Metingen van de lift- en weerstandskracht op de tipvanes van een sleeptankmodel

Metingen van de lift- en weerstandskracht op de tipvanes van

een sleeptankmodel

Citation for published version (APA):

Vermeer, L. J., & Kooman, J. L. (1984). Metingen van de lift- en weerstandskracht op de tipvanes van een sleeptankmodel. Technische Hogeschool Delft.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1984

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

AFDELING DER LUCHTVAART- EN RUIMTEVAARTTECHNIEK INSTITUUT ~JINDEt-..'ERGIE

Memorandum M-500

Metingen van de lift- en weerstandskracht op de tipvanes van een sleeptankmodel

L.J. Vermeer

J .L. Kooman

b

\...k

'{\r\ 12, """-C> '\(.ÀJV"'-.CJ,.Á_A IN\ \) (y( 'Nv\_, ",.(ÄNV\..Q,°v'

\~

K -

G:ç\-

f\

~~"'

u)\

~ix-\-0~1?\Jc>"t

Delft - Nederland januari 1984

··, ' .. \

Samenvattin2 ..

,·,":·.:.! :;.·.:,:~· -·~ !. ·. _: :~ . .:. .:~~-L~ ·;_ -.; i···· ·~·

Het vermogen van een windmolen kan vergroot worden door rond de

' . .;. : ; .... ~ '· . · , !

turbine een ringvormige wervel aan te brengen, waardoor het zgn •

. . "~ . ' : ." ;, ··' ' .. , : ,· \ 't' ;. ; :·" ' . . .j j":_ : ." . . . : ' . .__ diffusor-effekt optreedt. Tipvanes, kleine vleugelprofielen aan de

tippen van

d~ mole~bl~d~~~ ·,<,~~eê~~~ d~~r

de in.teraktië van'

h~n

beide ; ... :.:... ·. . : tipwervels zo'n ringwervel. De vermogenswinst is sterk afhankelijk van de sterkte van de ringwervel ofwel van de grootte van de lift-kracht op de tipvanes. Door de turbine wordt nu, behalve een axiale kracht tegengesteld aan de stromingsrichting, ook een radiale kracht in de richting van de rotoras uitgeoefend. Bij konventionele molens wordt alleen energie onttrokken doordat een axiale kracht de stroming afremt.

Voor de bepaling van de radiale kracht is een meetsysteem ontworpen dat ingepast kan worden in een onderwatermodel. De tipvanes worden bevestigd op uithouders die slechts een ondersteunende funktie hebben. Door de grotere dichtheid en lagere kinematische viskositeit van water worden de Reynoldsgetallen en lif tkrachten bij een lagere rotorfrequentie bereikt, waardoor liftkracht en centrifugaalkracht van dezelfde orde-grootte worden. Dit in tegenstelling tot windtunnelmetingen, waarbij de liftkracht een faktor 500 kleiner is dan de centrifugaalkracht.

In de sleeptank van de afdeling der Maritie~e Techn•ek zijn voor drie ver-schillende tipvane instellingen van tilt- en instelhoek de radiale

kracht en het askoppel gemeten. Uit deze metingen zijn de dimensieloze lift- en weerstandskracht van de tipvane bepaald als funktie van de snellopendheid en gierhoek. Deze metingen zijn ook verricht met een gaas vlak achter het model, om door een verhoging van de axiale kracht de turbinewerking beter na te bootsen.

Aan de hand van de resultaten kan gekonkludeerd worden dat het ontwor-pen meetsysteem voldoet aan de gestelde eisen: de radiale kracht is meetbaar met een fout kleiner dan 3,5%; bij een rotorfrequentie kleiner dan 2,5 Hz is de invloed van andere krachten te verwaarlozen.

De trends in de CL-grafieken als funktie van snellopendheid en gier-hoek bevestigen de hierover opgestelde theorie. Door de askoppelmetingen op de juiste wijze te verwerken kan de dimensieloze weerstandskracht berekend worden met een onnauwkeurigheid kleiner dan 0.005.

De CL/CD-verhouding van het gebruikte Eppler 385 profiel is te laag om veel vermogenswinst te verwachten. Het extra vermogen door het aan-brengen van de radiale kracht zal teniet gedaan worden door het tegen-gesteld askoppel t.g.v. de weerstand van de tipvanes. Tijdens eerdere

windtunnelmetingen zijn ook voor het 2-dimensionale geval te hoge CD-waarden gevonden. Op grond hiervan kan gekonkludeerd worden dat het Eppler-385 profiel niet geschikt is voor tipvanes.

D.m.v. waterstofbelletjes is het stromingspatroon rond de turbine en tipvanes zichtbaar gemaakt. De video-opnames hiervan geven een aardi1;{ beeld van de werking van tipvanes.

Inhoudsopgave

samenvatting Inhoudsopgave Symbolenlijst 1. Inleiding

2. Het meetsysteem voor de radiale kracht 2.1 Inleiding

2.2 Principewerking 2.3 Ijkexperimenten

2.4 Inpassing in het onderwatermodel 3. Koppel en axiale kracht

4. Metingen 4.1 Inleiding 4.2 Kleine sleeptank ,\ 4 ~

·3.

Grote sleeptank 5. Resultaten en diskussie : ·«'.'

6. Zichtbaar. maken van de stroming

' 7. Konklusies 8. Referenties .. ) Appendices: , \ .·,.

A.i Technische gegevens

. ' :r '. .,_1··~.· r ~

A.2 Krachten b€rekening A.3 Data reduktie

A.4 Fouten berekening A.5 Lineaire regressie

Figuren Grafieken :~ ;. : \ Foto's '·' \ { ·~ .. blz. i iii iv 1 3 3 3 4 5 7 8 8 8 9 12 15 16 17 18 20 22 24 25 26 40 49

Symbolenlijst b c D D a:x E f F rad F ax F tan g 1 L m Q R Re 'I'

a

y

e

À /\ \) p Q ". ::, spanwijdte tipvane koorde tipvane liftcoëfficiënt (=

L/~p(QR)

2

.bc)

weerstandscoëfficiënt (= D/l1P

(~JR)

2 .be) 2 2 axiale weerstandscoëfficiënt (= D /~pV .TIR )

ax

diameter van de uithouders weerstandskracht axiale weerstandskracht elektrische spanning frequentie radiale kracht axiale kracht tangentiale kracht gravitatie versnelling lengte liftkracht massa koppel straal Reynoldsgetal (= QR.c/v) trillingstijd snelheid . 1 ' 1 ... " i · ' "·{

afstand aerodynamisch centrum - bevestigingspunt

invalshoek tilthoek instelhoek snellopendheid (= DR/V) gierhoek kinematische viskositeit dichtheid hoeksnelheid (I'n) (m) (-) (-) (-) L • ; .,(m) (N) (V} (Hz) (N) (N) (:N) . 2 (m/s ) (m) (N) (kg) (Nm) {m) (-) (s) (m/s) (m) (-) , .. '· ' ·2· ,_ (m /s) . ;13,' (kg/m ) (rad/s)

1 • Inleiding

Door de

·~~uwen

heen is ér;Jweinig

~er~d~~d

aan

d~ 'ma~i~r, ~~arop

energie aan

d~:'~iria onttro~~~ wordt~.

De ·

winctm~Î-ens ·~ij~ :w~lis;~~'r

·in technisch

:~ :··_,j_ "-.) ·, ,·_ • : :· _") ·r ··. . . " : . .i ... ,. . .r. ·~ . ·.:,

opzicht sterk verbeterd de laatste jaren, maar het achterliggende fy-sische

~~inci~~, i~,~~~g

1

steea~· h~t.zeÜde'=·· do~rdat

de

·turbine

~én

axiale kracht uitoefent.';' tegengesteld aan de

wiridr,ichti~g' 'wo;cir<l~ ~oor

de'

tur..:'-;·,_{_('·~~.",: ·.· ~~---·. _;_:· .:·J-.:.:·~!.!\ .... ~ . . . 1 , " . . ._::.i..'.:·.: ;"".

bine stromende· lucht voor een deel afgeremd (fig. 1). Deze vrijgekomen

_. ."t):··: .·.~ i ;•w• · ] ... ,,,: • . } · ,·:or '· , ' · ) . J ' \ • ' ',J • ·-:

kinetische energie kan worden omgezet in een andere bruikbare vorm: bijv.

-~~ 1:'C· - ·: 1

·:- . . . - - - · · , • • ~ ;h:L ·~

rotatie energie voor elektrische generatoren, translatie energie voor

r -:~··1.J ' ·~);:.-,/.[ • ·. ·~?:.:· :·., j L·: . .r.:.J'--" ·--• ...

zuigerpompen. Het gedeelte van de kinetische energie dat uit de wind

ge-J • • · · -•• ~J_·· ! · - ; - . " '!·.,__1; ·.:.-~:~, ..

haald kan worden is maximaal 16/27. Dit maximum is afgeleid door Betz en

·y,.; :.·_: '.~·. geldt voor de konventionele windmolen [1].

t'lanneer er nu be:halve -een axià,le ktacht'

~ok

een

'radi~'i~

kracht

~~ d~

''stro-.,~, ..• .ç-;~~·.,._. . . . . ; ... .:. .. '.·;'.,<r..~:.J"~T.~-~ _ '·r'::_~ ·:-.:~.~~ ...

ming werkt, is het mogelijk om een groter deel van de kinetische energie

' '

.-..:..· -~ :.~-~ - :. . .. ;_~i.('· . ... . l "' . ( . '-. . ·. ç • • .i 1' .. ";. \ .-<.·1.'•: ~

te onttrekken dan het Betz-maximum (fig. 2). Deze radiale kracht werd in

' .

·• .· •. . . ·; - f •• t" f 1 ,. · , : ~", -r' : .. ·· ·'-.' · r-. 1·· · [:

eerste ·. inst.IDtie aangel:irácht door êen rin'cjvormig~ viètigei rond de turbine -·: , '.- .··· :~·.j·,··~.;. J.:.1.: .: :-;··: ~- .. :.·. · . . . :·.:_..n·:.:,'.·:}n,,_"--' ':·:.";.-:.·1:.::,_.-:~~".-.'.·:»s.: " . te konstrueren (fig. 3). Rond deze ommantelde turbine wordt áan een

ring-Door deze hogere axiale snelheid gaat er een grotere massastroom door het turbinevlak, dit heeft tot gevolg dat er meer energie aan de stroming onttrokken kan worden. Deze energiewinst is alleen het gevolg van de massa-stroomvergroting, de onttrokken energie per kg lucht blijft gelijk.

Doordat de ringvleugel gesloten is, kan hij als oneindig lang beschouwd worden; er is dan geen geïnduceerde weerstand (paradox van d'Alembert) en aerodynamische verliezen zijn alleen het gevolg van viskeuze weer-stand.

Een andere manier voor het aanbrengen van radiale krachten, is het kreëren van een ringwervel d.m.v. tipvanes. Deze tipvanes zijn kleine vleugelpro-fielen, gemonteerd aan de uiteinden van de turbinebladen (fig. 4). Dit principe is ontwikkeld en uitgewerkt door de werkgroep windenergie aan de TH Delft [2]. In de zogen. synchrone toestand blijft er, door wervelin-teraktie van de tipwervels van beide tipvanes, slechts een enkelvoudige ringwervel over, zodat nagenoeg dezelfde situatie bereikt is als bij een ringvleugel (fig. 5).

Wanneer er geen geïnduceerde weerstand is, is er in het theoretische niet-viskeuze geval geen vermogen nodig om de tipvanes aan te drijven. Er wordt dan ook een vermogensvergroting van 2,5 maal verwacht. Deze vermogens-winst door massastroomvergroting is afhankelijk van de sterkte van de

-2-ringwervel, ofwel van de grootte van de liftkracht op de tipvanes.

Wanneer we echter de liftkracht op de tipvanes willen meten aan een

wind-'•"•',: ' · .J·.·

tunnelmodel, is er het.probleem dat de centrifugaalkracht op de tipvanes een fäkto~'

SOO

groter.is dan de liftkracht. Dit probleem is als volgt

.. ··:· ,·

omzeild: in plaats van in lucht worden de experimenten uitgevoerd onder . water in een sleeptank. Om de metingen in lucht ,.en water onderling te kunnen vergelijken, is het noodzakelijk dat ~r in.hetzelfde

Reynolds-, '

gebied gemeten wordt. Omdat water een lagere kinematische viskositeit

• . ! :. . ~

heeft, wordt hetzelfde Reynoldsgetal bereikt bij een lagere tipsnelheid.

. " . .. ·'. . . ·)

Door het lagere toerental worden centrifugaalkracht en liftkracht van

~: .

dezelfde grootte-orde en zodoende kan de liftkracht met de gewenste nauw-keurigheid gemeten worden.

In januari 1980 zijn reeds sleeptankmetingen uitgevoerd, maar doordat in het meetsysteem de liftkracht gestoord wordt door buiging en torsie t.g.v. andere krachten, zijn de resultaten erg onbetrouwbaar [3]. Omdat de be-hoefte aan betrouwbare gegevens omtrent liftkrachten bleef bestaan, is er een nieuw meetsysteem ontworpen

[~]en

zijne; met

dit~~etsysteem

Üft-krachtmetingen gedaan in de sleeptank van de afdeling der Maritieme Techniek.

··.1:: .•.. '·" :.r . . i ·. l ~ ~ ·r -~ , • : . .:'\t' ·-

..

: . i'

2. Het meetsysteem van de radiale.kraèP,t

2 .1 Inle:j.<(l.ing:·

Het me~:t:syst~em:₁ waarmee· in 1930. metingen in de sleeptank. zijn ver- '

richt;, i~:geba$eerd op het principe vàn tekstrookjes; dit zijn strookjes van geleidend materiaal, waarvan de elektrische weerstand sterk afhanke- ' lijk

is;

van ;de le~gteverandering. Aan weerszijde van een -verdund·. gedeelte van dejuithouder is zo~n. rekstrookje geplakt (fig. 6). Tijdens de meti11gen"

veroor~aakt de raÇiiale ;kracht. op de :tipvane een lengteverax:idering ·in het.i· , ·

verdunde: gedeelte, en dus een weerstandsverandering in çle rekst:rookjes. : .·· Na ijlf,inq is :de radiale ._kracht .te berekenen uit deze verandering

van

weet"" ·

stand.

.

,

De bui9ings- ~en. torsiekrachten:,:1 dié tevens op de, uithouder werken, béin"'°

vloe~t;m de metingen ecbter·'zodanig dat ·.de·:resultaten niét reproduceerbaar

zijn. :Ook .. het. waterdicht afdekken van de rekstrookjes vormt een· probleem. Uit het bovenstaande volgt de belangrijkste eis.:die/aan.het nieuw.te ont":. · werpen s.ysteem gesteld wordt: .het meten van de kracht. die in radiale.:

richti.p,g op de t;.;i.pvane werkt,.met zo min mogelijk invloed.van andere krachten. 'l'evens moet het signaal draadloos over te zenden zijn, omdat er gemeten wordt aan een roterende opstelling onder water.

De overwegingen die tot de wording van dit meetsysteem geleid.he~ben,

zijn uitvoerig besproken in memorandum··M~465 [4].

2. 2 .PriI).çipew~rls:iog

Het uiteindelijke ontwerp van het nieuwe meetsysteem is geschetst in figuu:r; 7 em .in. .onqerdelen te.:.Zien op foto 1 t/ro 4.

) '.<

,_.,·,

'.· 1.·:

De tipyqne .(fig. 7; H wordt via eem hardmetalen sti.ft (2) do.or een mem-braan (3) verbonden met een h.ol1e .st.aaf (4.), deze staaf rust aan de anderè .· · .. · kant op e~n- ~racht-opnemer. (9) (merk: Kyowa; type LM-2KA,. zie fig. 8).

Door. Q,_qq~J:?u,:L.g.iiz:ig val1 het membraan: wordt de radiale kracht op de tipvane overgebracht op de, krachtopnemer,.de krachten in andere richt,ingen worden door h~t IJ1eml:lraanopgenoroen.

Het membraëµl (fig, · 9) is :V.an roestvrijstaal· en heeft een dikte van 50 µm. Deze dikte is,, zo berek.end; <i.;tt ~0% . van ·d~ ~::radiale kracht op de tipvane wordt overgeb:i;~cht op .de. krachtopn!!!~r .. Door. een 5çhijfje eerst af te draaien en daa:plcl tie .etsen is deze. g~~ns.te d.i,kte; };>ereikt. In de 2e. versie is het mem-braan uitgevoerd met een kraagje aan de onderkant,. dit dient ervoor om het b~:ves_tig),ngsopperyl~,·met: .. de ·staaf· te vergroten.

De krach;topnemer .,beis.ta~t ~it, e.el). 'rond waterdicht roe,stvr,ijstalen doosje met membraandeksel, waarin de rekstrookjes voor de krachtmeting verpakt

zijn. De rekstrookbrug geeft een gelijkspannin9af' die evenredig is met de uitgeoefende kracht. Om te voorkomen dat de staaf van de krachtopnemer afschuift, zit er aan het uiteinde een afneembaar busje (fig. 7;. 7), dat over de bobbel·op de opnemer valt. Dit voorkomt.tevens het scharnieren rond het membraan, zodat dè staaf uitsluitend in radiale richting kan be-wegen •.

In het onderwatermodel wordt de kruchtopnemer verbonden met het Philips-zendsysteem, dat zich in het·draaiende :deel bevindt. Hiermee wordt het gelijkspanningssignë'.al van de opnemer omgezet in een FM-signaal. De-ont-vanger op het vaste gedeelte van de ·opstelling is verbonden met de·de+-tektor, die het F~·1-signaal weer. omzet in een gelijkspanning voor verdere verwerking.

Er is slechts ésn uithouder, waarin het nieuwe meetsysteem ingebouwd is. Het is mogelijk om tipvanes met verschillende instellingen hierop te mon-teren. Deze losse tipvanes zijn afkomstig van de üithouders die met het. oude meetsysteem uitgeru$t zijn.

Een uitgebreide handleiding voor de demontage van de meetuithouder en de montage van een andere tipvane is gegeven in het bijbehorende meetboek ,

[5].

2.3 IJkexperimenten

Om de werking van het meetsysteem te toetsen aan dè gestelde eisen, zijn er voorafgaand ann de metingen enkele experimenten uitgevoerd. Op grond hiervan kan een schatting gemaakt ""0rden van àe grootte van verschillende foutenbronnen.

De ijkopstelling is ç;eschetst in figuur 10. Tij.dens deze·experimenten is de krachtopncmer. a :mg'2::::lotcn o;;; een ~ekmeter (.merk Peekèl, type 581 DNH) , welke' ·de voedingsspanning voor i:'.e opnemer ve:r.-:iorgt.

De evenredigheidsfaJ~tor tussen radiale kro.cht en uitgangsspanning van

de rekmeter is zc\'.·el bov'."'n dls onder water bepaald door bij verschillende gewicnten de bijbehore.ede s.':_)anning te II'.eten. Door middel van lineaire regressie wordt de evcnredighe.idsfë.ktor berekend. Door demontage van de meetuithouder voor het oanbrengen van een andere tipvane zal de faktor wijzigen.·. Het monteren gebeurt immers met de hartd en· is niet exakt re-' produceerbaar. Voor iedere' meetserie met een andere tipvane zal de faktor' door ijk.tng ,opnieuw bepaald moeten worden·;:. de ·wàe.rde ligt in de buurt van· 12 N/V. met een fout ~ 3,5%.

'l'evens is de invloed van dwarskracht, moment- en temperatuurva:tiatïe op

de evenredigheidsfaktor be:paald; deze experimenten zijn ·uitvoeriqe:r

De invloed va;:i,te1t1pera~uurv.µ,l,~~ie vq.n het. water is nauwelijks

meet-baar (fig. 11). De afwijking t.g.v. een moment is mind~r dan 8% (fig. 12); dwarskracht veroorzaakt een afwijking van maximaal 1,5% (fig. 13).

In totaal kan de radiale kracht gemeten worden met een fout kleiner dan 10%. Bij de datareàuktie zal blijkendat dit een grove schatting is; de fouten tijdens metingen zijn veel kleiner, waardoor onnauwkeurigheid slechts 3,5% is.

2.4 Inpassing in het onderwatermodel

Het meetsysteem is onderdeel van het onderwatermodel. Dit bestaat uit een naaf waarin 2 uithouders ingeklemd worden en een spinner waarin het zend-systeem gemonteerd is. Aan het uiteinde van de uithouders zijn de tipvanes bevestigd (zie foto 5). De tipvanes hebben de vorm van Eppler 385 profielen, welke aangepast zijn aan de cirkel die door de turbine omschreven wordt

(fig. 14). De stand van de tipvanes wordt bepaald door drie hoeken: de tilt-hoek, deze is noodzakelijk omdat de stroombuis, die de turbine omgeeft zich verwijdt door de afnemende snelheid (zie fig. 2); de instelhoek, deze be-paalt mede de grootte van de liftkracht van het profiel; de gierhoek, deze dient om de spanwijdte van de tipvane loodrecht op de plaatselijke stroming te zetten. De richting van de plaatselijke stroming wordt bepaald door on-gestoorde snelheid, rotatiesnelheid en geïnduceerde snelheid door turbine en tipvanes.

Elke uithouder met tipvane heeft een vaste instelling tilthoek en instel-hoek, de gierhoek kan worden ingesteld door de uithouder in de naaf te draaien (zie fig. 15). Er zijn vijf verschillende tipvane-instellingen, waarvan er drie doorgemeten zijn (zie hoofdstuk 4).

De bedrading van de krachtopnemer wordt door de naaf naar het zendsys-teem geleid. Met vet wordt getracht om deze ruimte waterdicht te houden. Het doorzichtige gedeelte voor het zendsysteem is gevuld met silicagel, zodat direkt ingegrepen kan worden, als door kleurverandering blijkt dat er toch water binnengedrongen is. Een andere manier om de waterdichtheid te vergroten is het op overdruk brengen van het droge gedeelte; dit ge-beurt d.m.v. een ventiel in het voorste gedeelte.

Het gelijkspanningssignaal uit de detektor dat evenredig is met de radiale kracht wordt tijdens de metingen geïntegreerd m.b.v. een analoge integra-tor.

De integratietijd is 20 sec., zodat over een aantal periodes van mogelijke schommelingen geïntegreerd wordt. De integrator is via een multiplexer en multiprogrammer verbonden met een komputer (HP-9825B), waarin m.b.v. geïn-tegreerde spanning, integratietijden evenredigheidsfaktorecngemiddelde

kracht berekènd wordt. Voor verdere beschrijving

van

ditverwerkings-programmà zie hoofdstuk

4

en [ 5]. · v •

. 'f

' . ~. ~ ;

3. Koppel en axiale kracht

' Het'

~ndêl~'wa.t.~rmo<lel

vaA·

à.Ei

tipvane-turbine worat

gemont~e~a

op de. .

te.stop'stei1

iü.ng

_voor1

'

~'cheepsschroeven (fot~

'5

1

'en.

fig. 16) • ;

rfe·z~·\~

1

~{:.::

:·;

~" ::.;·~

opsteiïing is

~it~~~u~t

niêt rekstrookbruggeri, waarmee' het koppel en de axiaie kl:"~aè:ht op het uiódel

uit àe· rekmète~s wordeii op

gemeten worden. be

g~l:i'jkspanning·~~ignalen

' : ·: :. ~. :. '.\ . i ~ : i •· ~. \. • • . •

dezt:üfde wijze verwerkt als het signaal van

1' , .

de radiale kracht: analoog integreren en daarna omzetten in een gemiddeld koppel resp. gêfuiddelde' axiale kracht.

oe' Ûlthoudèrs

hebb~ü·/ sl~bhts ei~~l Óride~steunende

1

funktie voor de. üp'lanes' en; oe!:~rien d~ardoor ~iet dezelfdè .· a:xi'a.1~ kracht uit. van. echte turbine-bladen. dÏn dewerki~g van eeli echte turbine 'beter' te be~àderen, wordt.de

axÜh.e kr~bht: v~rgroot 'door een gaas vlak achter de.'turbine tè plaatsen. Dit gaas is echtet bevestigd aan het 'vaste gedeelte, zodat de bijdr,age aan de tbta:te axiale kracht ni~t gemeten wordt. Doordat 'de te~top~telÜng 'ge~ maakt is

véiol:"

scheeps~chl:oevèn, wordt er slechts inhet'oriderst:.~·gedeelte van het meetbereik gewe~kt. nierdoor wordt een geringe natl~ke,urigheid b~...: reikt. DÖordat de axiale kracht van het gaas niet gemetenwordt'é~ 'aoor de 9è:rihge l1auwkeurigheid, is besloten oin ·de ruwe data

van·a.~·axiat~

kracht' niét verder te verwerken ..

De

l.Î.ftkrachtmetingen kunnen in een later stadium geve~lfieèrd1 word.~~' c:

• 1 : ~ > .. f '. ; wanneer er aanvulling is met windtunnelmetingen aan dezelfde

tipváne-kon-figuratie met. gaas. ~·-.: ' ( :: '.-.1.

{ . ·,

Uit het gemeten koppel wordt de weerstandskracht van de tipvane berekend, :door aan tè henien dat' er

eentangential~ kr~cht:

in de tipvanes

a~rig~ijpt'

óüè

appehdix 2).

Óeze

kracht werkt echte"r op het gehele mod~l·; daarom is'ook het koppel

van

het;model met uithouders zonde~'tlpvanes bepaald •. Op

dezé:

wijz'e

kan. uit het verschil van twee koppel~etingèn de weerstandskracht

op'

de tipvane aileen: bepaald. worden •.

Wanneer het koppel van de uithouders verwerkt wordt tot een diinensieloze· weerstandskracht betrokken op het tipvane-oppervlak, komt deze konstante

'~ l : _; )

waarde goed overeen met de theoretisch berekende waarde.

Voor. de koppèlmètirigen geldt eveneens' dat er een behoorlijke'· fout geïntro-duceerd

~ci~dt,

doordat er in

h~t

onderste

ged~-~lte

van het meefbereik ge-werkt wordt. boor twèe metingen bij dezelfde snellopendheid te kombineren kan de nu1purîts16ut geëliminèefd ·worden; hierdoor wordt de nauwkeurigheid··

1· _,··· .' .

4. Metingen

4.1 Inleiding

De metingen zijn verricht in de klein.e· en grote sleeptank van de afdeling der

Karitta:.eTechniek. De testopstelling voor .scheepsschroeven, met daaraan

ge-monteerd het onderwatermodel, wordt onder de sleepwagen gehangen; deze sleepwagen rijdt over de, sleeptank. HeLmodel wordt aangedreven dooreen motor; ,d.m.v. variatie van de rotorfrequentie en rijsnelheid van de

sleep-nR

wagen is de snellopendheid instelbaar (À =

v> .

De 3 signalen uit de integratoren van radiale- en axiale kracht en koppel en de signalen die evenredig zijn met rijsnelheid, rotorfrequentie en meet-tijd worden, via multiplexer en multiprogrammer, ingevoeró. in een komputer '·

(HP 9825B). Hierin draait tijdens de metingen een verwerkingsprogramma, dat de signalen m.b.v. ijkfaktoren omzet in gemiddelde waarden en print opàe papierrol en dat tevens de ruwe meetwaarden wegschrijft op cassetteband voor latere verwerking (zie [5] en fig. 17). Bovendien wordt het verloop van de signalen van radiale en axiale kracht, koppel en rotorfrequentie tijdens de metingen in beeld gebracht op een schrijver.

Uit het gemeten koppel wordt een tangentiale kracht, die< in de tipvane aangrijpt, berekend. Uit de drie krachten Ft , F den F. in onderling

an ra ax

loodrechte richting, kunnen de lift- en weerstandskracht.op de tipvane en de axiale weerstand van het model, resp. L;. D en D , berekend worden (zie

ax appendix 2).

Van uiteindelijk belang zijn de dimensieloze vormen van deze krachten resp.

CL, ,CD en eb

Er wordt gem~en.aan drie verschiilende instellingen van de tipvane van tilt-hoek en instelhQek, als funktie van giertilt-hoek en snellopendheid, tevens wordt er gemet~n.met en zonder.gaas. De toestand "met gaas" betekent: het gaas op 30 1111n:.achter het midden van.de naaf, ter vergroting van de axiale weerstand

(+ 25 cm), zodat de invloed op de stroming ter plaatse van het model te ver-waarlozen is (foto 5).

4.2 Kleine sleeptank

De,m~tingen in de kleine sleeptank zijn slechts bedoeld omde werking van.· de meetopstelling en van de verwerkingsprogrammatuur te testen. Door de ge-ringe- c;i,fmetingen van deze sleeptankworden de metingen in.de grote sleep-tank uit~voerd: door de grotere diepte. en breedte .zal de invloed van bodem, wanden en vrij wateroppervlak te verwaarlozen.zijn.

Door een bedieningsfout.tijdéns de eerste dág is het inodêl stukgegaan.

Na repärà.tië

isr:iri de

resteréndè'·'tda

slé~lits

1

kbnfigüratie ä.Öorgellleten:

tilthoek

·y:;,

t5°t 'J..nstelhoek 9 =

QO ;,

giethoek' /\.':;;;, 6°; bij kónstante rij-snelheid v = 0,5 m/s wordt de sneiiopendhéid gèvariëerd a;m.v. het toerèn-tal va'.h À = .' 4 töt 11' met gehele waarden~

Uit dëz~ mêtirt<;Jen.blijkt

dat

de konstruktie van de tipvane door hët mèm:_

braan niet bestand, is· tE:~~èn' èie·'krëibhten'. die er bij deze rijsnelheid op' ~erken.

De tipvarie

hèemt

dÖor buigiilg een andere instelling aan, welkê a.fnànkelijk'iis ·van· rijsnêltteîèf en tóerel1tai. Bij elke snellopendhéid wOrdt eèn and.ere in-·

steÜing gêmete-n, zodat '\f~rgelljkitl<f niet mogelijk is. Bij dè llletlrtg :l~

dé

kracht bij À = 11 z'6 grÖot ·'geworden; dat dë vêrbindingsstift blijvend 'krom gebogen is~ ·''. ,, ·

Daarom is de konst:tUktie verstevigd

'ddo:t

met een dikkere stift <izS 1,5

imn,

--i.p.v. 1 mm) de verbinding tussen tipvane en staaf te verstijven. Tevens is besloten om de metingen in de grote sleeptank 'niet-~iecht~ b:Ï.j-één -r-ijiinélheid te verrichten, maar bij verschillende snelheden om zo de invloed hiervan op de meetsignalen te kunnen achterhalen.

î , ,

Om een betrouwbare vergelijking tussen windtunnel- en sleeptankmetingen te kunnen Illaken, is het noodzakëli)k dat ·er.

in

hetzelfde Reyno~dsgebied gemeten

' · ' l ' . . \

wordt. Bij de windtunnelmetingen lag het Reynoldsgetal in de buurt van

5 5

Re= 1,8.10 , in de sleeptank is dit Re= 1,35.10 , bij een rotorfrequentie van f = 2 Hz. Hiermee moet rekening gehouden worden bij veranderingen van rij-snelheid en rotor~requentie.

Na de meting is de qv:ergebleven ètijd besteed aan het voorbereiden van de proeven om het st:i;-omingspatroon ~ich,tbaar te maken d.m.v. w~terstofbelletjes,

zie hoofdstuk 6.

4.3 Grote slèeptank

In de grote sleeptank zijn alle metingen uitgevoerd met de rotoras op een diepte van 55 cm. Uit voorgaande metingen is gebleken qat bij deze diepte de invloed van bodem, wanden en vrij wateroppervlak te verwaarlozen is. Ter controle zijn er bij de metingen met kale uithouders ook experimenten gedaan met de as op een diepte van 45 en 35 cm.

Uit de metingen in de kleine sleeptank is gebleken dat de konstruktie van de tipvane niet bestand is tegen de krachten die bij de beoogde rijsnelheid V = 0,5 m/s optreden. Er moet daarom een kompromis gezocht worden tussen maximale rijsnelheid (voor een redelijke signaalgrootte) en minimale rotor-frequentie (voor minimale doorbuiging). Tevens blijkt na de eerste serie metingen dat de relatieve fout in de koppelmetingen afhangt van het toeren-tal (zie appendix 3 en 4). Daarom is besloten om bij de tweede en derde serie ook metingen te doen waarbij het toerental konstant gehouden wordt

en de snellopendheid d.m.v. de riJsnelheid gevarieerd wordt.

• • ' . ' . • ~ ; .f • • • • : •

In de onderstaande tabel is een overzicht gege.ve~ van de metingen aan het komplete model, de metingen aan de kale naaf en uithouders zonder tipvanes zijn te vinden in het meetboek [5].

Gemeten en geregistreerd op cassetteband zijn: de radiale kracht op de tipvane, de axia.le kracht en het koppel op .het model, de rijsnelheid en de rotorfrequentie als funktie van de gegevE'..n variabelen.

Met het verwerkingsprogramma kunnen 5 metingen vqn 20 sec. achter elkaar gedaan .worden, voordat de gegevens bewerkt en op cassette gesc:hr~ven worden. Tijdens één rit over de s~eeptank kan dus een serie van 5 snellopfmdheden, gemeten worden; ,de vol:t..e lengte van de tank wordt op deze wijze benut. Wanneer het model onder water blijft, dient met lage snelheid naar het begin van de tank teruggereden te worden, maxi.nlaal V

=

0,15.m/s.

'

. '

Metingen aan het komplete model

y

= 15° 8

= o

0 met en zonder gaas met en zonder gaas·

A

=

8° en 10° ' met en zonder gaas Rijsnelheid konstant V

=

0.2

m/s

À

=

9 t/m 13 0.3 m/s À

=

4 t/m

s

v

₌

0.1 m/s À

=

4 t/m 13 0.2 m/s À = 4 t/m 13 0.3 m/s À

=

4 t/m 13 0.4 m/s À

=

4 t/m 10 . 0.5 m/s À

=

4 t/m 8 v = 0.2 m/s À

=

9 t/m 13 0.3 m/s À = 4 t/m 8

y

₌

1s0

Rijsnelheid konstant Frequentie konstant

e

= 40 .. A = 00

v

= 0.2 m/s: À = 4 torn 13 f = 1.0 Hz: À = 4 t/m 8 zonder = 0.3 m/s: À = 4 t/m 12 = 1.5 Hz: À = 4 t/m 13 gaas = 0.4 m/s: À

=

4 t/m 10 = 2.0 Hz: À = 4 t/m 13. = 0.5 m/s: À = 4 t/m 7. ". = 3.0 Hz: À = 7 t/m 13 A =

o

0

v

= 0.2 m/s: À = 9 t/ru 13 f

=

1.5 Hz: À = 4 t/m 8 met gaas

₌

0.3 m/s: À = 4 t/m 8 = 2.0 Hz: À = 4 t/m 13 A = 40, 60 = 2.5 Hz: À = 9 t/m 13 0 8 en 100 met en zonder gaas

Rijsnelheid konstant Frequentie konstant

A = Q 0 40, I 60

v

= 0.2 m/s: À = 9 t/m 13 f

=

1.5 Hz: À = 4 t/m 8 80 0 m/s: À en 10 met

₌

0.3 = 4 t/m 8 = 2.0 Hz: À

=

·4 _t/m 13 en zonder = 2.5 Hz: À = 9 t/m 13 gaas· \ ', ,'. .1

5. Resultaten en diskussie

In grafiek 1 t/m 6 zijn de geselekteerde resultaten weergegeven: de lift-en weerstandscoëfficiënt van de tipvaw~ als f~tie van de sne.l,lopendheid bij verschillende instellingen. Omdat de bijdrage van het gaas tot de axiale kracht niet gemeten kan worden en door de grote meetonnauwkeurigheiq, zijn de meetgegevens van ·de axiale weerstand niet verwerkt. De CL-wáarden hebben een relatieve fout kleiner dan 3,5%1 de CD-waarden een absolute fout kleiner dan o.oos~

De koppelmetingen aan de uithouders zonder tipvanes geven, na omzetting in

c

₀ -waarden betro~ken op het_. t~pvane-bpper~lak _ een _ kon~~~te waarde, welke overeenkomt met de theoretisch berekenbare waarden (zie appendix 2) .

..

De metingen "met gaas" voor een betere benadering van de turbine door

ver-.. ·'

hoging van de axiale weerstand geven voor alle instellingen een lager CL-nieveau dan "zonder gaas" • Dit is als volgt te verklaren; wanneer de tip-vanes ge!soleerd draaien, zonder axiale weerstand van de turbine, ontstaat er een venturi-type stroming. Hierbij is de ideale tilthoek yid ~

O.

Bij een tilthoek groter dan de. ideale zullen de tipvanes gedeeltelijk turbine-werking vertonen, doordat de tipvanes dan meer op de drukzijde worden aangestroomd.

De ideale tilthoek yid is ongelijk nul bij aanwezigheid van axiale weer-stand van de turbine.

Bij het onderwatermodel is de axiale weerstand van de staken te klein voor de ingestelde tilthoeki wanneer de weerstand vergroot wordt door toevoeging van het gaas .. zal .de ideale tilthoek de ingestelde tilthoek beter benaderen, waardoor de tipvane minder van de drukzijde wordt aangestroomd: de lift~

kracht zal afnemen.

De aanwezigheid vanhet gaas heeft nauwelijks invloed op het CD-niveau., Bij een bepaalde snellopendheid zal de stroomopwaartse tipwervel van de ene tipwervel de stroomafwaartse tip van de andere treffen. De twee tip..;. wervels zijn even sterk, maar tegengesteld en zullen elkaar dus opheffen. Bij deze synchronisatietoestand is er geen geïnduceerde weerstand, waar-door het 2-dimensionale geval het dichtst genaderd wordt, en de liftkracht het grootst is.

Of er synchronisatie optreedt is afhankelijk van een aantal grootheden: axiale weerstand van de turbine, snellopendheid, ingestelde tilthoek en wer-velsterkte op de tipvane.

In [6] wordt een formule afgeleid voor de gemiddelde invalshoek van het effek-tieve gedeelte van de tipvane. Toegepast op de konfiguratie van het onderwater-model geeft dit:

(alle hoeken in rad) , ·-' v i

vane

n

R.

De eerste term

e

is de 9'e.ometrische. inste~hoek van de tipv~ne: neus naar binnen is positief, zodat de positieve liftkracht richt;ng rotatieas Î;S.

/ ' f . . •

De tw~e~e t,er~ CY

0 .iS, de, nul lifthoek; dit is een pro~iele,ige.11schap. IJ1 fig.

18 is de ~

₁

-a kromme v.an het ,EPP,ler 385-profiel vervéillgei:i door een rechte lijn, de hieruit

-~olgende

nulli fthoek is: a

=

-6, 2°.

·"· . ;;:;.( - . . . ;. i. 0 - .

De derde term 6X c/R .wordt veroorzaakt door het verschuiven van he,t

aei;oéJ.y-- . ' _Pi. . . ".. " • . .

namisch centrUIU over ·de afstand 6X naar yoren vanaf het bE:!vestigingspunt •. De raaklijn aan de omschreven cirkel treft de tipv~me nu op de zuigzijde;

dit geeft een invalshoekverkleining •

. ;.;

De vierde term siny sin/\. heeft te ma)cen met de ~~tatiesnelheid OR, welke, e~n

komponent loo~echt .op het tipvane oppervlak heeft als de tilthoek y en 51+er-: ·.·

hoek A beide ongelijk nul zijn _{···n .·}

w ·

r

De Se ter,m U .•

X .

(y - y id) geeft het effekt van eex; niet-idea:J.e~ .t-ilt}1oC:k weer, d .• w.z. een tilthoek zodanig dat de spanwijdte nj.et para).l~l. is metde

. . . - .

lok~l_e snelheid W. Tenslotte geeft de 6e t~:rm de ge induceerde i,nvalshoek ~eer,

bekend uit de klassieke eindige vleugel-theorie .

. ;,)·; '

Het deze formule voor de invalspoek en de gelii:irarisEj!er_de c

1 -Q. j{ro~e kan

een vergelijking gemaakt worden met de metf.;n9en. We beschouwen .de ~on,.t'ft~ura­

tie die het ideale geval het best benad.erÇI:y = 15°; 8:;= 4°; met gaas; bij ~ a·· .; .' ·_ ~ -.- '.

À= 7 en/\.= 0 ; dit volgt,ook uit bestu~ering yan de.viçleo-opnames.

i . ~: :. i

.-Door de aanname dat hoeken en snellopendheid ideaal zijn, vallen d,e laatste drie termen weg, zodat CL= 7,4°. Met

c

1 .. = 0.0949 per graad volgt ,hieruit: a

c

₁ = 0.70 •. De overeenkomstige meting geeft: CL= 0.48. Pat dez~ twee uit:-komsten niet ove:r;e~nkomen i~ niet verwonderlijk, want zelfs met windtunne,1:-proeven aan een 2-dimensionaal Eppler profiel is het niet ge,lukt 9m de .theo-retische

c

₁-a- en c

1-cd-kromme te reproduceren.

Tevens geven de grafieken een daling van de liftcoëfficiënt bij hogere snel-lopendheden weer. Dit komt slechts als 2e orde-effekt tot uiting in de vierde term van de invalshoek formule; belangrijker is hier het verkleinen van de effektieve spanwijdte b bij stijgende snellopendheden (zie [6]):

e

het liftniveau over de effektieve spanwijdte blijft gehandtaafd, gemiddeld over de gehele spanwijdte zal de liftcoëfficiënt dan dalen.

In grafieken 7 en 8 is de invloed van de gierhoek op de liftcoëfficiënt apart uitgezet. Wanneer de gierhoek A vergroot wordt, zal volgens de formule de invalshoek a kleiner worden waardoor de liftkracht CL daalt. Bij een ver-groting van de gierhoek van 4° naar 10° betekent dit een daling van

ó.C = 0.15 (bij y = 15°; 8

=

4°; met gaas en À= 7); dit komt niet goed

1

overeen met de bijbehorende meting: ó.CL = ü.07.

Door de grote meetonnauwkeurigheid moeten de resultaten van de eerste

in-o .

o·

.~

,,

stelling

(y

= 15 ;

e

=

0 ) vooral de weerstandsmetingen, ,zeer kritisch bekeken worden (zie appendix 4).

Bij de derde instelling (y

=

20°; 8 ~ 2°) daalt de liftcoêfficiënt bij stijgende snellopendheden; door een te grote tilthoek treedt hier g~en

wervelsynchronisatie op, zodat er geen piek in de CL-À-grafiek zit. De weerstandsmetingen zijn voor alle instellingen vrij konstant over het hele À-gebied. Het

c

0-niveau is echter een faktor 4 hoger dal'l de theoreti-sche waarde (zie fig. Hi). Deze theoretitheoreti-sche waarde is echter bij wind-tunnelmetingen aan een 2-dimensionaal profiel ook niet gerepr~duceerd.

Belangrijk ls echter ook dat de effekten die optreden door de roterende beweging van de tipvanes het stromingspatroon zodanig verstoren dat geen vergelijking meer mogelijk is met een 2-dimensionale stroming.

In grafiek 9 zijn de resultaten van voorgaande sleeptankmetingen weerge:-geven. Ondanks het verschil in hoeken kan toch een beperkte vergelijking gemaakt worden. Het liftniveau bij gierhoek

A

=

o

0, zonder gaas komt

rede-. 0 0 0 0

lijk overeen met de nieuwe metingen y

=

15 ,

A

= 0 , 8 = 0 en 4 , zonder gaas; hetzelfde geldt voor de weerstandsmetingen.

De 'ëmdere twee metingen zijn gedaan bij een grotere gierhoek A

=

13° •. De

waarde van de liftcoëfficiënt is lager dan verwacht zou worden bij extra-polatie van grafieken 7 en 8; de lage waarden zijn waarschijnlijk te wijten aan het gebrekkige meetsysteem.

In alle gavallen is de CL/CD-verhouding te laag om enige vermogenswinst te verwachten: in de prakti)k zal met deze profielen de winst door het toe.- . passèn van tipvanes onmiddellijk vernietigd worden door het tegengesteld koppel t.g.v. de weerstand van de tipvanes.

6. Zichtbaar maken van de stroming

Om een beter inzicht te krijgen in de werking van tipvanes, is het nuttig om het stromingspatroon ronc;. het model zichtbaar te maken. In de windtunnel

. '

blijkt dat met rookproeven hele fraaie resultaten te bereiken zijn; in de sleeptänk is geprobeerd om dit na te bootsen mei:.' be'ti.ulpvan wàterstof-belletjes: door op een blanke metalen draad spannin:g·te zetten! ontstaan

•', '.. . ··.r.·f

er onder water ao;)r elektrolyse waterstofbéllen. l·~et de -·~:roottê van de spanning kan de

;gr~Ö~t~

van de.

b~llen

geregeld

wo~de~!.' w~rie~i

'ä.e bellen klein genoeg zijn, is de stijgsnelheid klein t.o;v. de rijsnelheid en kan

. '. . . y .!.; .:.·' \ \

een horizontaal bellenvlak geproduceerd worden.

,•' '_: _,-·.., :_ -~ -· ·j ! ' " ! , ...

Het stromingspatroon rond het hele model is zichtbaar gémaakt met een ver-tikale draad. Deze wolframdraad <9S 80 µm) is

ingespànrte~

iA

eeri..geisol~erde

half-cirkelvormige boog, zodat de stroming ter plaatse v~n dé rotor naüwe-lijks be.Învloed wordt

(~oog

=

~· 35

m). boor delen

va~;• tl,~

.draad. te

}~öleren

(b.v. inspuiten met crystal-spray) ontstaan er bellenbanen i.p.v. een bellen-vlak {zie foto 7). Door de spanning te

puis~n

als

blok~~anning

(in dit.geval

.

.

.

·,: };,·

oen 30 V), worden blokvormige belleng~oepen gemaakt, waarcioor ëen tÎjdseiè-ment.kan

w~rden

ingebouwd.

~, ,"' -~ '. ~ J

Om de stroming ter plaatse van de tipvane zichtbaar tè maken, .

is

gebr~ik gemaakt van een koperdraad waarvan het blanke draadeinde eerst gevlochten is. Deze spiraalvorm heeft een hoge bellenproduktie en doordat de bellen-stroom nu volume heeft, is het beter mogelijk om de tipwervel zichtbaar te maken dan met een bellenvlak {zie foto 8).

De bellen worden zichtbaar door er met een sterke onderwaterlamp (500 W) op te schijnen. Hierbij is de hoek tussen de richting van waarneming en de

0

richting van belichting erg belangrijk; deze hoek moet ongeveer 115 zijn. In de praktijk komt het er op neer dat de lamp bijna boven het model hangt en naar beneden schijnt en dat de video- of fotokamera ter hoogte van de rotoras geplaatst wordt. Lamp en kamera beide in het rotorvlak.

0 0 0

Van 1 tipvane-instelling (y

=

15 ;

8=

4 ;

A=

8 ) zijn op deze wijze foto-en video opnames gemaakt, bij snellopfoto-endhedfoto-en van À

=

4 t/m 17.

Door belichtingsproblemen zijn er slechts enkele foto's geslaagd; dè video-opnames geven een redelijk beeld van de stroming rond het hele model en rond de tipvanes.

-16-7. Konklusies

Het. ontworpen meetsysteem voldoet aan de gestel;.çie ei.sen: de radiale kracht op een tipvane kan gem~ten worden me,t ei:m fout kleiner dan 3,5%. Onder voorwaarde dat de rot9rf;requentie niet ,te groot is (f < 2,5 Hz),, is er l!Jeen meetbare invloed :v~n ander.e krachten.

Door de koppelmetingen op de juiste ,'.l(li,jze te verw~ken is het mogelijk om

. · · · ' · ' : !

de weerstandscoëfficiënt van .het tipvane-profiel te bepalen met een abso-lute fout kleiner dan 0.005 •..

Het Lppler 385 profiel heeft als tipvane een te lage CL/c₀-verhouding om vermogenswinst te verwaqht,en. De winst door het a.anbx:engen van radiale krachten op de stroming zal teniet gedaan worden.~oorhet tegengesteld as-koppel t.g.v. de weerstand ;Van de tipvanes •.

De trends in de CL-À en CL-A graf~eken zoals voorspeld door de theorie, worden door de meetresultaten bevestigd. Kwantitatief wijken de resultaten echter nogal wat af.:van dE,! theorie.

D.m.v. waterstofbelletjes kan de stroming rond de turbine en tipvanes onder water goed zichtbaar gemaakt worden mits er voldoende aandacht aan de be-lichting besteed wordt.'

8. Referenties

1. J. Beurskens, H. Houët P. van der Vorst

2. Th. van Holten

3. il.N. van Beek-Derwort, Th. van Iiolten 4. L.C. Spijkerboer 5. 6. Th. van Holten "Windenergie", stageverslag R-200-S, TH Eindhoven, 1974.

"Perforinance analysis of a windmill with increased power output due to tip,;.. vané-induced diffusion of the airstream", TH Delft, !·temorandum N-224, 1974.

"Hork done by the tipvane group of thè Delft University of Technology for the National Programm Windenergy", TH Delft, MemoràndumM-375, 1980.

"De liftkrà.cht op een tipvaan-model. Ontwikke:Üng van een rneetèysteem", Th Delft, Nemorandum N-465, 1903.

"l·ieetboek bij de sleeptankmetingen 1983'' r

Werkgroep Windenergie, 'J.'ll Delft.

"An analytical theory for rotor-tipváne performance and comparison with éxperimental results", paper no. 2.9, Eighth European Rotorcraft Forum, Aix-en-Provence, 1982.

Appendix 1: Technische gegevens

gravitatieversnelling dichtheid water

kinematische viskositeit water dichtheid lucht

kinefuatisch<;! viskositeit lucht

Sleeptankmodel straal rotor

diameter van de uithouder als fµnktiE~ van

41,25.10-3 48 .10-3 120 • 10-3 160 .10- 3 tipvane profiel spanwijdte koorde de straal

'

r ' 28.10-3

'

r ' 120.10-3

'

r ' 160.10·-3

'

r ' 176.10-3

afstand aerotlynamisch centrum -bevestigingspunt Reynoldsgetal gaas. aansluiting krachtopnemer Lvenredigheidsfaktoren radiale kracht: y = 15°, 6 = 00 y = 11·0 _{:J '}

e

₌

4 .0 y

₌

2u0, 6 = 20 g

₌

9,82 rn/s 3 3 (1 20° C) p

₌

10 kg/m atm., \)

=

10-6 m2/s p

₌

1,205 kg/m 3 (1 ntra. , 20° C) ~

=

15.10-6 m2/s R

=

0.18 m cl (r) = 18.10 -3 (m) d(r)

₌

24.10-3-r

.

125.lü-3 (m) d(r) = 9.10 -3 (m) d(r)

₌

2.10-3 m

Eppler 385, aangepast aan de omschreven cirkel b

=

ü.082 m c

=

0.06 m -3

=

8.67.10 m Re

=

~.-'1T_f_._R_._c_

=

1. 35 .105 (bij f = \) 6 draden/cm rj) draad = 0.2 mm maaswijdte = 1.5 soliuity

₌

0.226 ingang + = rood

-

=

blauw uitgang +

=

groen

=

koper aarde = blank 12.93 N/V mm 13.25 N/V +

_-

3,5 13.15 N/V %

koppel: 4,26.10-3 _{Nru/µrek (rekmeter in stand 3000 µrek/V)}

axiale kracht: 0.1206 N/µrek (rekmeter in stand 1000 µrek/V)

integratoren: 1 V op de ingang over 20 sec. geeft 10 V op de uitgang.

Kleine Sleeptank lengte: 85 cm breedte: 2,75 m diepte: 1,25 m

max. snelhaid sleepwagen: 2 m/s

Grote Sleeptank lengte : 142 m breedte: t.,22 m diepte: 2,50 m

max. snelheid sleepwagen: 5 m/s

Appendix~: Krachtenberekening

Uit de gemeten radiale kracht en het koppel willen we de lift- en weerstands-kracht van de tipvane berekenen. De lift- en weerstandsweerstands-kracht van een profiel zijn gedefiniëerd als de krachten resp. loodrecht en evenwijdig aan de

stroming. Omdat de richting van de stroming ter plaatse van de tipvane niet Lekend is, kunnen de krachten niet exakt berekend worden. Er is echter wel een benadering te maken: aangenomen wordt dat de liftkracht L loodrecht op de tipvane staat in de richting die de rotoras snijdt, de weerstandskracht D

raakt aan de cirkel die door de tipvane omschreven wordt.

Behalve aerodynamische krachten werken er op de tipvane ook massakrachten en hydrostatische krachten

[4].

De massakracht werkt in radiale richting naar buiten gericht en zal de radiale kra1;ht kleiner doen lijken. De h:ydrostatische

kracht werkt in vertikale richting en wordt t.g.v. de roterende beweging door het meetsysteem voor de radiale kracht ervaren als een sinusvormige kracht. Doordat er een middeling plaats vindt m.b.v. een analoge integrator, kan deze kracht buiten beschouwing gelaten worden.

De krachten L en D kunnen ontbonden worden in de richting waarin de krachten Frad en Ftan (= Q(LR) gemeten

w~rden:

F d = L • cosy - m.Q .R ra F

=

D + D tan uithouders Hieruit volgt: 2 L = (F _ra tl + m Q R)/cosy D = F - D tan uithouders

Om de metingen onderling te kunnen vergelijken, schrijven we de krachten in dimensieloze vorm:

2

= L/(~p(QR) b.c)

c

D

De weerstand van de uithouders blijkt in dirnensieloze vorm, betrokken op het tipvane-oppervlak, konstant te zijn:

c

0 , Ul. ll. 't~ = 0.072; hiervan wordt in het verwerkingsprogramma gebruik gemaakt door pas na het dimensieloos maken van F de weerstand

c

0 van de tipvane te berekenen.

tan

Deze gemeten waarde komt goed overeen met de theoretisch berekende waarde. Van een schijfje dr van de uithouder wordt de weerstand berekend:

2

(~1r) d (r) • dr

Het benodigde askoppel t.g.v. deze weerstand is:

2

{Qr)· d(r) dr

Door te integreren langs de straal wordt het totale koppel berekend:

Q

~Jtip

2 3 C 0 • ~p

n .

r d.(r) • dr R root

Voor cylinders bij Re > 104 is

c

₀ = 1.2; de diameter als funktie van de straal d(r) is gegeven in appendix 1; het koppel t.g.v. de haáf en de

'

spinner is verwaarloosd. Het deze gegevens volgt uit de berekening:

Door aan te nemen dat een tangentiale kracht aangr.ijpt in het bevestigings-punt van de tipvane, kan hieruiteen weerstandskracht van·de·uithouder in dimensieloze vorm berekend worden:

C_ . h =

Q/

(2R.

~p (~lR)

2b. c) = ü. 074

D, u i t .

De centrifugaalkracht werkt niet alleen op de tipvane, maar ook op de.verbin-dingsstaaf tussen t~pvane en .l:cr~fhtppnemer. D.m.v. een slingerproef is de. effektieve straal van het geheel bepaald. De slingertijd T is onafhanke,lijk van de massa, maar slechts afhan]çelijk van de lengte 1 van draaipunt ·cot massamiddelpunt: 'i'

=

21T /

i/g.

Gemeten is T = 34/40, zodat 1 = 0.179 m .•

Tevens is het IDflSS~ruiddelpunt ".an de tipvane bepaald, dit blijkt in het

ver-.;

lengde van het bevestigingspunt te liggen.

Zonder een noemenswaardige fout te introduceren kan de centrifugaalkracht be-rek(.md worden met de massa van de tipvane + staaf en de straa.l van het model, resp. m

=

0.056 kg en R

=

0.18 m.

~ppendix 3: Datareduktie

Door de grote onnauwkeurigheid zijn de metingen van de axiale weerstand buiten beschouwing gelaten. Door wrijving is de nulstand van de

rek-meters niet nauwkeurig te bepalen; omdat in het onderste gedeelte van het meetbereik gewer}:t wordt, is deze afwijking van de nulstand van grote

invloed op het· ri1eetresul taat.

Uit de resultaten van de laatste twee tipvane-instellingen blijkt dat de berekende waarden van de dimensieloze liftkracht onafha.rikelijk zijn van variatie van rijsnelheid en toerental. De metingen van één snellopendheid onder deze variaties vallen nagenoeg samen (fig. 19). Hieruit blijkt dat de konstruktie voldoende verstijfd is, zodat er geen buiging van de tipvane

~eer optreedt en dat de bijdrage van de ce~trifugaalkracht op een goede ma-nier in rekening gebracht wordt.

Hierdoor kan volstaan worden met de resultaten van één À-reeks; .hiervoor is de reeks bij f

=

2 Hz genomen. Omdat de lj,.ftk:racht.metingenonafhanke'.""' lijk zijn van toerentalvariaties o.ij ~én snellopep.dheiçl, worden de metingen van de eerste instelling voldoende betrouwbaar geacht. De fout in de metingen komt voort uit de onnauwkeurigheid bij het bepalen van de evenredigheids-faktor van de krachtopnemer.

Door wrijving in de aslagers en mogelijke onbalans van het model is de nul-stand van de rekmetér voor de· koppelmetingen niet nauwkeurig te bepalen. De rek.meter wordt bij een zeer langzaam draaiende rotor, zo ingesteld dat de uitleziLg gemiddeld over één om~ieriteling nul is. Omdat dit "op het oog" gebeurt, zal er altijd een zekere afwijking van de nulstand overblijven. Deze afwijking wordt eveneens geïntegreerd en zal een konstante absolute fout in het koppel tot gevolg hebben. Bij een hoog toerental zal de dimensiéloze weerstandskracht

c

0 een kleine fout hebben, bij een laag toerental een grote

fout.

De 'invloed van het toeréntal op de weerstandsmetingen kan door de volgende bewerking verJÜeind worden. De "gemeten" tangentiale kracht bestaat uit

de

volgende komponenten:

Ftan

=

CD

~ 2

~p (~R)~ b.c + C . ~p (QR) b.c + fout

o,uith.

Wanneer we nu 2 metingen bij dezelfde snellopendheid, raaar verschillend toerental van elkaar aftrekken, is de dimensieloze weerstand van de tipvane als volgt te berekenen zonder de genoemde fout:

De resultaten die op deze wijze verkregen zijn hebben een absolute fout

tic

0 < 0. 005. Dit betekent bij CD ~ O. 08 een akseptabele relatieve fout

kleiner dan 6%.

Bij de 2e ·ins'teiling (y

=

15° I e

=

4°) zijn er À-reeksen die nagenoeg

samenval.len, ondanks hèt verschil in toerental; de n~ls't~nd van dé rek-' meter is dan goed ingesteld. ~ianneer die meetgegevens op ·tóvengenciemde wijze bewerkt· worden, geeft dit weer een reeks die samenval't met de reeds berekende

wa~rde{n.

·De fout in de resultaten van de 3e inste'lling <Y = 20°,

e

=

2°)'kan op deze wijze ook verkleind worden tot

t:.c

0 <

o:Oos.

Helaas is deze bewerking riiet toe te passen op de resultaten van de le

i _nste ll . ing ( y = 1'-.., 0 ,

e

=

o

0) , omdat daarvan bij elke gierhoek slechts één À-reeks gemeten is. De weerstä,ndsmetingèn 'van die instelli~g bevatten1

voor-al bij snellopend'.hedert, 'gemeten bij lage toerentvoor-allen, dan ook 'een aanzien-lijk grotere fout.

Radiale kracht. Uit de grafieken (zie [5] blijkt dat de resultaten onaf-hankelijk zijn van rijsnelheid en toerental. De dwarskracht en het moment op de tipv~ne zijn tijdens de metingen minder groot dan verwacht en zijn dus van weinig invloed. De enige fout die overblijft, is de onnauwkeurig-heid in de evenredigonnauwkeurig-heidsfaktor: door integreren en middelen wordt geen extra fout toegevoegd. De liftkracht is direk.t afhankelijk van de radiale kracht (zie appendix 2) en heeft dus eveneens een relatieve fout kleiner dan 3,5%.

De fouten in .de overige.grootheden p, fit, R, b en c voor de berekening van CL zijn relatief klein, zodat deze buiten beschouwing gelaten worden~

Koppel. Door wrijving in de aslagers en mogelijke onbalans van het model is de nulstand van de rekmeter niet nauwkeurig in te stellen.

Langzaam draaiend (tornend) wordt de rekmeter zo ingesteld dat de uit-lezing gemiddeld over één omwenteling nul is. De afwijking van de nul-stand zal ook geïntegreerd worden en geeft een konstante absolute fout, onafhankelijk van het toerental. Deze fout wordt berekend door tornend het verwerkingsprogramma te draaien: de integrator geeft dan over 20 sec. een uitgangsspanning:

J

Edt = 0.014 Vs. Dit korat overeen met

6Q

=

0.014 ~ 25,56/20

=

0.018 (~m) Gn 6Ft

=

0.018/2z0.18

=

0.05 N.

an

Bij bepaling van de weerstand van de kale uithouders wordt een zelfde fout gemaakt, zodat de absolute fout in de weerstand van de tipvanes is:

b.D ::: 0 .1 N.

Wanneer een À-reeks gemeten wordt door variatie van het toerental, zal de dimensieloze weerstand

c

0 een fout hebben die afneemt naarmate het toeren-tal toeneemt.

6c

₀

=

0.03 bij f

=

1 Hz en

6c

0

=

0.0015 bij f

=

2.5 Hz. Dit geeft een on-juist beeld van de CD-À krommen. Bij het interpreteren van deze kronunen van de eerste instelling (y

=

15°, e

=

o0) moet hier rekening mee gehouden

worden: de sprong in de

c

0-À kronunen wordt veroorzaakt door de overgang op een andere rijsnelheid.

Uit de metingen van de 2e en Je instellingen zijn de metingen geselekteerd waarbij het toerental konstant blijft onder À-variatie.

Wanneer de gegevens verwerkt worden zoals beschreven in appendix 3, is de fout in de w~erstand:

c

₀ ' 0.005.

Appendix 5: Lineaire regressie

Door N paren meetpunten (x., y.) wordt de regressie-rechte bepaald. Dit

l. l.

houdt in dat de som van alle kwadratische afwijkingen van de punten tot die lijn minimaal is.

De tichtingscoefficientr.c. van àe lijn ende fout s (r.c.) daarin worden als volgt Lerekend:

N N

i~l

x.

_i~l

_yi

-

l'i l. r.c.

₌

~

2 hl ( lx. ) . - N • . l..l l.- l. i = ~ s (r.c.) N 2 N N

_.El

_yi

-

(i~l

l.= = W-2)

.

(N 2 x. l. N (N

_{. E 1}

i = 2 N y. )- N.E 1 l. i = N 2

.

_{i =} .El x. l.

-N N 2

xiyi

-

.El

x.

_i~l

_yi)

l.= l. 2 N 2 x.

-

_(i~l

_xi) 1. N 2 (i~l xi) )

---

-

---',~ --+

---

_---

_---

_-

--Energy

Fig. 1: Stromingspatroon rond konventionele turbine.

---...

-,,,

...

-/ /

---

_----

,,.

_"

-"

----

_---

-

-

-

-

-

-

-

--

-

-Energy

Fig. 2: Stromingspatroon rond turbine met diffusorsysteem.

--

-,,..

,,.

-/

---

--"

Fig. 3: Ommantelde turbine.

-28-___ ___,..

rekstrookjes

-30-1. tipvaan 2. stift 3. membraam 4. beve~tigingsstaaf 5. uithouder 6. centerpuntjes 7. kraagje 8. centreercirkeltje 9. krachtopnemer 10. houder 11. schroef centreercirkeltje

A

=

4.10 -3 m -3 B

=

12 .10 m -3

c

₌

0,7.10 m -3 D

=

1,8.10 m -3 E

=

5.10 m -3 F

=

1,7.10 m R

=

2.10- 3 m D 0 La.. < SPH.R 1

L__~

t

Fig. 8: Krachtopnemer.

u r

Het membraam in le versie.

Het membraam in 2e versie

' 0

1

{t-.'l)

l

"'10

'

..

f

L

"'

0

15,5°

c

19,0°

c

tgo

=

11,89 ±_ 0,05 N/V tgo c 11,86 + 0,07 N/V 10 _ _ _ _.,. ~I

{N)

Fig. 11: Invloed van de water temperatuur.

1

Fll Fl F _r fout (\)

1 8,35 N 0 N 0 N

-2 5,40 N 0 N 2,95 N 3,4 3 _{5,40 N 2,95 N 0 N 6, 1}

Bet aanbPengen van een moment.

_Resultaten

-34-1,0

0 10

_Zo

_So

₈₀

De invloed van

de

di,Jarskracht

F~.

l -.

,...--..,_--~

Schets van

de

opstelling voor het bepaler. van de invloed van

F~.

R

=

3 x chord original

adjusled with distance h

EPPLER 385 PROFILE.

Fig. 14: Gebruikte profiel, aangepast aan de omschreven cirkel.

•

,i-h= 3. Dm

l_

gear motor ~ streamline bodies water level

Fig. 16: Testopstelling voor scheepsschroeven.

hub with measuring arrangements

-36-\

\ \ 1

-'---i

~

:1).

_~·

----·~

- - - · Q

---

.

----1 1

-_i)----.

---.Q

Fig. 15: Hoeken waardoor de stand van de tipvane be;paald is.

ONDERWERP

..

t~~~

... :-.:. ..

~

..

~

~

... .

DATUM ••

~.

·• "!> .-;

(fjB.2> ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

OPN~Ii-4GEN

.

:;;r..,;A~

..

7 ••

~

~~

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • · • • • • • File-nr.: ..

{f/. ....

l·J1J.·::ie·n::.ne·

l

h.

[1"'1/::.J

Min.

0.296

MIJ.::<.

0. 302

Pot. o rf re··:t.

[Hz]

Min.

1.057

MIJ.>::.

1.

06(1

1.059

Me·e·t.t.i..id

[::.J 2f1. E102

Me·e·t.1 .. .11J.1J. rde·n

[VJ

1

~3. 676 2 -~z1.1i:.3

::::

-[1.148

Ti lt.hi:1e·k

15

In::.t.e·lhoe·k

~3

Gie·rhoe·k

4 M [t·lf··1J

=

F -

IJ.

::<

un

=

L1J.bdo.

=

4.

01

(:f-ro.cf(*)

=

~:::1.2477 Cf - t 1J.n·::i

=

~3. 164~Z1

Cf

-1J.>::

=

0. 3'320

A

8

c

=

=

=

File-nr. : ..

.'.~

....

l·J11·::ie·n::.ne·

l h.

[f•'1/::.J

Min.

~3.294

MIJ.>::.

0. 3~:;:13 Ge·f"1, · 0. 2'::C9

F.:ot. o rf re":t.

[HzJ Min. 1.::::25

t

1

1•J.>::.

1.

::::2:::

1 q ·~-::,·:·

-·

.

-· -·

·-·

Me·e·t1 .. 11111rde·n [\01 ]

1 1.~:::102 2

-t1.

234

Ti lt.hoe·k

A

15

I n::.t e· l hoek

8

(1

Gie·rhoe·k

c

4

F-r11d(*)

un

=

1 ·::· .::, C' • ~ -· ._1

F-1J.::<

un

=

5.

t12

Cf-r1J.d(*)

= O. 234~Z1 Cf-t1J.n·::i

=

Ü.15(H3 Cf-11>~ =

0.519:3

=

=

=

Fig. 17: Voorbeeld van een meting.

'

-File-nr. : ..

Ci°f .•...

l·J1J.·::ie·n::.ne·

l h.

[f"1/::.J

Min.

0.295

M1J.>::,

0.3~31

Ge·, .. ,.

F.:ot. i:1 rf re··:t.

[H::J

Min.

1.595 M-::1.::<. 1.598 1.596

Me·e·t

1 •••

11111 rde·n [\.']

1

1.

449

2

-[1.321

:;:

-~z1.25'3

Ti lt.hoe·k

15

In::.te·lhoi:-k

0

G ie· rh1:1e· k

4 t1 [ t·l (•'1 ]

=

0.41~3 F -

IJ.

::< [t·lJ = :::: . 12 4

L1J.bdo.

=

6.04

Cf'-r1J.df*)

=

Cf-t.o.n·::i

=

0.1422 Cf-•J.>::

=

A

8

r

_.

=

=

=

EPPLER 385 R" = 100.000

-38--0.5 ._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _... 0

-8

0.02 0.04 0 8 16 ---t.-~

ao

Fig. 18: Karakteristieken van het Eppler 385 profiel bij

Re = 100.000.

0.08 24

ONDERWERP1 Sleeptankmetingen

FILENUMMER

Datum

1

31 - 5 - 1983

358 -

362

_*

t~

\50

367 -

371

I

9-::;

40

_v-o

_e.

_t

_ca

_a..O..

_~

372 -

376

0

À:r.

L(~

377 -

386

#

387 -

391

+

Cl

t

Cl v.d. tipvane ale funktie van labda

""

8.!S 1 !J

_1f

IP

•

M

t

""

-~ ~i

-tl

~I#

".

.

8.2 8.1

-".

_•

!S 18

_{- ... labda}

Cd

~ Cd v.d. ~ipvan• ale Funk~i• van labda

",,

",.

",.

".

".

"

...

".

".

•

I • 1 " :»

_••

"

••

•

•

!

r

•

•

-

~,.. " I 0 I

,.

Fig. 19: Meetserie bij variatie van rijsnelheid en rotor-frequentie.

~

".

l#

-" labda

li=

o.~

.,..Is

0.1

.,,.

~~

l.S

H~

i.o

2.5

19

,

.