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.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >