报道的一样减小。Saha和Jaya Rajkumar 8报道说，相比于常规三叶片萨瓦纽斯转子0.11的功率系数，扭转15的三叶片萨瓦纽斯转子具有最大的功率系数为0.14（叶尖速比为0.65）。螺旋萨沃纽斯
5、转子可以提供正的静态转矩系数。螺旋线可以被定义为由一个在旋转圆筒上的以恒定的速度（恒定角速度）垂直移动的标记生成的曲线。图1显示了一个单螺旋转子叶片。内边保持垂直，而外层边缘经历了一个90的扭转（四分之一圆周的扭转）。从底面（0）到顶部（90），叶片保留它的圆形截面。在这个研究中，这样两个叶片的组合成为螺旋萨瓦纽斯转子。虽然可以保证具有正的静态扭矩系数，但，是在公开资料中并没有螺旋萨瓦纽斯转子的信息。因此，本次实验的主要目的是研究重叠率（0.0，0.1和0.16），纵横比（0.88，0.93和1.17）和雷诺数对一个扭转90、雷诺数在120000到150000之间的无轴螺旋转子的功率系数、静态
6、扭矩系数的影响。也包括轴的存在对90螺旋转子的影响。这些实验的结果将与常规萨瓦纽斯转子相比较。图1 一个单一的旋转子叶片示意图1滑轮2.尼龙绳3.称量盘4.弹簧平衡装置5.螺旋萨瓦纽斯转子6.轴7.支撑台图2 该装置示意图二、实验装置和程序统一的主流是由一个由两个7.4千瓦的反向旋转风扇驱动的开放式风洞产生的。空气出口方有400毫米X400毫米的风洞出口收缩喷嘴。转子被放置在距风轮喷嘴出口750毫米的下方，以保证转子转动或者静止时的中心与风轮出口中心在同一直线上。在250毫米X250毫米的中心区域的1%范围内，被测的速度分布在转子上的位置是统一的。本次研究中，所有被测试的螺旋转子模型的最大尺寸
7、在250毫米X250毫米之内。图2显示了进行螺旋萨瓦纽斯转子测试的实验装置示意图。实验装置包括由螺栓与钢板构成的螺旋萨瓦纽斯转子放置结构。低碳钢板通过垫圈和螺母放置。螺栓连接在低碳钢板上的两个轴承（UC204,NTN造）支撑着螺旋转子。螺母和螺栓的使用，方便了在风洞中心对不同直径和转子中心具有不同位置的转子进行更换。风速通过一个连接到微压计（FC012，弗内斯控制造）的皮托管测定。制动鼓的测力仪用于加载螺旋萨瓦纽斯转子。称量盘、皮带轮和弹簧平衡装置（Salter制）通过直径为1毫米的钓鱼用尼龙线连接。对螺旋萨瓦纽斯转子转矩来说，摩擦是影响测量的重要参数。轴承的摩擦以及缠绕在转子上的直径1毫米的
8、尼龙绳的摩擦必须最小化。在安装之前，把轴承中的密封件拆除，然后放在汽油中清洗以去除油污可以减小摩擦。根据给定雷诺数调整风速，转子可以在空载速度开始转动。转子的旋转速度由非接触式转速表记录。在读数之前，每个轴承喷洒干湿40（一种商用喷雾）润滑油。转子逐渐加载来记录弹簧平衡装置读数，权重以及转子转速。在给定的转子角下，用制动鼓的测量系统所测得的数据来计算转子的静态力矩。每隔15转子角进行一次静态力矩的测量。在一个给定风速下，转子加载使其在给定的转子角下不再转动。记录负载值和弹簧平衡装置读数来计算在一个给定转子角的静态力矩。参数说明A纵横比M质量（千克）ABCpCpmax CtCtsCtsmaxCt
9、smin DDoHHw重叠距离（米）堵塞比功率因数最大功率系数力矩系数静态力矩系数最大静态力矩系数最小静态力矩系数转子直径（米）端板直径（米）转子高度（米）风洞出口高度（米）RRerropershaftSTTSTSRU希腊符号叶片半径（米）雷诺数绳的半径（毫米）轴的半径（毫米）弹簧平衡读数（克）转矩（牛顿每米）静态力矩（牛顿每米）叶尖速比自由流风速（米每秒）空气密度空气绝对粘度（帕）转子角速度（弧度每秒）三、数据处理雷诺数由转子直径确定 (3-1)其中，Re为雷诺数，为空气密度，U为自由流速，D为转子直径，M为空气绝对粘度。叶尖速比由下式确定 (3-2) 其中为转子角速度。转矩由负载和弹簧平衡
10、装置读数计算所得 (3-3)其中，M为负载，S为弹簧平衡装置载荷，rshaft为轴半径，rrope为尼龙绳半径。扭矩系数（CT),静转矩系数（CTS),功率系数（CP)由下式可得 (3-4) (3-5) (3-6)堵塞比(B)由下式可得 (3-7)其中，Hw是风洞出口高度，W是风洞出口宽度。表1 各种参数的不确定性参数不确定性(%)叶尖速比2.5静态扭矩系数4.5功率系数4.8在所有研究的螺旋转子模型中，最大堵塞比不超过39%。正如Kamoji等人所研究的那样，在开放式风洞实验中堵塞比对Cp，Ct和Cts的影响可以忽略不计。部分基本参数具有不确定性，其中静态转矩系数和功率系数的不确定性在表1中
11、给出。在功率系数最大时，静态扭矩系数和功率系数的不确定性分别在4.5%和4.8%左右。不确定度的计算基于Moffat10等人的研究内容。表2 研究中螺旋萨瓦纽斯转子的直径、重叠率、纵横比的细节转子号重叠率(a/D)纵横比(H/D)转子直径D(mm）1有轴1.022420.00.8823030.00.9323040.01.221150.11.021560.161.0215四、实验中的转子扭转90的螺旋萨瓦纽斯转子（在端板之间有无轴）是在原型快速制造机上生产的。图（3）a为一个在端板间有轴的螺旋萨瓦纽斯转子。两个扭转90的螺旋萨瓦纽斯转子以一个合适的重叠率组合在一起获得无轴螺旋萨瓦纽斯转子。图（3
12、）b为在某个重叠率的无轴螺旋萨瓦纽斯转子。表2说明了在这次研究中包括的有轴螺旋萨瓦纽斯转子（转子1）、无轴螺旋萨瓦纽斯转子（转子2，3，4，5，6）的配置。所有螺旋萨瓦纽斯叶片都是由ABS塑料材料制造的（基于丙烯腈丁二烯热塑性类苯乙烯共聚物）。叶片厚度为4毫米。转子顶部和底部由10毫米厚的亚历克板覆盖。在顶部和底部的圆端板直径为转子直径的1.1倍。如图（3）所示，两轴的不锈钢壳体固定在两个圆端板上。图3（a）为端板间有轴的螺旋萨瓦纽斯转子，（b)、（c）为端板间无轴的螺旋萨瓦纽斯转子的两种视角1端板2转子叶片R为转子叶片半径D为转子直径a为重叠距离H为转子高度Do为端板直径图4 两个重叠的单阶
13、常规萨瓦纽斯叶片（端板之间无轴）图5 雷诺数为120000时，扭曲90的螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化图6 雷诺数为150000时，螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化表3 重叠率为0.01，0.16的有轴、无轴螺旋萨瓦纽斯转子的功率系数及对应的叶尖速比表4 有轴、无轴螺旋萨瓦纽斯转子静态转矩系数的最大最小值及相应的转子角图7 雷诺数为120000时，纵横分别为0.88，0.93，1.17时，螺旋转子功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化图8 不同雷诺数下螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数，静态扭矩系数的变化表5 重叠率为0.0的螺旋萨瓦纽斯转子在叶
14、尖速比改变时功率系数的变化图9 雷诺数为120000时，常规萨瓦纽斯转子和螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数以及静态扭矩系数的变化图10 雷诺数为150000时，常规萨瓦纽斯转子和螺旋萨瓦纽斯转子功率系数，扭矩系数以及静态扭矩系数的变化表6 重叠率为0.0，0.1的螺旋萨瓦纽斯转子和重叠率为0.15的常规萨瓦纽斯转子的最大功率系数的对比表7 重叠率为0.0，0.1的螺旋萨瓦纽斯转子和重叠率为0.15的常规萨瓦纽斯转子静态扭矩系数的最大最小值及相应的转子角图11 当雷诺数为86600到202000之间的不同值时，螺旋萨瓦纽斯转子CT，TSR的变化图12 当雷诺数为处于86600到202000之间的不同值时，螺旋萨瓦纽斯转子的相关曲线图13 雷诺数为202000时，螺旋萨瓦纽斯转子功率系数实验结果与相关结果的对比螺旋萨瓦纽斯转子的性能与常规萨瓦纽斯转子进行比较。图（4）显示了一个重叠率（重叠距离（a)和叶片直径（D）的比例）为0.15的双叶片常规萨瓦纽斯转子。按照有关常规萨瓦纽斯转子的文献7,11,12所记，重叠率0.15是转子功率系数的曲线的最优点。顶部和底部的圆端板直径为转子直径的1
