Конструкции ветродвигателей. В чем отличия многолопастных винтов и малолопастных Программа – проектировочный и поверочный аэродинамические расчеты ветрогенератора – файл технический отчет.doc

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Историческая справка. Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Современные типы ветродвигателей. В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).
Барабанный и крыльчатый. Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.

S-образный ротор. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ" в других словарях:

Ветродвигатель … Орфографический словарь-справочник

Двигатель, пневмоветродвигатель, ветряк, виндротор Словарь русских синонимов. ветродвигатель сущ., кол во синонимов: 4 ветряк (8) … Словарь синонимов

Использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с направлением воздушного потока … Большой Энциклопедический словарь

ветродвигатель - ВД Устройство для преобразования ветровой энергии в механическую энергию вращения ветроколеса. [ГОСТ Р 51237 98] Тематики ветроэнергетика Синонимы ВД EN wind motor … Справочник технического переводчика

ветродвигатель - ветряной двигатель … Словарь сокращений и аббревиатур

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ - (ветряной двигатель) двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Примитивный вид В. ветряная мельница. Различают В.: крыльчатые, карусельные, или роторные, и барабанные … Большая политехническая энциклопедия

Двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа В., воспринимающего энергию (давление) ветрового потока и преобразующего её в механическую энергию вращения вала, применяют… … Большая советская энциклопедия

Машина, преобразующая кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Рабочим органом ветродвигателя является ветроколесо, воспринимающее напор воздушного потока и преобразующее его в механическую энергию вращения вала. Различают… … Энциклопедия техники

Я; м. Двигатель, приводимый в действие силой ветра. * * * ветродвигатель использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с… … Энциклопедический словарь

Двигатель, использующий кинетич. энергию ветра для выработки механич. энергии. Различают В. крыльчатые (см. рис.), как правило, с горизонтальной осью вращения, с коэфф. использования энергии ветра до 0,48 (наиболее распространены); карусельные,… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Мощность потока, или как ее еще называют секундная энергия, пропорциональны кубу скорости ветра. Что значит — если скорость ветра возрастет, допустим, в два раза, то энергия потока воздушного возрастет в 2 3 раза, а именно 2 3 = 2х2х2= 8 раз.

Развиваемая ветродвигателем мощность будет меняться пропорционально квадрату диаметра ветроколеса. Что значит при увеличении в два раза диаметра ветроколеса – получим увеличение мощности при той же скорости ветра в четыре раза.

Однако не всю энергию, протекающую через ветроколесо, можно превратить в полезную работу. Некоторая часть энергии потеряется при преодолении сопротивления ветроколеса воздушному потока, а также на другие потери. Также довольно большая часть воздушной энергии будет содержатся в потоке, уже прошедшем через ветроколесо. В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:

• Скорость потока ветра за ветроколесом не равна нулю;
• Лучший режим работы ветродвигателя тот, при котором скорость потока за ветроколесом будет равна 2/3 от первоначальной скорости потока, которая будет набегать на ветроколесо.

Коэффициент использования энергии

Это число, которое показывает, какая часть мощности воздушного потока будет полезно использоваться ветроколесом. Этот коэффициент обозначается обычно греческой буквой χ (кси). Величина его зависит от ряда факторов, таких как тип ветромотора, качества изготовления и формы его лопастей и прочих факторов. Для быстроходных ветродвигателей, которые имеют обтекаемую аэродинамическую форму крыльев, коэффициент χ составляет примерно от 0,42 до 0,46. Это значит, что машины такого типа могут превращать в полезную механическую работу порядка 42%-46% ветрового потока, проходящего через установку. Для тихоходных же машин данный коэффициент составляет порядка 0,27 – 0,33. Теоретическое максимальное значение χ для идеальных крыльчатых ветродвигателей составляет примерно 0,593. Крыльчатые установки получили довольно широкое распространение, и они массово начали выпускаться промышленностью. Их разделяют на две группы:

• Быстроходные – число лопастей до 4;

Тихоходные – от 4 до 24 лопастей;

Быстроходные и тихоходные ветродвигатели

Быстроходность является одним из преимуществ, так как делает более простой передачу энергии ветра таким быстроходным устройствам как электрогенератор. Более того, они более легкие и имеют более высокий коэффициент использования скорости ветра, чем тихоходные, как это упоминалось выше.

Однако кроме достоинств, у них есть и серьезный недостаток, такой как в несколько раз меньший вращающий момент при неподвижном ветроколесе и при одинаковых диаметрах колес и скорости ветра, чем у тихоходных установок. Ниже приведены две аэродинамические характеристики:

Где пунктиром показано 18-лопастное ветроколесо, а сплошной – 3ех лопастное. По горизонтальной оси отложено число модулей Z ветроколеса или его быстроходность. Данная величина определяется отношением скорости ωхR конца лопасти к скорости ветра V.

Из характеристики ветродвигателя можно сделать вывод, что каждая скорость ветра может иметь только единственное число оборотов, при котором можно получить максимальный χ. Кроме того, при наличии одинаковой скорости ветра тихоходное устройство будет иметь момент в несколько раз больший, чем быстроходное, и соответственно оно начнет работать при скорости ветра меньшей, чем быстроходное. Это довольно значительный фактор, так как увеличивает количество часов работы ветродвигателя.

Крыльчатые ветродвигатели

Принцип их работы основывается на аэродинамических силах, которые возникнут на лопастях ветроколеса, когда на них набежит воздушный поток. Для того, чтоб увеличить мощность крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (чем ближе к валу – тем больше углы, а на конце меньшие). Схема показана ниже:

Имеется три основные части данного механизма – лопасть, мах, с помощью которого колесо крепится к ступице. Угол заклинения φ – угол между плоскостью вращения колеса с лопастью. Угол атаки α – угол набега ветра на элементы лопасти.

При заторможенном ветроколесе направления потока, набегающего на лопасть, и направление ветра совпадали (по стрелке V). Но поскольку колесо имеет какую-то скорость вращения, то соответственно каждый из элементов лопасти будет иметь определенную скорость ωxR, которая будет увеличиваться с отдалением от оси колеса. Поэтому поток, обдувающий лопасть с какой-то скоростью будет состоять из скорости ωxR и V. Данная скорость имеет название относительной скорости потока и имеет обозначение W.

Так как только при определенных углах атаки существует наилучший режим работы ветродвигателя крыльчатого, то углы заклинения φ приходится делать переменными по всей длине лопасти. Мощность ветрового двигателя, как и любого другого, определяется произведением угловой скорости ω на его момент М: P = Mxω. Можно сделать вывод, что с уменьшением количества лопастей момент М тоже снизится, однако возрастет количество оборотов ω. Именно поэтому, мощность Р = Mxω останется почти постоянной и будет слабо зависеть от количества лопастей ветряка.

Другие типы ветродвигателей

Как известно кроме крыльчатых, существуют еще и барабанные, карусельные и роторные ветродвигатели. У карусельных и роторных типов ось вращения вертикальная, а в барабанных – горизонтальная. Пожалуй, главным отличием крыльчатых ветродвигателей от барабанных и карусельных будет то, что у крыльчатых работают все лопасти одновременно, в то время как у барабанных и карусельных работает лишь та часть лопастей, движение которых будет совпадать с направлением движения ветра.

Для уменьшения сопротивления лопастей, которые идут навстречу ветру, их либо делают изогнутыми, либо прикрывают ширмой. Вращающий момент при использовании такого типа двигателя возникает за счет разного давления в лопастях.

Поскольку роторные, карусельные и барабанные типы ветродвигателей имеют довольно низкую эффективность (χ для данных типов не превышает 0,18), а также довольно громоздкие и тихоходные на практике они не получили массового применения.

Рост производства энергии за счет использования не возобновляемых природных ресурсов ограничен порогом, за которым стоит полная выработка сырья. Альтернативная энергетика, включая ветрогенерацию энергии, обеспечит снижение нагрузки на среду обитания.

Движение любой массы, в том числе и воздушной, порождает энергию. Ветряной двигатель преобразует кинетическую энергию воздушного потока в механическую. Это устройство основа ветроэнергетики, альтернативного направления в использовании природных ресурсов.

Эффективность

Оценить энергетическую эффективность агрегата определённого типа и конструкции, сравнить её с показателями подобных двигателей довольно просто. Необходимо определить коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). Рассчитывается он как отношение мощности, полученной на валу ветродвигателя, к мощности ветрового потока, действующего на поверхность ветроколеса.

Коэффициент использования энергии ветра для различных установок составляет от 5 до 40%. Оценка будет неполной без учёта затрат на проектирование и строительство объекта, количества и стоимости генерируемой электроэнергии. В альтернативной энергетике срок окупаемости затрат на ветродвигатель является важным фактором, но также обязателен учёт полученного экологического эффекта.

Классификация

Ветродвигатели по принципам использования выработанной энергии делятся на два класса:
линейные;
циклические.

Линейного типа

Линейный или мобильный ветродвигатель преобразует энергию потока воздуха в механическую энергию движения. Это могут быть парус, крыло. С инженерной точки зрения это не ветродвигатель, а движитель.

Циклического типа

В циклических двигателях сам корпус неподвижен. Потоком воздуха вращаются, совершая циклические движения, его рабочие части. Механическая энергия вращения наиболее подходит для выработки электричества, универсального вида энергии. К циклическим ветродвигателям относят ветроколеса. Ветроколеса начиная от древних ветряных мельниц кончая современными ветроэнергетическими установками, различаются по конструкционным решениям, по полноте использования силы воздушного потока. Устройства делятся на быстроходные и тихоходные, а также по горизонтальному или вертикальному направлению оси вращения ротора.

Горизонтальные

Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения называют крыльчатыми. На вале ротора закрепляются несколько лопастей (крыльев) и маховик. Сам вал расположен горизонтально. Основные элементы устройства: ветроколесо, головка, хвост и башня. Ветроколесо монтируется во вращающейся вокруг вертикальной оси головке, в которой крепится вал двигателя, размещаются передаточные механизмы. Хвост исполняет роль флюгера, разворачивая головку с ветроколесом против направления потока ветра.

При высоких скоростях перемещения потоков воздуха (15 м/с и выше) рационально применение быстроходных горизонтальных ветродвигателей. Двух, трёх лопастные агрегаты от ведущих производителей обеспечивают КИЭВ 30%. Самостоятельно изготовленный ветродвигатель имеет коэффициент использования воздушного потока до 20%. Эффективность работы устройства зависит от тщательного расчёта и качеством изготовления лопастей.

Крыльчатые ветродвигатели и ветроустановки обеспечивают высокую скорость вращения вала, что позволяет передать мощность непосредственно на вал генератора. Существенным недостатком является, что при слабом ветре подобные ветряные двигатели не будут работать вообще. Существуют проблемы запуска при переходе от безветрия к усилению ветра.

Тихоходные горизонтальные двигатели имеют большее количество лопастей. Значительная площадь взаимодействия с воздушным потоком делает их более эффективными при слабых ветрах. Но установки обладают значительной парусностью, что требует принятия мер по их защите от порывов ветра. Лучший показатель КИЭВ 15%. В промышленных масштабах такие установки не используются.

Вертикальные карусельного типа

В подобных устройствах на вертикальной оси колеса (роторе) устанавливаются лопасти, принимающие поток воздуха. Корпус и система заслонок обеспечивает попадание ветрового потока на одну половину ветроколеса, полученный результирующий момент приложения сил обеспечивает вращение ротора.

По сравнению с крыльчатыми агрегатами карусельный ветродвигатель вырабатывает больший момент вращения. При увеличении скорости потока воздуха он быстрее выходит на рабочий режим (по силе тяги), стабилизируется по оборотам вращения. Но такие агрегаты тихоходны. Для преобразования вращения вала в электрическую энергию требуется специальный генератор (многополюсный), способный работать на малых оборотах. Генераторы подобного типа мало распространены. Применение системы редукторов ограничено низким КПД.

Карусельный ветродвигатель проще эксплуатировать. Сама конструкция обеспечивает автоматическое регулирование числа оборотов ротора, позволяет отслеживать направление ветра.

Вертикальные: ортогональные

Для большой энергетики наиболее перспективны ортогональные ветродвигатели и ветроустановки. Диапазон использования подобных агрегатов, по скорости ветра, от 5 до 16 м/с. Вырабатываемая ими мощность доведена до 50 тыс. квт. Профиль лопасти ортогональной установки подобен профилю крыльев самолёта. Чтобы крыло начало работать надо подать на него поток воздуха, как во время разбега самолёта при взлёте. Ветродвигатель тоже надо предварительно раскрутить, затратив энергию. После выполнения этого условия установка переходит в режим генератора.

Выводы

Энергия ветра один из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии. Опыт промышленного использования ветродвигателей и ветроустановок показывает, что эффективность зависит от размещения ветрогенераторов в местах, с благоприятными воздушными потоками. Использование современных материалов в конструкциях агрегатов, применение новых схем генерации и накопления электроэнергии обеспечит дальнейшее повышение надёжности и энергоэффективности ветродвигателей.

Крылья ветроколеса являются наиболее важной частью ветряка. От формы их лопастей зависят мощность и обороты ветрогенератора.

Мы не будем останавли­ваться в этой брошюре на расчете новых крыльев ввиду слож­ности этой задачи, а воспользуемся готовыми крыльями, име­ющими определенную форму и отличающимися высоким коэф­фициентом использования энергии ветра и большой быстро­ходностью. Нам необходимо лишь решить вопрос, как опреде­лить размеры новых крыльев на желаемую мощность, исходя из размеров известных крыльев при сохранении первоначальной их характеристики.

Примем для маломощных ветряков быстроходное двухлопастное ветроколесо со следующей из­вестной из практики характеристикой:

Коэффициент использования энергии ветра ………………………………0,35

Под быстроходностью ветроколеса надо понимать отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра

Принимая одну и ту же быстроходность, равную 7, для ветроколес разных диаметров, мы будем получать разные обороты ветроколес при одной и той же скорости ветра. Наи­большие обороты будет развивать ветроколесо с наимень­шим диаметром. Вообще обороты ветроколес с равными быстроходностями будут относиться друг к другу обратно про­порционально их диаметрам, т. е.

Это значит ветроколесо с диаметром D 1 будет делать обо­ротов в минуту во столько раз больше, во сколько диаметр этого ветроколеса D 1 меньше диаметра D 2 другого ветроколеса. Например, если ветроколесо с диаметром 1,5 м делает 714 об/мин, то ветроколесо с диаметром 3 м будет делать 357 об/мин, т. е. в два раза меньше, хотя быстроходности их одинаковы.

Для удобства подсчета размеров лопастей ветроколес раз­ных диаметров, но с одинаковой быстроходностью в табл. 4 даны размеры двухлопастного ветроколеса с диаметром, рав­ным 1 м. Вверху таблицы дан рисунок лопасти с буквенными обозначениями ее размеров, а под рисунком в таблице дают­ся цифровые значения этих размеров.

Слева в 4 графах приведены размеры лопасти к левому рисунку; справа в 10 графах даны размеры пяти профилей этой лопасти. Как проставлять размеры профиля, показано на рисунке таблицы справа.

Чтобы соблюсти принятую характеристику ветроколеса с изменением его диаметра, необходимо все размеры данных лопастей изменить в том же отношении, в каком мы изменяем диаметр ветроколеса. При этом у нас будет соблюдено гео­метрическое подобие, без чего нельзя было бы воспользо­ваться этим способом пересчета.

Так как ветроколесо с размерами, приведенными в табл. 4, имеет в диаметре 1 м, то отношение диаметра другого вет­роколеса к единице будет равно D, т. е.

Следовательно, чтобы получить размеры лопасти ветроколеса с другим диаметром, необходимо каждый размер, приведенный в табл. 4, умножить на величину этого диаметра. Неизменными должны оставаться лишь углы заклинения каждого сечения лопасти и число их. Например, для ветроколеса диаметром 1,2 м необходимо каждый размер табл. 4 умножить на 1,2, при этом получим:

Для увеличения таблицы кликните на ней мышкой

Чтобы получить законченную форму лопасти, необходимо по размерам, п

одсчитанным в табл. 5, построить на листе бу­маги точки для пяти профилей лопасти и обвести по точкам контуры с помощью лекала, как показано на фиг. 13. Про­фили каждою сечения вычерчивают в натуральную величину с тем, чтобы по ним можно было при изготовлении лопасти вырезать шаблоны.

Для генератора мощностью в 1 квт необходимо ветроколесо диаметром 3,5 м. Чтобы получить размеры лопасти этого ветроколеса, необходимо приведенные в табл. 4 размеры ветроколеса диаметром 1 м умножить на 3,5 и составить табли­цу, а затем вычертить профили лопасти, которые потребуются при изготовлении.

Мощности и обороты двухлопастных ветроколес с данной выше характеристикой приведены в табл. 6.

Этой таблицей необходимо пользоваться при выборе диа­метра ветроколеса данной мощности и определения переда­точного отношения редуктора, если обороты генератора ока­жутся больше оборотов ветроколеса, развиваемых им при скорости ветра 8 м/сек.

Например, при использовании для ветроэлектрического аг­регата генератора автомобильного типа ГБФ мощностью в 60 вт при 900 об/мин подходит ветроколесо, имеющее D==1,2 м, мощностью 0,169 л. с. при 895 об/мин (см. первые две строчки табл. 6).

данном случае ветроколесо можно закреплять на валу гене­ратора. Получается самый простой и удобный в эксплоатации ветроэлектрический агрегат.

Если бы мы задумали построить ветроэлектрический агре­гат мощностью 400 вт, то необходимо было бы принять диа­метр ветроколеса 3 м, которое при скорости ветра 8 м/сек развивает 1,060 л. с. или 1,060 X 0,736 = 0,78 квт. Принимая к. п. д. генератора равным 0,5, получим:

Ветроколесо при скорости ветра 8 м/сек развивает 357 об/мин, а генератор при мощности в 390 вт требует 1 000 об/мин. Следовательно, в данном случае требуется ре­дуктор, повышающий обороты в передаче от ветроколеса к генератору. Редуктор должен повысить обороты в отношении.

Величину 2,8 называют передаточным отноше­нием. С помощью этого отношения определяют число зубьев шестерен редуктора. Например, если мы примем у ше­стерни, насаженной на вал генератора, 16 зу.бьев, то у веду­щей шестерни, сидящей на валу ветроколеса, должно быть

Быстроходные ветроколеса страдают очень существенным недостатком, заключающимся в том, что они плохо тро­гаются с места, следовательно, они могут начинать рабо­тать только при высоких скоростях ветра.

Многим начинающим ветротехникам кажется, что, чем больше число лопастей у ветроколеса, тем большую мощность оно будет развивать. Это представление ошибочно. Два вет­роколеса малолопастное и многолопастное с одинаково хоро­шо построенными лопастями и с одинаковыми диаметрами ометаемой поверхности будут развивать одинаковую мощ­ность. Объясняется это тем, что раз они одинаково хорошо выполнены, то и коэффициенты использования энергии ветра их будут равны, т. е. они будут одинаковое количество энер­гии передавать рабочей машине. Количества же поступающей энергии ветра на то и другое ветроколесо равны, так как рав­ны их ометаемые поверхности. Что же касается оборотов, то они будут тем больше, чем меньше лопастей, если они у того и другого ветроколеса имеют одинаковую ширину; иначе го­воря, число оборотов тем больше, чем меньше общая по­верхность лопастей, образующих ометаемую поверхность.

Как определить размеры крыльев самодельного ветряка (ветрогенератора) на заданную мощность

Расчёт лопастей ветрогенератора

Об оптимальном угле атаки пропеллерного ветряка

В методиках по расчету ветряков встречается рекомендация задаваться углом атаки, при котором достигается максимальное аэродинамическое качество лопасти. Т.е. предлагается строить касательную к поляре из начала координат, и координаты точки касания принимать за исходные для расчета ветряка. Скорее всего, имеется в виду аналогия с авиацией, где с увеличением отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению растет продолжительность планирования самолета. Или предлагается использовать лопасти с максимальной подъемной силой. Работа ветряка происходит по другим законам.

Рис. 1 Аэродинамические силы в ветряке

На рис.1 представлена схема воздействия аэродинамических сил на лопасть. Скорость ветра при подходе к ветряку замедляется на некоторую величину a , которая по теории Жуковского (Бетца) равна 2/3, а по теории Сабинина 0,586. Окружное движение лопастей дает дополнительную составляющую скорости, которую можно найти, если считать лопасти неподвижными, а воздух движущимся в противоположном вращению направлении. Эти две составляющие складываются по правилу треугольника и дают суммарный вектор набегания потока на плоскость ветроколеса. Скоростной угол ψ определяется отношением a / Z и не зависит от скорости ветра:

Здесь и далее все расчеты ведутся для кончика лопасти. Для других сечений необходимо заменить везде в формулах Z на выражение Zr / R , где Z – быстроходность определяемая, как отношение скорости ветра к скорости кончика лопасти; R – радиус ветряка; r – радиус выбранного сечения.

Скоростной угол ψ складывается из угла атаки α и угла установки лопастей β. Угол атаки находится по характеристикам лопасти, поэтому, задавшись быстроходностью ветряка, удается задачу расчета лопастей сделать однозначной.

Набегающий на лопасть поток вызывает две силы: силу лобового сопротивления X , направленную навстречу потоку, и подъемную силу Y , перпендикулярную ему.

C X , C Y – коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы;

ρ – плотность воздуха;

S – площадь элемента лопасти;

V наб. – величина вектора набегания, который в свою очередь равен:

Последнее слагаемое в скобках очень мало, и в быстроходных ветряках скорость набегания практически равна окружной скорости лопасти.

Окружная сила получается как разность проекции подъемной силы и проекции лобового сопротивления на плоскость вращения.

Выражение в последних скобках можно назвать аэродинамическим коэффициентом окружной силы или кратко окружным коэффициентом

Мощность ветряка есть произведение окружной силы на окружную скорость

Эта формула дает не мощность ветряка, а мощность элемента лопасти, расположенной на кончике. Мощность ветряка вычисляется интегрированием по радиусу, но цель статьи в другом.)

Рассмотрим поляру лопасти на рис.2.

Рис. 2 Нахождение коэффициента окружной силы.

Проведем к поляре касательную OA . И построим скоростную прямую OZ , которая задается уравнением

Т.е. скоростная прямая образует с осью Cy скоростной угол ψ, рассмотренный ранее.

OB равно величине подъемной силы в точке А. Следовательно:

Угол ABD равен углу ψ, а гипотенуза AB есть коэффициент лобового сопротивления в точке A . Поэтому катет BD равен:

Отрезок DE есть разность двух отрезков

Получилось то же выражение, что и в формуле мощности ветряка. Все остальные составляющие в формуле мощности заданы, поэтому мощность определяется этим отрезком или, иначе говоря, расстоянием от скоростной линии OZ до рабочей точки. Из графика видно, что коэффициент Сокр максимален в точке касания скоростной линии Z’ к поляре, а не в точке максимального аэродинамического качества. Поэтому, задавшись быстроходностью и построив скоростную линию, можно наглядно анализировать работу ветряка.

Профиль ЦАГИ Р -ll-12

На рис. 3 приведен профиль ЦАГИ Р- ll -12, наложенный для сравнения на популярный в ветряках профиль CLARK – Y. Поляра профиля ЦАГИ Р- ll -12 для удлинения 5 приведена на рис. 4

Рис. 3 Профили ЦАГИ Р- ll -12 и CLARK – Y

Поляра слева приведена в обычном виде с разным масштабом по осям координат. На правой поляре, вычерченной в одинаковом масштабе, выполнены те же построения. Скоростная прямая при Z = 2 дает максимум окружного коэффициента при угле атаки в 16о. Точка максимального аэродинамического качества достигается при угле атаки в 2 градуса. В этой точке окружной коэффициент примерно в три раза меньше чем в точке оптимума. Безусловно, в ветряке можно выбрать за рабочий угол атаки 2 градуса. Мощность ветряка зависит от энергии ветра. Поэтому уменьшившийся в три раза окружной коэффициент необходимо будет компенсировать, увеличив в три раза хорду лопасти. (Рассматривается идеализированный случай) В квадрате, в 9 раз, возрастет объем лопасти. При увеличении площади увеличиваются потери на трение. Падает КИЭВ. Уменьшается удлинение лопасти, возрастает ее индуктивное сопротивление. В точке максимального аэродинамического качества ветряк лучше согласован по степени торможения воздуха в плоскости ветряка и величине окружной силы. Согласование повышает КИЭВ. Поэтому расчет должен вестись с учетом всех факторов. Здесь рассматривается только величина окружного коэффициента и зависящая от нее напрямую ширина лопасти.

Рис.4 Поляра профиля ЦАГИ Р- ll -12

При увеличении быстроходности точка оптимума (по минимуму ширины лопасти) приближается к точке максимального аэродинамического качества. При быстроходности 6 и угле атаки 8о выигрыш в окружном коэффициенте, а значит и в ширине лопастей по сравнению с 2о, составляет 1,5 раза. Но из анализа поляр следует вывод, что при больших значениях быстроходности есть смысл выбирать рабочую точку ниже по поляре. При недостаточной нагрузке или отсутствии нагрузки в аварийном режиме ветряк набирает скорость, идет в разнос. Скоростной угол уменьшается, а поскольку угол установки в нерегулируемых ветряках остается постоянным, то уменьшается угол атаки. Рабочая точка смещается вниз, а скоростная прямая приближается к поляре. При некоторой быстроходности окружной коэффициент станет равным нулю. Наступление этого момента (граничная величина Z) при разносе зависят от начального положения рабочей точки. Чем начальная точка выбрана ниже, тем меньшую скорость разноса наберет ветряк. Но это утверждение надо проверить на практике.

При построении скоростной прямой Z = 6 хорошо видно, что поляра в диапазоне углов атаки от 3 до 12 градусов идет почти параллельно скоростной прямой. Это дает объяснение тому, что применение разнообразных теорий и концепций по расчету ветряков, практически не сказываются на работе спроектированного быстроходного ветряка.

Сечения лопастей, расположенные ближе к оси, движутся медленнее, чем внешние сечения, поэтому их скоростные прямые лежат ниже. У внутренних сечений точка оптимума, т.е. максимальное значение окружного коэффициента, лежит на больших углах атаки, поэтому угол установки и крутка лопастей, сложная в техническом отношении, уменьшается.

В результате построения скоростных прямых получается семейство оптимальных точек для разных быстроходностей. Какая из этих точек является самой оптимальной? Какую быстроходность надо предпочесть? В формулу мощности ветряка быстроходность Z входит в третьей степени, а окружной коэффициент в первой. Поэтому, перемножив окружные коэффициенты на соответственные им кубы быстроходностей, получим ряд максимумов, из которых можно выбрать максимальный. Максимум-максиморум лежит примерно в районе половинного аэродинамического качества, при быстроходности

Здесь К – это максимальное отношение Cy / Cx . Для рассматриваемого профиля максимум наступает при угле атаки 2 градуса и равен 24.

У данной лопасти аэродинамическое качество равно 24, следовательно, максимум-максиморум будет в районе Z = 10. Эта оценка приблизительная, для того, чтобы понимать порядок величин.

По левому графику на рис.4 проводить построения окружного коэффициента нельзя. Там разный масштаб по осям, искажаются прямые углы и искажаются длины. По правому графику можно определить, что

при Z =2 произведение Z3Cокр равно:

Т.е. при быстроходности Z = 10 ширина лопастей на кончике уменьшается по сравнению с довольно быстроходным пропеллером Z = 6 в 2,3 раза.

Еще раз обращу внимание, что точка максимум-максиморума дает миинимальную ширину лопастей, а не максимальную мощность. Мощность определена ветром. И еще мощность определена потерями, т.е. КИЭВ ветряка, которые здесь не рассматриваются.

Программа – Проектировочный и поверочный аэродинамические расчеты ветрогенератора – файл ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ.doc

ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ.doc

Расчет аэродинамических характеристик лопасти ветрогенератора и определение ее геометрических параметров.

B – число лопастей

В отчете приведены результаты расчетов аэродинамических характеристик лопасти ветроколеса и ветряка в целом. Представлены геометрические характеристики лопасти.

^ 1. Исходные данные для расчета.

Расчетная скорость ветра V=12 м/с.

Из опыта создания ветрогенераторов подобного класса значение относительной скорости находится в пределах 6…8. Коэффициент использования энергии ветра (или коэффициент мощности Ср), у существующих ветрогенераторов, находится в пределах 0,43…0,47. Скорость конца лопасти находится в пределах до 80…100 м/с. Это ограничение связано с аэродинамическим шумом и эрозионным износом лопасти. В качестве аэродинамического профиля сечений лопасти ветрогенератора применим профиль серии NACA 44100, который в настоящее время широко используется. Применение ламинарных профилей позволяет получить более высокие характеристики, но при условии высокой точности изготовления, отсутствие загрязнений поверхности лопасти, отсутствие вибраций конструкции и турбулентности потока ветра. Не соблюдение выше перечисленных условий снижает характеристики ветрогенераторов с ламинарными профилями лопастей на 25…30%.

Относительная скорость =7.

^ Таблица 1. Координаты профиля NACA 44100.

Где: – новая относительная толщина профиля.

Относительная скорость (быстроходность) =7.

Рисунок 2. Мощность ветроколеса и обороты от скорости ветра (=7).

Как видно из результатов расчетов, спроектированное ветроколесо удовлетворяет требования исходных данных и практике создания ветряков данного класса.

Построение геометрии лопасти выполнено следующим образом. Направление вращения ротора – против часовой стрелки, если смотреть по направлению ветра. Углы установки сечений указаны от плоскости вращения. Положительное значение – против направления ветра (Рисунок 3).

Результирующие геометрические данные лопасти представлены в Таблице 2

В электронном виде данные для построения геометрии лопасти представлены в файлах:

VG100.scr – скрипт-файл (или файл сценария) для программы

VG100.dwg – построенная в AutoCAD модель лопасти (Рисунок 4) по данным из файла VG100.scr.

VG100.CATPart – построенная в CATIA модель лопасти (Рисунок 5)

Рисунок 4. Каркасная модель лопасти.

1. Patrick J. Moriarty, AeroDyn Theory Manual, National Renewable Energy Laboratory, December 2005 NREL/EL-500-36881.

2. John Wiley & Sons, Wind Energy Explained – Theory, Design And Application,

3. Е. М. Фатеев, Ветродвигатели и ветроустановки, ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ,М., 1948 г.

4. Х. Пигот, Расчет лопастей ветряков, 2000 г.

5. Г. Глауэрт, Основы теории крыльев и винта, ГНТИ, 1931 г.

6. Е. Макаров, Инженерные расчеты в Mathcad 14, ПИТЕР, 2007 г.

ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ - Программа - Проектировочный и поверочный аэродинамические расчеты ветрогенератора - ТЕХНИЧЕСКИЙ

Очень часто люди заблуждаются в том что многолопастные винты для слабого ветра, а трех-двух лопастные для сильного. И многие считают что для слабых ветров более эффективен именно многолопастной винт, ведь много лопастей, от этого тяга выше, больше ветра охватывают лопасти, крутящий момент выше, и следовательно мощность, но это не так. Из за большего количества лопастей выше стартовый момент, поэтому если генератор имеет сильное магнитное залипание, то приходится что-то делать чтобы увеличить стартовый момент, и обычно это добавление лопастей.

Давайте представим сначала одну лопасть и действующие на нее физические факторы. Лопасть имеет крутку, углы относительно потока ветра, и ветер налегая на нее, заставляет лопасть под давлением двигаться (выдавливаться вперед по оси вращения). Но лопасть двигаясь в своей плоскости преодолевает лобовое (фронтальное) сопротивление плотного воздушного потока. Этот поток и тормозит лопасть не давая ей набрать больше оборотов, и чем выше обороты, тем выше аэродинамическое сопротивление.

Если же лопастей больше чем одна, две-три, или 12 штук, то аэродинамическое сопротивление всех лопастей не остается равным одной, оно складывается, потери складываются в общие и обороты винта падают. Много энергии тратится просто на вращение. Плюс проходящие лопасти сильно возмущают поток закручивая его, от этого позади идущие лопасти получают еще большее лобовое сопротивление и снова тратится отнимаемая у ветра мощность и падают обороты. Именно на обороты тратится много мощности отбираемой у ветра.

Так же когда по кругу целый лес из лопастей, то ветру становится труднее проваливаться сквозь винт. Ветроколесо задерживает поток ветра, спереди винта образуется воздушная "шапка", и новые порции ветра натыкаясь на эту "шапку" рассеиваются в стороны. Знаете как ветер огибает препятствия, вот так и винт для ветра как сплошной щит.

>

Но многие подумают что чем больше лопастей тем больше энергии можно отнять у ветра за единицу времени, но это тоже не так, здесь важно не количество лопастей, а обороты и быстроходность винта. Например 6 лопастей скажем при 60об/м сделают один оборот пропустив куб ветра и отняв у него некую порцию энергии, а 3 лопасти сделают два оборота за это же время, и отнимут столько же энергии. Если поднять быстроходность еще, то отнимется больше энергии. Не важно сколько лопастей, одна или десять, так как одна лопасть вращаясь в десять раз быстрее отнимет столько же энергии, сколько и десять медленно вращающихся лопастей.

Быстроходность ветроколеса.

Так же чем быстрее движется лопасть тем сильнее изменяется угол атаки ветра на лопасть. Давайте представим что вы сидите в машине и вам в боковое стекло бьет снег, но когда вы начнете ехать, то снег уже будет бить и в лобовое, а когда вы наберете скорость, то снег уже будет бить напрямую в лобовое стекло, хотя когда вы остановитесь снег снова будет бить сбоку. Так и лопасть когда наберет скорость, то ветер будет налегать на нее под другим углом. Поэтому кончик лопасти делают всего 2-5 градусов, так как разогнавшись она выйдет на оптимальный угол атаки ветра и будет отнимать максимум возможной энергии. В середине лопасти быстроходность в два раза меньше, поэтому и угол в два раза больше, 8-12градусов, а у корня еще больше, ведь там быстроходность в разы меньше.

>

Для быстроходных малолопастных винтов углы делаются меньше. Например для трехлопастных винтов обычная быстроходность около Z5, то-есть винт имеет максимальную мощность вращаясь со скоростью в пять раз выше скорости ветра. В этом случае кончик лопасти имеет около 4 градуса, середина 12 градусов, а у корня около 24 градуса.Если лопастей шесть, то быстроходность в два раза ниже, значит и углы в два раза больше. Ну и еще чем тоньше лопасть и меньше ее площадь, тем она быстроходнее, и меньше ее аэродинамическое сопротивление, поэтому и три лопасти если они широкие будут иметь низкую быстроходность, а шесть или двенадцать тонких, узких лопастей будут иметь большую быстроходность.

В итоге например трехлопастной и шестилопастной винт будут иметь равную мощность на малом ветру, потому что три лопасти быстроходностью Z5 сделают в два раза больше оборотов чем шесть лопастей быстроходностью Z2,5 за тоже время, а значит отнимут у ветра тоже количество энергии. Но на более сильном ветру шестилопастной винт проиграет и сильно трехлопастному, так как три лопасти имеют меньшее аэродинамическое сопротивление и смогут набрать большие обороты, и следовательно отработать за единицу времени с большим количеством ветра, ведь чем быстрее лопасть движется, тем больше мощности у ветра она отберет.

Единственный плюс что чем больше лопастей, тем лучше стартовый момент, и если генератор имеет магнитное залипание, то многолопастной винт будет стартовать раньше, но крутящий момент и мощность будут выше у малолопастных винтов.

Да, и крутящий момент, так как скоростной винт наберет обороты, углы лопасти станут оптимальны для реально набегающего на лопасть потока ветра, а мы знаем что реальный угол меняется в зависимости от скорости движения самой лопасти и крутящий момент будет выше, так как меньше потери энергии на лобовое сопротивление лопастей.

Так-же многолопастные винты более тяжелые, а значит работают как маховик. Если колесо набрало обороты, то сам винт запасает энергию и его труднее резко остановить, но и когда ветер подует сильнее этот маховик надо еще раскрутить, поэтому многолопастные винты хуже реагируют на изменение силы ветра, и кратковременные порывы ветра могут даже не заметь. А легкие винты могут дать энергию даже с короткого порыва ветра. Это хорошо заметно по амперметру когда наблюдаешь за силой тока. Шестилопастной работает более мягко, нет больших скачков по току. А трехлопастной отрабатывает каждый порыв и стрелка живо бегает туда сюда, а ведь это энергия, которая в итоге накапливается в аккумуляторе, и разница в отдаче может быть очень значима, особенно на порывистом ветре и если мачта установлена низко где поток ветра турбулентный.

Еще один фактор это обороты, многолопастной винт значит тихоходный, значит и генератор такой-же, значит генератор больше, магнитов больше, провода обмотки больше, вес железа больше, в итоге и цена значительно больше. А генератор это обычно самая дорогая часть ветрогенератора. И обороты имеют самую важную роль, ведь чем выше обороты винта при той-же скорости ветра тем генератор выдаст больше мощности, и тут если оборотов не хватает, то или генератор больше и мощнее, или мультипликатор придумывать.

Но везде есть свои но, конечно самые дешевые и эффективные винты однолопастные, но их нужно делать очень точно и отбалансированно, все рассчитывать, аэродинамика лопасти должна быть идеальной, иначе вибрации и биения винта, а потом и развалившийся ветряк вам гарантированы. В принципе по этому даже заводские однолопастные ветряки почти никто не выпускает. Более оптимальными оказались трехлопастные винты, они не такие скоростные, поэтому и некоторый дисбаланс винта не страшен, но и обороты высокие, а значит и генератор дешевле.

Но все таки скоростные лопасти требуют правильной аэродинамики, иначе вся эффективность может упасть в разы. Поэтому в домашних условиях часто проще, хоть и дороже делать грубый, большой, малоэффективный, но простой в изготовлении ветряк, без всяких расчетов и походу его улучшать, переделывать, и опять переделывать, и наконец или набраться знаний и довести все до ума, или бросить и сказать что все это фигня, купил у китайцев и не мучайся, все равно лучше чем на заводе не сделаешь, только деньги зря на ветер выкенеш.