7.3.2. Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя

Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при дви­жении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в про­тивоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем слу­чае. Устройство такого колеса показано на рис. 7.11.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у со­временных ветродвигателей бывает от двух и больше. Крыло ветроко­леса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоскостью вращения некоторый угол р. Этот угол называ­ют углом заклинения лопасти (рис. 7.11).

При этом на её элементы набегает воздушный поток с относитель­ной скоростью W под углом а, который называют углом атаки, и дей­ствует с силой R. Углы р и а в значительной мере определяют эффек­тивность крыльев.

С

I

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получают­ся при некотором значении угла атаки а , т. е. угла наклона относитель­ного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скорость по длине крыла не одинакова, а возрастает по мере удаления его эле­ментов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набега­ния потока на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки а, и при некоторой окружной скорости со ■ R, где со угловая ско­рость, этот угол станет отрицательным (рис. 7.12, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъёмную силу.

Если мы будем уменьшать угол р каждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки а примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъёмной силой. Лопасть с переменным углом заклине- ния получает форму винтовой поверхности.

С£

С

Направление

вращения

Рис. 7.12. а - схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти; б - графическое изображение относительного потока, набегающего на элементы лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса

илу R раскладывают на силы P_x и P_y (рис. 7.12, а). Силы P_x про­изводят давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Силы P_y действуют в плоскости y - у вращения ветроколеса и создают крутящий момент.

Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинами­ческом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46 %.

2. Теория идеального ветряка

1. Понятие идеального ветряка

Идеальным ветряком называют ветроколесо, у которого:

1. Ось вращения параллельна скорости ветра.

2. Бесконечно большое число лопастей очень малой ширины.

3. Профильное сопротивление крыльев равно нулю, и циркуляция вдоль лопасти постоянна.

4. Потерянная скорость воздушного потока на ветроколесе постоянна по всей сметаемой поверхности ветряка.

5. Угловая скорость стремится к бесконечности.

Теорию идеального ветряка впервые разработал в 1914 г. В.П. Ветчинкин на основе теории идеального гребного винта. В этой работе он установил понятие коэффициента использования энергии вет­ра идеальным ветряком.

В 1920 г. проф. Н.Е. Жуковский изложил теорию «Ветряной мель­ницы НЕЖ», где сделал вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком.

Аналогичные теории были разработаны позднее также в нашей стране проф. Г.Х. Сабининым и акад. Г.Ф. Проскура.

Теория идеального ветряка проф. Н.Е. Жуковского носит название классической теории; она устанавливает, что максимальный коэффици­ент использования энергии ветра идеальным ветряком равен 0,593.

Наиболее полно, с точки зрения практического применения, тео­рия идеального ветряка изложена проф. Г.Х. Сабининым, согласно ко­торой коэффициент использования энергии ветра идеальным ветряком равен 0,687. Отличие этой теории от прежних теорий заключается в том, что при определении осевой силы давления потока на ветроколесо им­пульс сил подсчитывается по вихревому соленоиду в том месте, где он принял уже установившуюся цилиндрическую форму, а не в момент его образования, как принималось прежними теориями. Так как соленоид в цилиндрической части имеет площадь сечения большую, чем площадь, ометаемая ветроколесом, то осевая сила и коэффициент использования энергии ветра, по теории Г.Х. Сабинина, получаются несколько боль­шими.