Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Техніка arrow Основи вітроенергетики
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Перетворення енергії вітру горизонтально- осьовими вітродвигунами

На рис. 3.6 представлена схема впливу повітряного потоку на лопать ВГУ з горизонтальною віссю обертання робочого колеса.

Схема впливу повітряного потоку на лопать ВГУ

Рисунок 3.6 – Схема впливу повітряного потоку на лопать ВГУ

При поступальному русі аеродинамічної площини (наприклад при горизонтальному польоті літака) кут набігання повітряного потоку α для всіх перерізів площині, а також напрямок і модуль вектора повної аеродинамічної сили F залишаються постійними. При обертанні лопатей ВГУ розподіл швидкостей і кутів носить зовсім інший характер.

Відповідно до теорії ідеального вітряка швидкість вітру при підході до робочого колеса сповільнюється і в площині обертання робочого колеса становить величину, яка дорівнює . Окружний рух лопатей дає додаткову складову окружної швидкості , яку можна знайти, якщо вважати що лопаті нерухомими, а повітря рухається в протилежному обертанню напрямку. В результаті геометричного підсумовування швидкостей та отримаємо результуючу швидкість повітряного потоку котра діє на лопать (швидкість набігаючого потоку).

Розглянемо лопать, зображену на рис. 3.6 в перерізах 1, 2 та 3. Оскільки вектори окружної швидкості в міру віддалення від центру обертання (рис. 3.5, перерізи І, 2, 3) зростають, то відповідно зростають і вектори результуючої швидкості набігання повітряного потоку , та . Одночасно, в бік зменшення, змінюються кути між векторами і площиною II обертання вітрового колеса, що призводить до зміни оптимальних кутів набігання повітряного потоку а вздовж довжини лопаті і погіршення аеродинамічної якості К.

Для підтримання сталості оптимальних кутів набігання потоку а вздовж довжини лопаті, необхідно змінювати кут нахилу хорди І-ІІ лопаті до площини II обертання вітрового колеса β, тобто здійснювати скрутку лопаті.

Визначимо залежність цього кута від поточного положення перетину лопаті на всіIй довжині лопаті з максимальним радіусом R. Всі необхідні позначення візьмемо з рис 3.5.

(3.10)

Виразимо число обертів вітрового колеса п через швидкодію Ζ отримаємо:

(3.11)

Підставивши 3.11 в 3.10, остаточно отримаємо вираз для визначення кута установки лопатей щодо площини обертання вітрового колеса:

(3.12)

Вираз 3.12 показує, що, кут установки (скрутки) лопаті більше у комля, і менше на кінці лопаті, причому при (r = R) кут визначається тільки швидкохідністю вітряка.

Як приклад на рисунку 3.7 наведено приклад геометрії лопатей вітроколеса зі скруткою.

Другим важливим геометричним параметром лопаті є її ширина. Зміна швидкостей набігання потоку по довжині лопаті призводить до неоднакового силовому впливу вітру на елементи лопаті в різних перетинах.

У попередніх параграфах ми визначили, що вітроколесо може перетворювати енергію набігаючого повітряного потоку з максимальним коефіцієнтом використання енергії вітру ср. У цьому випадку на омивану поверхню вітрового колеса діє осьова сила напору, вираз для якої, з урахуванням рівняння (2.12), можна записати в наступному вигляді:

(3.13)

Геометрія лопатей вітроколеса зі скруткою.

Рисунок 3.7 – Геометрія лопатей вітроколеса зі скруткою.

Лопаті ротора повинні бути виконані таким чином, щоб будь кільцевий елемент площині омивання з середнім радіусом r і шириною (рис. 3.8) також відповідав умові рівняння 3.13.

Математично це запишеться в наступному вигляді:

(3.14)

Кільцевий елемент поверхні омивання вітроколеса

Рисунок 3.8 – Кільцевий елемент поверхні омивання вітроколеса

Режим оптимального відбору потужності відповідає режиму роботи площині на оптимальних кутах набігання потоку, при яких коефіцієнт лобового опору значно нижче коефіцієнта підйомної сили . У цьому випадку повна аеродинамічна сила F, що діє на площину, буде дорівнює підйомній силі . Враховуючи, що при обертанні лопаті на неї набігає повітряний потік з результуючою швидкістю і у відборі потужності бере участь N лопатей, то отримаємо вираз для приросту сили на кільцевому елементі сумарної площі :

(3.15)

Виразимо результуючу швидкість набігаючого потоку в центрі елемента лопаті через швидкість вітру і швидкохідність вітряка Z, використовуючи для цього діаграми швидкостей на рис 3.6 і вираз 3.11.

(3.16)

При цьому рівняння 3.15 перетвориться до виду:

(3.17)

Прирівнюючи рівняння 3.14 і 3.17 один до одного і вирішуючи їх відносно поточної ширини лопаті b, отримаємо:

(3.18)

З рис. 3.6 видно, що кут φ визначається як сумою кута набігання потоку а і кута установки лопаті β відносно площини обертання вітрового колеса. Виконуючи скрутку лопаті вздовж її довжини, ми постійно компенсуємо кут β (β = 0) і створюємо умову, при якому кути φ і а будуть дорівнювати один одному. З урахуванням того, що оптимальні кути набігання потоку а для великого числа профілів лежать в межах від 5° до 8° (cos 8° = 0,99), вираз 3.18 для визначення ширини лопаті вздовж профілю можна спростити до вигляду:

(3.19)

Таке припущення справедливо для вітряків з швидкодією Z > 3 і за умови, що робоча поверхня лопаті, внаслідок необхідності її кріплення на ступиці, починається з відстані від осі обертання ВГУ, яка дорівнює приблизно 0,15R.

На підставі вищевикладеного можна зробити деякі висновки:

1. Ширина лопаті b зменшується зі збільшенням відстані від осі обертання вітрового колеса і досягає свого мінімального значення на кінці лопаті.

2. Чим більше число лопатей, тим менше їх ширина b на порівнянних відстанях від центру обертання.

3. Збільшення швидкохідності вітрового колеса в два рази, викликає зменшення ширини лопаті b в 4 рази.

У параграфі 3.3 ми вже в загальному вигляді розглянули питання взаємодії аеродинамічного профілю з повітряним потоком і пояснили причину виникнення підйомної сили Fy і сили опору повітряному потоку Fx. У цьому розділі ми розглянемо дію цих сил за двома основними осями вітрогенераторних установок – уздовж осі обертання і в площині обертання.

На рис. 3.9 подана схема дії сил в одному з перетинів лопати вітрогенераторних установки: На перетин лопаті діє набігаючий повітряний потік зі швидкістю , який, як ми вже показали раніше на рис. 3.5, дорівнює геометричній сумі окружної швидкості і швидкості вітру в площині вітроколеса . При цьому підйомна сила спрямована перпендикулярно набігаючого потоку, сила опору по лінії набігаючого потоку і разом вони створюють повну аеродинамічну силу F. Вітрове колесо обертається в площині 1-І. Будемо також вважати, що елемент площі лопаті , що дорівнює добутку ширини лопаті на елемент довжини лопаті , утворює елементарну силу і лопать працює в режимі оптимального кута набігання потоку а.

Тоді, відповідно до виразів (3.8) та (3.9), рівняння для елементарних сил будуть мати наступний вигляд:

(3.20)

(3.21)

Розкладемо обидві сили уздовж осі обертання робочого колеса і в площині обертання 1-І, попередньо направив позитивний напрямок площинних сил у бік обертання лопаті (тобто вниз).

В результаті отримаємо:

Векторна діаграма сил що діють на вітрогенераторну установку

Рисунок 3.9 – Векторна діаграма сил що діють на вітрогенераторну установку

(3.22)

(3.23)

Відзначимо, що сила є осьовою силою і силою лобового тиску на лопать, причому осьові проекції підйомної сили і сили опору діють в одному напрямку, тиснуть на вітроколесо і не приймають участь у створенні крутного моменту.

Сила лежить у площині обертання вітрового колеса, с тангенціальною силою і утворює крутний момент. При цьому проекція сили опору діє проти проекції підйомної сили , що може зменшувати крутний момент, особливо при роботі лопатей на неоптимальних кутах установки α щодо набігаючого потоку.

Підсумувавши елементарні сили уздовж довжини лопаті і врахувавши число лопатей вітрогенератора N, отримаємо:

– повну силу лобового тиску

(3.24)

– повну тангенціальну силу

(3.25)

Аналогічним чином можна отримати вирази і для крутячих моментів, помноживши вираження 3.22 та 3.23 на поточний радіус r розташування елемента лопаті вздовж її довжини:

(3.26)

(3.27)

Знаючи кутову швидкість обертання вітрового колеса , можна визначити механічну потужність , яку вітрове колесо передає валу редуктора (якщо такий є) або безпосередньо валу генератора ВГУ.

(3.28)

де – механічні втрати на тертя в підшипниках маточини вітрового колеса.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси