Vertikal o‘qli shamol energetik qurilmasining yurgizish momentini oshirishning ilmiy-texnik tadqiqoti

“Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 135 Машиностроение и энергетика biridan farq qiladi. NACA 0012, NACA 0015, NACA 2414, NACA 4412, NACA 633218 aerodinamik sirtlar o‘zaro taqqoslanganligi quyida 1, 2-rasmlarda keltirilgan. 1-rasm. NACA 0012, NACA 0015, NACA 2414, NACA 4412, NACA 633218 aerodinamik sirtlarning umumiy ko‘rinishi 2-rasmda a) ko‘tarish va tortish koeffitsiyentlarining, b) ko‘tarish koeffitsiyentining shamol oqimining parrakka kelish burchagiga, c) ko‘tarish koeffitsiyentining oqim chegarasiga (turbulent yoki laminar) o‘tish koeffitsiyentiga, d) moment koeffitsiyentining shamol oqimining parrakka kelish burchagiga e) ko‘tarish va tortish koeffitsiyentlari nisbatining shamol oqimining parrakka kelish burchagiga bog‘liqlik grafiklari keltirilgan. 2-rasm. NACA 0012, NACA 0015, NACA 2414, NACA 4412, NACA 633218 aerodinamik sirtlar parametrlarining o‘zaro taqqoslanishi NACA 4412 aerodinamik sirti uchun olingan xarakteristikalar boshqalaridan yaxshiroq ekanligini ko‘rish mumkin, masalan ko‘tarish tortish koeffitsiyentlari va shamolning kelish burchagi orasidagi bog‘liqliklar 2-a,b,c,e rasmlarda o‘zining eng katta qiymatiga erishgan. 2-d rasmda teskari ta’sir ko‘rsatuvchi momentning miqdori NACA 4412 da o‘zining eng kichik qiymatiga ega bo‘ldi, ya’ni parrakning harakatiga teskari ta’sir ko‘rsatuvchi kuch eng kichik qiymatga erishadi. Tadqiqot ishlarimizni NACA 4412 aerodinamik sirtidan foydalanib davom ettirishimiz mumkin. Agar yuqoridagi vazifalar hal qilinsa turbinaning yurgizish momenti oshib boshlang‘ich inersiya momenti minimumga erishadi natijada turbinadan foydali quvvat olish mumkin bo‘lgan shamol tezligi o‘zining eng kichik miqdoriga erishadi.Vertikal o‘qli shamol turbinalarining kiritik tezlik chegaralarini minimallashtirish zarur. Buning uchun 3-rasmda keltirilgan konstruktiv o‘zgartirishlarni taklif etamiz. Taklif etilayotgan turbinaning parraklari hamda ushbu parraklarni tutuvchi tayanchlarni 4-rasmda taqqoslashimiz mumkin [7]. а) b) 3-rasm. Taklif etilgan а) hamda standart b) ko‘rinishli turbinalar parragining geometrik ko‘rinishi “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 136 Машинасозлик ва энергетика а) b) 4-rasm. Taklif etilgan а) hamda standart b) ko‘rinishli turbinalar tayanchining geometrik ko‘rinishi Taklif etilgan turbina parragining tashqi sirti egriliklar bilan qoplangan natijada parrak, orqa tomonidan kelgan shamol energiyasi oqimidan maksimal miqdorda foydalanadi hamda shamol oqimining parrak yuzasi bilan ilashuvchanligi yaxshilanib turbinaning yurgizish momenti oshadi. Qolaversa, turbina parragini tutib turuvchi tayanchga ham konstruktiv o‘zgartirish kiritilgan, ya’ni tayanch shamol oqimini qarshiliksiz kesishi uchun aerodinamik ko‘rinishga keltirilgan ushbu aerodinamik shakl havo oqimini kesish bilan birga harakatlanganda ko‘taruvchi kuchni yuzaga keltirib turbina podshipniklariga tushadigan yuklamalarni kamaytirishga xizmat qiladi. Tayanchlarga avtomatik holda ochilib-yopiluvchi qo‘shimcha yuza o‘rnatilib, bu qo‘shimcha yuza shamolning tezligi kichik bo‘lganda, yoki shamol turbinasi ishga tushayotgan paytda ochiladi va turbinaning o‘z inersiyasini yengishiga yordam beradi. Shamolning tezligi 10 [m/s] va undan oshganda qo‘shimcha yuzalar uyurmaviy oqim ta’sirida avtomatik yopiladi va turbinaning nominal ish rejimiga salbiy ta’sir ko‘rsatmaydi. Quyidagi 5-rasmda shamol turbinasi parragiga ta’sir ko‘rsatuvchi kuchlar hamda tezlik vektorlarini tadqiq qilamiz va tenglamalarini ko‘rib o‘tamiz. 5-rasm. Shamol turbinasining parragiga ta’sir ko‘rsatuvchi parametrlarni vektor kattalikda ko‘rinishi “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 137 Машиностроение и энергетика Bunda 0 V -shamolning turbinagacha; bur V -burchakli; nis V -nisbiy; um V -umumiy; nor V - normal; nat V -natijaviy tezliklar, TF -tortuvchi, K F -ko‘taruvchi, kuchlar. Burchakli tezlik qiymati quyidagicha aniqlanadi: 30 60 2 R n R n R Vbur   =   =  =    (1) Bunda n -shamol turbinasining aylanish chastotasi, [ayl/min] Natijaviy tezlik: ) cos ( cos cos sin        + =  +  =  +  =  + = nis nis nis nis nis bur nat V V V V R V V V (2) Tadqiqot ishlariga ko‘ra nisbiy tezlikning qiymati [8] 2 /) ( 2 0 V V Vnis + = orqali aniqlaniladi. Bunda 2 V -shamol turbinasidan keyingi shamolning tezligi. Shamol turbinasi parragiga ta’sir ko‘rsatuvchi normal tezlik (3) ifodada keltirilgan.  sin  = nis nor V V (3) Turbinaga ta’sir qiluvchi umumiy tezlik 4 ifoda orqali aniqlanadi: 2 2 2 2 2 cos 2 1 )) cos ( ( ) sin (       +   + = + +  = + = nis nis nis nat nor um V V V V V V (4) Shamolning kelish burchagi esa (5) ifoda bilan aniqlaniladi [9, 10, 11]:  = = − − −     cos   + = +    V (5) V sin ( tan ) ( tan 1 1 1 sin tan ) ) cos (   nor V nis   V nat nis Turbinaning mexanik quvvatini hisoblash uchun tangensial tan C va normal n C kuch miqdorini aniqlash kerak bo‘ladi. Bu qiymatlarni aniqlash uchun T C , K C kabi koeffitsiyentlarni aniqlash kerak bo‘ladi. Ushbu koeffitsiyentlar NACA tomonidan taklif etilgan aerodinamik sirtlarni simulyatsiya qiluvchi Ansys dasturi yordamida aniqlaniladi. Tangensial va normal koeffitsiyentlarni quyidagicha hisoblaymiz:   cos sin tan  −  = T K C C C (6)   cos sin  +  = T K n C C C (7) Tangensial kuch tan F va normal kuch nF quyidagi ifoda orqali hisoblaniladi: 2 tan tan 2 1 um par V S C F     =  (8) 2 2 1 um par n n V S C F     =  (9) Bunda: parrak S -parrak va shamol o‘rtasidagi ta’sirlashuvchi sirtining yuqori yuzasi, ilmiy tadqiqot ishlarida bu qiymat taxminan h c S parrak  = ga teng deb hisoblanilgan, bunda c - parrakning uzunligi, ammo h c -miqdor shamol bilan ta’sirlashadigan haqiqiy yuzaga teng bo‘lmaydi, shamol bilan ta’sirlashadigan haqiqiy yuzani aniqlashimiz uchun parrak yuqori sirti 1c - egriligi uzunligini parrakning bo‘yiga ko‘paytirish lozim: ya’ni h c S parrak  = 1 , bunda parrakning yuqori sirti yoyining uzunligi, h -parrakning bo‘yi, parrak S -miqdorining oshishi (8) ifodaga muvofiq tangensial tan F kuchi miqdoring katta bo‘ladi. Tangensial kuchni oshirish shamol turbinasi momentini oshishiga olib keladi, shu sababli turbina parraklarining shamol oqimi bilan ta’sirlashadigan yuzasini oshirish kutilgan samarani beradi. Shamol parragining yuqori sirt uzunligi standart ko‘rinishdagi NACA 4412 aerodinamik sirtiga nisbatan uzun, ushbu shaklning tashqi yuzasi maxsus egrilik bilan qoplangan. Bu egriliklar parrak yuzasini oshishiga, hamda oqim ilashuvchanligining yaxshilanishiga sabab bo‘ladi. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 138 Машинасозлик ва энергетика Yuqorida keltirilgan tahlillarni davom ettirib o‘rtacha tangensial kuch qiymatini tan F ga hamda shamol turbinasi parragini burilish burchagi  ning miqdoriga quyidagicha bog‘liq [12]:  d F F r o ta   = 0 tan ' . ) ( 2 1 (10)    Bunda (10) ifodani (6), (5) va (8) tengliklar orqali ifodalasak quyidagi tenglamani hosil qilamiz:             =     =       =  = 2 1 2 C V h c V h c C d F F ) ( 4 ) ( 2 1 2 1 ) ( 2 1    um um r o ta 2 1 tan 0 tan 0 tan ' .       =  −      = C C V h c 2 1  (11) T K um ) ( cos sin 4     +  − +      =             arctg C arctg C V h c 2 1 ) )( cos sin ( cos ) () cos sin ( sin 4     T K um Turbinaning umumiy momenti quyidagicha aniqlanadi:     ' .             arctg C arctg C R V h c R F n T T K um r o ta (12) +  − +        =   =   ) )( cos sin ( cos ) () cos sin ( sin 2 2 2 1   Ishlab chiqilgan qurilma uchun matematik model quyidagicha (13-ifodalar):   =  =    V R N    um opt (13) − =  t T t T t J  ) ( ) ( ) ( q a    +  − +        =  = 2 1                 arctg C arctg C n R V h c T P   ) )( cos sin ( cos ) () cos sin ( sin 15   T K ayl um mex  1c -egriliklar bilan qoplangan NACA 4412 aerodinamik sirtning tashqi uzunligi. Bu yerda: 1c -ning qiymatini hisoblash murakkab matematik amal hisoblanib, kichik kvadratlar yoki approksimatsiyalash usullari yordamida aniqlaniladi. Matematik tenglama uchun shamol tezligining chegaraviy shartlari kiritiladi ya’ni: turbinaning ish rejimini ta’minlovchi shamol tezligi s m v / ] 20 3 [ 0   oraliqda bo‘ladi. NACA 4412 (prototip) 1-variant 2-variant 6-rasm. Tanlab olingan aerodinamik sirtlarning umumiy ko‘rinishi “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 139 Машиностроение и энергетика Quyida tadqiqot o‘tkazilayotgan aerodinamik sirtlarning Ansys meshdagi umumiy ko‘rinishi, hamda ko‘tarish va tortish koeffitsiyentlarining o‘zaro bog‘liqlik grafiklari keltirilgan. Bu qiymatlar Ansys dasturi orqali hisoblanilgan. 7-rasm. NACA 4412 sirtning Ansys meshdagi umumiy ko‘rinishi 8-rasm. 1-variantdagi sirtning Ansys meshdagi umumiy ko‘rinishi 9-rasm. 2-variantdagi sirtning Ansys meshdagi umumiy ko‘rinishi “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 140 Машинасозлик ва энергетика Yuqorida tanlab olingan uch shakldagi aerodinamik sirtlarning ko‘tarish va tortish koeffitsiyentlarini Ansys dasturi orqali aniqlandi va shamol oqimining parrakka urilish burchagi bilan o‘zaro bog‘liqlik xarakteristikalari keltirildi (10, 11-rasmlar). 10-rasm. Ko‘tarish koeffitsiyentining shamol oqimining kelish burchagiga bog‘liqlik grafigi 11-rasm. Tortish koeffitsiyentining shamol oqimining kelish burchagiga bog‘liqlik grafigi 10-11-rasmlardagi xarakteristikalar Ansys dasturida hisoblanilgan qiymatlar asosida qurildi. Bu rasmlardan ko‘tarish koeffitsiyentining keng diapazonda o‘zgarishini ko‘rishimiz mumkin, bu xarkateristikalardan ma’lum bir burchaklarda parrakka ta’sir ko‘rsatuvchi turbulentlikning xususiyati doimiy saqlanmaydi natijada ta’sir qiluvchi qiymatlar o‘zgaradi. Bu xarakteristikadan 2variantdagi ko‘tarish koeffitsiyenting miqdori NACA 4412 dagiga nisbatan o‘rtacha 1,51 martaga katta ekanligini ko‘rishimiz mumkin va bundagi optimal burchak 100 ga teng, chunki bu burchakda ko‘tarish va tortish koeffitsiyentlari eng katta qiymatga erishgan. Yuqorida keltirilgan grafik va jadvallar natijalariga ko‘ra 2-variantdagi turbinani ko‘tarish va tortish koeffitsiyentlarining qiymati katta ekanligi aniqlandi, shu bois shamol turbinasi parraklarining shakli 2-variant shakliga ko‘ra yaratildi. Optimal shaklda turbinaning dum qismi tepasidagi notekisliklar saqlangan, bunga sabab parrakning qolgan qismi havo oqimini kesuvchi hisoblanadi. 2-variantdagi sirtdan foydalanib hamda NACA4412 sirtidan foydalanib tayyorlangan turbinalar o‘zaro solishtirildi (12-rasm). 12-rasm. Laboratoriya sharoitida silliq va notekis sirtli turbina modellarining sinov natijalari . “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 141 Машиностроение и энергетика Silliq yuzali, P1000AB, ishlab chiqilgan SHEQsi hamda uning nazariy hisoblashlardagi quvvatlari keltirilgan (13-rasm). Qurilmalar quvvatining energetik samaradorligi o‘rta kvadratik usulda o‘zaro taqqoslandi. Unga ko‘ra ishlab chiqilgan qurilmaning samaradorligi yaqin analog hisoblanuvchi Xitoyda ishlab chiqarilgan P1000 AB prototipga nisbatan 3,1 % silliq sirtli turbinaga nisbatan 9,8 % yuqori ekanligi aniqlandi. Keltirilgan SHEQlarning eksperimental o‘lchangan quvvatlari bir-biri bilan taqqoslandi va kuchsiz shamol oqimlarida ishlab chiqilgan qurilma yuqori samaradorlikka ega ekanligi aniqlandi (13-rasm). 13-rasm. SHEQlarning quvvat egri chizig‘i Shamol energetik qurilmalarni loyihalash hamda nazariy hisoblashlar natijalariga ko‘ra 12 m/s tezlikli shamol oqimida qurilma quvvati 1 [kVt] ga teng bo‘lishi kerak edi. Generator va turbinani ishlab chiqishda yo‘l qo‘yilgan xatoliklar sababli nazariy va eksperimental tadqiqot natijalari orasidagi o‘rtacha tafovut -1,5% ga teng bo‘ldi. Shamol energetik qurilmasining samaradorligini ko‘rsatuvchi asosiy xarakteristika bu quvvat va ildamlilik koeffitsiyentlari  / p c orasidagi bog‘liqlik hisoblanadi, shu boisdan har qanday shamol energetik qurilmasining bu xarakteristikasini qurish va emperik tenglamasini hisoblash muhimdir. Bu bog‘liqliklarni kompyuter dasturlari yoki eksperiment natijalari orqali qurish yuqori aniqlikka ega bo‘ladi. Qblade dasturi orqali turli 3 va 4 parrakli NACA 4412 va taklif etilayotgan sirtlardan foydalanib loyihalanilgan qurilmalarning  , p c xarakteristikasi qurildi (14-rasm): 14-rasm. Turli parametrli SHEQ larining Qblade dasturi yordamida olingan cp, λ xarakteristikalari “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025 142 Машинасозлик ва энергетика Bundan tashqati shamol energetik qurilmasining eksperiment tadqiqotlari o‘tkazildi (14rasm), hamda cp, λ larning quyidagi qiymatlari olindi: 1-jadval. Shamol energiyasidan foydalanish va ildamlilik koeffitsiyentlarining eksperimental natijalari 0,001 0,003 0,005 0,008 0,016 0,033 0,062 0,101 0,146 0,194 0,284 0,292 0,323 0,347 0,363 0,378 0,385 0,389 0,381 0,376 0,354 0,322 0,285 0,241 0,195 0,24 c p 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9 5,1 5,3 λ 1-jadvaldagi o‘lchash natijalari asosida keltirilgan qiymatlarning o‘zaro bog‘liqlik grafigi quyidagicha: 15-rasm. Shamol energiyasidan foydalanish va ildamlilik koeffitsiyentlarining bog‘liqlik grafigi Eksperimental tadqiqot natijalariga ko‘ra qurilmaning ildamlilik koeffitsiyenti (λ=3÷4,5) bo‘lganda, shamol energiyasidan foydalanish koeffitsiyenti yuqori bo‘lgan (15-rasm). Olingan eksperiment natijalari kompyuterda modellashtirildi va  , p c parametrlari orasidagi quyidagi munosabat aniqlandi:       +    − = ) 01767 ,1 983386 ,0 ( 180 sin 199106 ,0 0194802 ,0   p c (14) 0 V R  =   tenglikni (4.6) ga qo‘yish orqali (4.7) tenglik hosil qilinadi:  +     − = ) 01767 ,1 983386 ,0 ( 180 sin 199106 ,0 194802 ,0    0 V R c p   (15)   (15) ifoda orqali aniqlangan tenglama taklif etilgan qurilmaning shamol energiyasidan foydalanish koeffitsiyentini shamol tezligiga bog‘liq o‘zgarishini ifodalaydi. Mazkur tadqiqot natijalariga ko‘ra quyidagi ilmiy natijalarga erishilgan: Buxoro viloyatining shamol salohiyatini baholash maqsadida eksperimental tadqiqotlar o‘tkazilgan. Unga ko‘ra, kuchsiz shamol oqimlari (2,5 ÷8 m/s) uchun hududda vertikal o‘qli turbinalardan foydalanish samarali ekanligi asoslangan. Mahalliy mahsulotlardan foydalanib tayyorlangan vertikal o‘qli shamol turbinasining konstruksiyasi takomillashtirilib, shamol energiyasidan foydalanish samaradorligi 3,1 foizga oshirilgan. Ishlab chiqilgan shamol energetik qurilmasida olingan tajriba natijalari umumlashtirilib, turbinaning shamol energiyasidan foydalanish koeffitsiyenti qiymatini aniqlash uchun empirik tenglama ishlab chiqildi. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 143 Машиностроение и энергетика Taklif etilgan shamol turbinasi parraklari uchun ko‘tarish va tortish koeffitsiyentlarining miqdori burchaklar intervalida Ansys, Qblade daturlaridan foydalanilgan holda o‘rganilib, turbina simulyatsiya qilindi. Aerodinamik sirt shaklining optimal varianti tanlandi va maqbul o‘rnatish burchagi 100 ekanligi aniqlandi