Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Преобразование энергии ветра горизонтально осевыми ветродвигатель

На рис. 3.6 представлена ​​схема влияния воздушного потока на лопасть ВГУ с горизонтальной осью вращения рабочего колеса.

Схема воздействия воздушного потока на лопасть ВГУ

Рисунок 3.6 - Схема воздействия воздушного потока на лопасть ВГУ

При поступательном движении аэродинамической плоскости (например, при горизонтальном полете самолета) угол набегания воздушного потока α для всех сечений плоскости, а также направление и модуль вектора полной аэродинамической силы F остаются постоянными. При вращении лопастей ВГУ распределение скоростей и углов носит совсем другой характер.

Согласно теории идеального ветряка скорость ветра при подходе к рабочему колесу замедляется и в плоскости вращения рабочего колеса составляет величину, равную . Окружной движение лопастей дает дополнительную составляющую окружной скорости , которую можно найти, если считать лопасти неподвижными, а воздух движется в противоположном вращению направлении. В результате геометрического суммирования скоростей и получим результирующую скорость воздушного потока которая действует на лопасть (скорость набегающего потока).

Рассмотрим лопасть, изображенную на рис. 3.6 в сечениях 1, 2 и 3. Поскольку векторы окружной скорости по мере удаления от центра вращения (рис. 3.5, сечения и, 2, 3) растут, то соответственно растут и векторы результирующей скорости набегания воздушного потока , и . Одновременно, в сторону уменьшения, изменяются углы между векторами и плоскостью II вращения ветрового колеса, что приводит к изменению оптимальных углов набегания воздушного потока а вдоль длины лопасти и ухудшение аэродинамического качества К.

Для поддержания постоянства оптимальных углов набегания потока а вдоль длины лопасти, необходимо менять угол наклона хорды I-II лопасти к плоскости II вращения ветрового колеса β, то есть осуществлять скрутку лопасти.

Определим зависимость этого угла от текущего положения пересечения лопасти на всиIй длине лопасти с максимальным радиусом R. Все необходимые обозначения возьмем с рис 3.5.

(3.10)

Выразим число оборотов ветрового колеса п через быстродействие Ζ получим:

(3.11)

Подставив 3.11 в 3.10, окончательно получим выражение для определения угла установки лопастей относительно плоскости вращения ветрового колеса:

(3.12)

Выражение 3.12 показывает, что угол установки (скрутки) лопасти больше в комля, и меньше на конце лопасти, причем при (r = R ) угол определяется только быстроходностью ветряка.

В качестве примера на рисунке 3.7 приведен пример геометрии лопастей ветроколеса с скруткой.

Вторым важным геометрическим параметром лопасти является ее ширина. Изменение скоростей набегания потока по длине лопасти приводит к неодинаковой силовому воздействию ветра на элементы лопасти в различных сечениях.

В предыдущих параграфах мы определили, что ветроколесо может преобразовывать энергию набегающего воздушного потока с максимальным коэффициентом использования энергии ветра с г. В этом случае на омываемую поверхность ветрового колеса действует осевая сила напора, выражение для которой, с учетом уравнения (2.12), можно записать в следующем виде:

(3.13)

Геометрия лопастей ветроколеса с скруткой.

Рисунок 3.7 - Геометрия лопастей ветроколеса с скруткой.

Лопасти ротора должны быть выполнены таким образом, чтобы любой кольцевой элемент плоскости омовения со средним радиусом r и шириной (рис. 3.8) также отвечал условии уравнение 3.13.

Математически это запишется в следующем виде:

(3.14)

Кольцевой элемент поверхности омовения ветроколеса

Рисунок 3.8 - Кольцевой элемент поверхности омовения ветроколеса

Режим оптимального отбора мощности соответствует режиму работы плоскости на оптимальных углах набегания потока, при которых коэффициент лобового сопротивления значительно ниже коэффициента подъемной силы . В этом случае полная аэродинамическая сила F, действующая на плоскость, будет равна подъемной силе . Учитывая, что при вращении лопасти на нее набегает воздушный поток с результирующей скоростью и в отборе мощности участвует N лопастей, то получим выражение для прироста силы на кольцевом элементе суммарной площади :

(3.15)

Выразим результирующую скорость набегающего потока в центре элемента лопасти из-за скорости ветра и быстроходность ветряка Z, используя для этого диаграммы скоростей на рис 3.6 и выражение 3.11.

(3.16)

При этом уравнение 3.15 преобразуется к виду:

(3.17)

Приравнивая уравнения 3.14 и 3.17 друг к другу и решая их относительно текущей ширины лопасти b, получим:

(3.18)

Из рис. 3.6 видно, что угол φ определяется как сумма угла набегания потока а и угла установки лопасти β относительно плоскости вращения ветрового колеса. Выполняя скрутку лопасти вдоль ее длины, мы постоянно компенсируем угол β ( β = 0) и создаем условия, при котором углы φ и а будут равны друг другу. С учетом того, что оптимальные углы набегания потока а для большого числа профилей лежат в пределах от 5 ° до 8 ° (cos 8 ° = 0,99), выражение 3.18 для определения ширины лопасти вдоль профиля можно упростить до вида:

(3.19)

Такое предположение справедливо для ветряков с быстродействием Z> 3 и при условии, что рабочая поверхность лопасти, вследствие необходимости ее крепления на ступице, начинается с расстояния от оси вращения ВГУ, равной примерно 0,15R.

На основании вышеизложенного можно сделать некоторые выводы:

1. Ширина лопасти b уменьшается с увеличением расстояния от оси вращения ветрового колеса и достигает своего минимального значения на конце лопасти.

2. Чем больше число лопастей, тем меньше их ширина b на сопоставимых расстояниях от центра вращения.

3. Увеличение быстроходности ветрового колеса в два раза, вызывает уменьшение ширины лопасти b в 4 раза.

В параграфе 3.3 мы уже в общем виде рассмотрели вопросы взаимодействия аэродинамического профиля с воздушным потоком и объяснили причину возникновения подъемной силы F y и силы сопротивления воздушному потоку F x. В этом разделе мы рассмотрим действие этих сил по двум основным осям ветрогенераторных установок - вдоль оси вращения и в плоскости вращения.

На рис. 3.9 представлена схема действия сил в одном из сечений лопасти ветрогенераторных установки: На пересечении лопасти действует набегающий воздушный поток со скоростью , который, как мы уже показали ранее на рис. 3.5, равен геометрической сумме окружной скорости и скорости ветра в плоскости ветроколеса . При этом подъемная сила направлена перпендикулярно набегающему потоку, сила сопротивления по линии набегающего потока и вместе они создают полную аэродинамическую силу F . Ветровое колесо вращается в плоскости 1-И. Будем также считать, что элемент площади лопасти , равная произведению ширины лопасти на элемент длины лопасти , образует элементарную силу и лопасть работает в режиме оптимального угла набегания потока а.

Тогда, согласно выражений (3.8) и (3.9), уравнение для элементарных сил будут иметь следующий вид:

(3.20)

(3.21)

Разложим обе силы вдоль оси вращения рабочего колеса и в плоскости вращения 1-И, предварительно направил положительное направление плоскостных сил в сторону вращения лопасти (то есть вниз).

В результате получим:

Векторная диаграмма сил действующих на ветрогенераторную установку

Рисунок 3.9 - Векторная диаграмма сил действующих на ветрогенераторную установку

(3.22)

(3.23)

Отметим, что сила является осевой силой и силой лобового давления на лопасть, причем осевые проекции подъемной силы и силы сопротивления действуют в одном направлении, давят на ветроколесо и не принимают участие в создании крутящего момента.

Сила лежит в плоскости вращения ветрового колеса, с тангенциальной силой и образует крутящий момент. При этом проекция силы сопротивления действует против проекции подъемной силы , что может уменьшать крутящий момент, особенно при работе лопастей на неоптимальных углах установки α относительно набегающего потока.

Подытожив элементарные силы вдоль длины лопасти и учитывая число лопастей ветрогенератора N, получим:

- Полную силу лобового давления

(3.24)

- Полную тангенциальную силу

(3.25)

Аналогичным образом можно получить выражения и для крутящих моментов, умножив выражение 3.22 и 3.23 на текущий радиус r расположение элемента лопасти вдоль ее длины:

(3.26)

(3.27)

Зная угловую скорость вращения ветрового колеса , можно определить механическую мощность , которую ветровое колесо передает валу редуктора (если таковой имеется) или непосредственно валу генератора ВГУ.

(3.28)

где - механические потери на трение в подшипниках ступицы ветрового колеса.

 
< 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