2.3. Аеродинамічний розрахунок ротора вітроустановки

Передумова проведення розрахунку – визначення вихідних даних, що містять такі основні показники:

• потужність, яку сподіваються отримати від вітроагрегата (отримується за навантажувальними графіками споживача);

• швидкість вітру, за якої розвивається задана потужність;

• швидкохідність (кількість модулів) ротора за максимального коефіцієнта потужності цього типу ротора;

• коефіцієнт потужності вітроустановки.

Розрахунок починається з визначення геометричних параметрів ротора з рівняння потужності вітроустановки:

,

де  – масова густина повітря, що залежить від температури та тиску атмосфери (за t=15С та р = 760 мм рт.ст.  = 0,125 кгс²м^–4); F – площа обмаху ротора; v_н – номінальна швидкість вітру;  – коефіцієнт потужності вітроустановки; k – коефіцієнт узгодження системних одиниць виміру (k=1/102 під час розрахунку в системі СІ).

Для крильчастих роторів поверхня обмаху становить

,

а потужність вітроустановки становитиме, кВт:

Діаметр ротора становитиме:

Для інших значень температур та тиску вводять поправку в рівняння потужності:

де В₀ – 760 мм рт. ст.; В – поточне значення тиску.

У такому разі діаметр ротора дорівнюватиме:

.

Швидкість вітру, за якої ротор має розвивати задану для розрахунку потужність, приймають виходячи з метеоданих місцевості та умов, описаних у п. 2.2.

Наступним етапом розрахунку є обрання профілю лопатей.

Профіль встановлюється під потрібний кут атаки  до результуючої швидкості с. Кут, утворений хордою профілю з віссю ротора становить  + . Для кута атаки також наведено коефіцієнти піднімальної сили С_a (за полярами Лілієнталя, рис. 2.4), отримані експериментально для кожного виду профілю.

Послідовність визначення параметрів лопаті така:

1. Визначають «робочий» діаметр вітроустановки:

де Р – потужність вітроустановки; _F – ККД лопатей ( 0,9);

2. Визначають швидкості на кінцях лопатей:

• обирають (задають) швидкість вітру (v);

• визначають швидкість вітру, що протікає через ротор:

• приймають (задають) кількість модулів ротора:

u/v = z;

• визначають колову швидкість:

u = v z;

• визначають кут  (між вектором результуючої швидкості с та нап­рямком осі):

• визначають результуючу швидкість:

(для швидкохідних вітроустановок с u).

3. Визначають дійсний діаметр D:

• відстань між лопатями:

де m – кількість лопатей;

• ширину повітряної полоси між лопатями:

b = a cos;

• діаметр:

• довжину кола D;

• кутову швидкість:

• частоту обертання:

– доцільну ширину лопаті

Рис. 2.3. Швидкості та сили на лопаті вітряного двигуна: – швидкість вітру, яка проходить через ротор; u₁ – відносна швидкість лопаті; с – результуюча швидкість лопаті; А – підйомна сила; S₁, S₂ – складові осьової сили; Т₁, – складова підйомної сили; Т₂ – складова сили опору;  – кут атаки;  – кут між напрямком швидкості с та віссю обертання ротора

4. Визначають ширину та кут установки лопаті на 2/3 радіуса ротора:

• визначають довжину кола на 2/3 радіуса;

• визначають кількість модулів на 2/3 радіуса;

• для обраного профілю за атласом (полярами Лілієнталя) (рис. 2.4) обирають доцільний кут атаки та визначають коефіцієнт піднімальної сили с_а;

• доцільна ширина лопаті на 2/3 радіуса становить:

• визначають кут :

• кут установки лопаті становить  + .

5. Визначають ширину та кут установки лопаті на зовнішньому кінці:

• визначають довжину кола, що описує зовнішній кінець;

• визначають кількість модулів;

• обирають кут атаки та визначають коефіцієнт піднімальної сили;

• визначають доцільну ширину лопаті:

• визначають кут :

• кут установки лопаті становить  + .

6. Визначають ширину та кут установки лопаті на внутрішньому кінці лопаті (1/3 радіуса):

• визначають довжину кола на 1/3 радіуса;

• визначають кількість модулів;

• приймають кут атаки та визначають кут піднімальної сили;

• визначають кут  та кут установки лопаті  + .

7. Визначають обернений коефіцієнт якості лопаті:

• для прийнятого профілю та кута атаки за полярами визначають коефіцієнти піднімальної сили с_a та опору с_w;

• визначають коефіцієнт (обернений) якості:

Р ис. 2.4. Поляри Лілієнталя для лопатей нескінченної довжини