Лекция №10 Определение нагрузки на ветроколесо (вк) (лобовое давление)
U0 U 2
P0
A1
P2
z 
ΔP
FЛ
Р0
Р2
(1)
(2)
Нагрузка, испытываемая ВК (то есть сила, действующая на ВК со стороны воздушного потока) определяется разностью давления в набегающем воздушном потоке до и после ВК.
U0 и U2 – скорость воздушного потока до и после ВК.
Р0 и Р2 – давление ветрового потока до и после ВК.
Воздушный поток можно рассматривать, как течение идеальной несжимаемой жидкости, описываемым уравнением Бернулли (1).
z – высота потока относительно уровня земли.
ρ – плотность.
Этот воздушный поток можно рассмотреть как течение несжимаемой жидкости, описываемой уравнением Бернулли. Воспользуемся им для определения нагрузки.
Изменение z и ρ в данном уравнении не значительны, по сравнении с другими параметрами, поэтому ими можно пренебречь.
Максимальный перепад давления будет при условии, что U2 = 0.
(3)
Максимальная нагрузка действующая на ВК:
(4)
– лобовое давление
В горизонтально-осевых ВЭУ – эта сила действующая по оси ветрового колеса, называется лобовым давлением.
Сила, действующая на ВК, записывается через изменение импульса в единицу времени:
(5)
Из (5) выразим:
;
;
(6)
Приближение используемой модели равен силе, действующей, находящейся в потоке:
(7)
-
коэффициент лобового давления
при
а = ½ (при U2
= 0).
Согласно критерию Бетца достигается при А = 1/3 → СF = 8/9.
Согласно
резко возрастает с увеличением скорости
ветра, поэтому ВК выдерживает только,
если U0
≤ 25 м/с.
Для предупреждения разрушения ВК используют следующие меры:
1) поворот ВК или его лопастей в нерабочее положение;
2) уменьшение снимаемой мощности и соответственно лобового давления;
3) применение в ВК неподвижных лопастей такого профиля, который обеспечивает его самоторможение при больших скоростях ветра;
4) принудительная остановка ВК.
Режимы работы вк
Быстроходность. ВК в отличие от гидротурбин обтекается практически безграничным потоком воздуха, поэтому здесь нет возможности отвести прошедший через ВК воздух за пределы набегающего потока - это ограничивает эффективность ВЭУ.
Наиболее существенное ограничение, уже отработанный поток должен иметь достаточную скорость, чтобы покинуть окрестности колеса, чтобы не создавать помеху другим потокам.
Согласно критерию Бетца ВК может преобразовывать не более 59% потока.
Рассмотрим подробнее условия, при которых КПД может достигать 59%.
Эффективность преобразования вк энергии воздушного потока:
1) лопасти расположены так тесно или ВК вращается так быстро, что каждая лопасть движется в потоке турболизированном расположенными впереди лопастями.
2) лопасти расположены так редко или ВК вращается так медленно, что значительная часть воздушного потока будет проходить поперечное сечение ВК, не взаимодействуя с его лопатками.
Отсюда следует, что для достижения максимальной эффективности частота вращения ВК, заданно геометрии, должна как-то соответствовать скорости ветра.
Вводится z – быстроходность:
(8)
где UR – окружная скорость конца лопастей;
Uо – невозмущенная скорость набегающего воздушного потока;
ω – угловая скорость ВК.
Быстроходность – основной параметр подобия при исследовании и конструировании ВЭУ, так как связывает все три величины.
Установлено, что для ВК имеющего N лопастей, z оптимальное равно:
Коэффициент мощности Ср зависит от z
-
критерий Глауэрта.
Например, если n=4 коэффициент мощности максимален при z=3.