Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Преобразование энергии ветра с помощью аэродинамического профиля

Аэродинамическим профилем называется аэродинамическая конструкция, выполненная в виде вытянутого вдоль воздушного потока пересечения с закругленной передней и острой задней кромками и с симметричной или асимметричной кривизной. В ветроэнергетике, как правило, используются профили с асимметричной кривизной. Аэродинамические профили разрабатывались во всем мире различными организациями и фирмами в период бурного развития авиации (напр., ЦАП - Центральный аэрогидродинамический институт имени Н. Е. Жуковского; NACA - Национальный авиационный консультативный комитет США и др.). Организации и авторы называли разработаны профиля именами своих организаций или фамилиям авторов (ЦАГИ, NACA, CLARK), поэтому на сегодняшний день не существует стандартных или международных обозначений разработанных авиационных профилей.

В качестве примера на рис 3.4 представлены сечение и основные геометрические параметры одного из серии профилей NACA с условным обозначением NACA 4415, который используется при изготовлении лопастей ветрогенераторных установок [35].

Пересечение и основные геометрические параметры профиля NACA 4415

Рисунок 3.3 - Пересечение и основные геометрические параметры профиля NACA 4415

К основным геометрических параметров профиля относятся:

- Хорда b - отрезок прямой, соединяющей две наиболее удаленные друг от друга точки профиля. Хорда также длиной профиля.

- Средняя линия (скелет) профиля.

- Максимальная толщина профиля - с тах.

- Положение максимальной толщины вдоль хорды - х с.

- Максимальная вогнутость профиля - f max

- Положение максимальной вогнутости - x j.

В обозначении профиля NACA 4415 первая цифра обозначает максимальную вогнутость профиля ; вторая цифра обозначает положение точки максимальной вогнутости профиля от передней кромки профиля в десятых долях от хорды ; третья и четвертая цифры обозначает толщину профиля в процентах от длины хорды

При построении геометрии профиля используют прямоугольную систему координат с началом в передней точке хорды. Вот ОХ направляют по хорде от передней точки до задней, а ось OY - вверх. Длина хорды берется за /, а верхняя и нижняя линии профиля задаются с относительными координатами, взятым из таблицы или полученных с помощью формул. Контур профиля можно построить, задавая среднюю линию и распределение толщины профиля вдоль линии хорды.

Принцип работы аэродинамического профиля и возникновения подъемной силы основан на использовании закона Бернулли.

(3.7)

Набегающий под углом а к хорде профиля воздушный поток разделяется плоскостью на две части: верхнюю и нижнюю. Вследствие выпуклости плоскости, верхняя часть потока проходит больший путь, чем нижняя. Согласно закону Бернулли о неразрывности потока, скорость потока воздуха над верхней кромкой плоскости при этом будет больше, чем под нижней кромкой. Из этого следует, что давление на верхней стороне профиля ниже, чем на нижней и за счет разницы давлений образуется полная аэродинамическая сила F, направленная в сторону пониженного давления. Эта сила раскладывается на подъемную силу , которая направлена перпендикулярно вектору скорости набегающего потока и силу сопротивления воздушному потоку , направленную вдоль потока.

(3.8)

(3.9)

где: - удельная плотность воздуха, кг / м 3; А - соответственно площадь омиваемого потока (колеса), м ; - Скорость набегающего потока воздуха (скорость ветра), м / с, и - безразмерные коэффициенты подъемной силы и силы сопротивления воздушному потоку.

На рис. 3.5 приведена схема преобразования энергии ветра в механическую энергию с помощью аэродинамического профиля.

Взаимодействие аэродинамического профиля с воздушным потоком

Рисунок 3.4 - Взаимодействие аэродинамического профиля с воздушным потоком

Сила притяжения также действует на плоскость, однако она уравновешивается несущей конструкцией ВГУ и не принимает участие в создании крутящего момента. Коэффициенты и , входящих в выражения (3.8) и (3.9) зависят от типа и геометрии аэродинамического профиля, а также от угла набегания воздушного потока а.

Для определения этих коэффициентов все профили испытывают (продувают) в аэродинамических трубах при различных углах наклона хорды а и скоростях набегающего воздушного потока. Результаты измерений табулированные (или представлены в виде графиков) и их можно найти в соответствующей литературе или в компьютерных базах данных [17, 29]

На рис. 3.5 приведена зависимость коэффициентов и от угла набегания потока и поляра Лилиенталя, или просто поляра профиля NACA 4415 в диапазоне углов набегания от -15 до +15 градусов.

Зависимость коэффициентов Су и Сх от угла набегания потока (а) и поляра (б) профиля КАССА 4415

Рисунок 3.5 - Зависимость коэффициентов С в и С х от угла набегания потока (а) и поляра (б) профиля КАССА 4415

Из рисунка 3.5, а видно, что коэффициент подъемной силы с в является знакопеременным и до угла + 5 ° характеризуется растущей линейной зависимостью, а коэффициент сопротивления минимальный. При углах набегания более + 10 ° линейная зависимость коэффициента с в нарушается, происходит резкое повышение коэффициента сопротивления с х и срыв потока. Это режим используется в ВГУ для ограничения мощности путем принудительного поворота лопастей.

При выборе оптимальных углов набегания потока наиболее удобнее использовать те же значения коэффициентов с в и с х, а так называемые поляры профиля (рис. 3.5, б). Поляра - это графическая зависимость коэффициента подъемной силы от коэффициента лобового сопротивления при различных углах набегания потока. С геометрической точки зрения любая кривая в полярных координатах дает зависимость длины отрезка между началом координат и любой точкой на кривой от угла наклона этого отрезка к горизонтальной оси. В данном случае длина отрезка пропорциональна полной аэродинамической силе F, действующей на профиль, а тангенс угла наклона к горизонтальной оси в равной отношению подъемной силы к лобовому сопротивлению или, по принятой в авиации терминологии, аэродинамическом качестве К.

Если с точки начала координат провести касательную к поляры, то в месте их. сечения (точка А на рис. 3.5, б) получим максимальные отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, что в свою очередь, будет соответствовать оптимальному углу набегания воздушного потока а. Для профиля NACA 4415 этот угол составляет величину, равную 6 ... 6,5 ° (рис. 3.5, б).

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее