1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (811202), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Исследования ветроколес различного типа показывают, что величины 0 сильно зависят от конструктивных особенностей н Ю г Рис. 4.5. Зависимость коэффиииеита преобразования энергии ветра от быстроходности рабочих колес ВЭУ различного тина 192]. à — теОретическая аразая для идеального колеса; т — многололгстаое колесо; Л вЂ” быстроходное датхлодасмчас рабочее колесо; 4 — ротор дарье Рис. 4.В. Распределение сил, действующих на элемент профили в потоке (52] скоростей движения крыльев преобразователей.
На рис. 4.5 приведена зависимость коэффициентов использования энергии для различных ветроколес в зависимости от быстроходности (отношение скорости движения концов крыльев к скорости потока). Видно, что для высокоскоростных турбин з! приближается к максимально возможному значению [92). Если ветроколесо нагружается каким-то устройством, например энергогенератором, то суммарное количество энергии, извлекаемой из потока оказывается ниже того значения, которое можно было бы вычислить, использовав величину т] свободного ветроколеса. В этом случае вводят понятие обобщенного коэффициента использования энергии потока и понятие КПД ВЭУ, учитывающего все потери, связанные с передачей энергии от ветроколеса электрогенератору (см., например, работу [33)). Рассмотрим взаимодействие потока и крылового профиля в наиболее простом случае плоской пластины [52). Пусть и— скорость потока при взаимодействии с пластиной, расположенной под углом к потоку О (в идеальном случае и = а/з и , скорости выше — по потоку) (рис.
4.6). Под действием потока по- верхность крыла движется со скоростью гг в направлении, перпендикулярном к и. Причем относительная скорость ветра ип определяется как векторная разность и и гг и имеет по отношению к профилю небольшой угол р, называемый углом атаки. Сила Е, действующая на поверхность крыла, имеет два компонента: «подъемную» силу /, перпендикулярную к относительной скорости ип, и силу «лобового сопротивления» Р, параллельную икь Последняя сила препятствует движению крыла в потоке, рассеивая энергию в вихре.
Сила же Л обеспечивает движение крыла. Профиль крыла выбирают таким, чтобы отношение Е/Р было максимальным (порядка 50 — 100). Введем понятие давления относительного ветра на поверхность крыла площадью А и через составляющие /. и Р запишем это давление в виде 1 т 1 / =Сд 2 РАил] Р=Со 2 РАил, (4.3) где Сд и Сп — соответствующие коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления. Эти коэффициенты обычно определяют экспериментально (они изменяются с изменением формы профиля и угла атаки 0). Можно рассмотреть другую пару сил, также составляющих силы давления на поверхность крыла — Т„и Т,. Первая из них действует в направлении вектора и, а вторая— в направлении движения поверхности.
Если через й обозначить Р/Е, то для этих составляющих можно получить выражения вида Т„= /. 5]ПО[1 + /г с!Я О); ) Т„=Е со50[1 — й !и О)..[ (4. 4) Полезная мощность, сообщаемая турбине, равна произведению Ти, в то время как мощность, передаваемая в осевом направлении и рассеиваемая профилем и элементами конструкции, равна Ти. Отношение этих величин характеризует эффективность машины, преобразующей энергию ветра. С учетом того, что псо50 = = и 5]п О, эффективность 1 — й— Т„о 1 — Га!я а н т] (4.5) Ти 1+де!20 + и 0 7 Заказ Щ сел Графики, приведенные на рис.
4.5, показывают, что даже при эффективности преобразования 100 % достижения максимального значения величины г] проблематично, хотя быстроходные ветроколеса и приближаются к этому показателю достаточно близко. Интересно отметить, что быстроходность сильно зависит от заполнения площади ветроколес [а = /.пс/(л/т) для обычного ветроколеса с горизонтальной осью и о = Елс/(Пг) для ветроколеса с вертикальной осью и прямым крылом).
Оказывается, что для самых быстроходных колес оно минимально. Это подтверждает график, приведенный иа рис. 4.7. Несколько слов об особенностях ветроколес с вертикальной осью. Патент на ВЭУ с вертикально установленным ветроколесом выдан Г. Дарье в 1931 г.— через 11 лет после того, как изобретатель предложил новую конструкцию.
Вше 40 лет прошло прежде чем турбина, получившая имя изобретателя, привлекла внимание разработчиков. По сравнению с крыльчатым ветроколесом ротор Дарье обладает определенными преимуществами )79): вертикальная симметрия делает его безразличным к направлению ветра, и отпадает необходимость в механизмах поворота; О» силовой привод устанонкп с таким ротором монтируется на уровне земли; 0, 1ЕРо более технологично и относительно дерб л шево в изготовлении крыло ротора, имеющее постоянный нескрученный профиль; с|Ь конструкция ротора этого типа прин- 04 ципиально не требует регулирования положения крыла относительно направления ветРа; управление установкой с таким ротором достаточно просто; — проста конструкция опоры установки. Но нельзя не отметить и недостатков ветроколеса Дарье при сравнении с крыльсти ротора и скорост- чатым ветроколесом: ным отношением дли ротор Дарье отличается более низким различных типов вет- теоретическим коэффициентом преобразороколес 1эз) вания энергии ветрового потока; он практически не имеет собственного пускового момента (из-за симметрии профилей) и требует дополнительного запускаюшего привода; заполнение плоскости ротора как правило выше, чем у скоростных высокооборотных ветроколес и, следовательно, на изготовление крыла идет больше материалов; ротору Дарье присуши колебания вращательного момента, связанные с различием в положении профилей по отношению к ветру.
Наиболее серьезный недостаток среди перечисленных — необходимость внешнего источника энергии для запуска ВЭУ с ротором Дарье. Попытки совместить такой ротор с различными «пусковыми» ветродвигателями оказались неэффективными, так как работающие при более низких скоростных отношениях пусковые ветродвигателя 1для ротора Дарье г = 5 —:6) при выходе на режим основного начинают оказывать тормозящее действие. Использование же систем автоматического отключения пускателей значительно усложняет конструкцию.
Вопрос сравнительно просто решается за счет применения электромашин, способных работать в режимах двигателя — генератора прп работе ВЭУ в энергосистемах. Одиночные же установки всегда требуют специальных пусковых устройств. 0 Я 4 о 0 1017з На рис. 4.8 показаны характерные для ротора Дарье зависимости вращательного момента от угла поворота и коэффициента мощности от скоростного отношения. Видно, что вращающий момент ротора не постоянен и на начальном участке приобретает даже отрицательное значение. Отрицательное значение принимает и величина т) удаленного по потоку профиля.
Для уменьшения пульсаций использовалось, например, увеличение числа лопастей, однако это приводило к снижению быстроходности вследствие увеличения заполнения плоскости ротора. Оригинально в этом а) 1410, Им — 01 Рис, 4.8. Типичные характеристики ротора типа Дарье с кольцевым крылом; а — изменение вращающего момента в зависимости от угла поворота; б — зависимость коэффициента мощности от скоростного отношении Пх — — Ч,+Чи где слагаемые — соответствующие коэффици- енты мощности переднего (по потоку) и заднего профилей смысле техническое решение, разработанное в институте Гидропроект (см.
Рис. 4.1). Прямокрылый ротор как бы разрезан на две равные части горизонтальной плоскостью и части эти развернуты на 90' друг относительно друга. При том же заполнении плоскости удалось существенно снизить колебания момента на валу ВЭУ. При разработке роторов с прямым крылом важно то обстоятельство, что изгибающие усилия для их крыла выше, чем для О-образного крыла. Поэтому при выборе размеров установок желательно добиться такого соотношения между моделями и натурой, при котором изгибающие усилия в крыльях оставались бы неизменными. Оказывается, если допустить, что скорость движения крыла должна быть функцией от скорости потока в соответствии с определенным скоростным соотношением, а пограничный слой изыеняется с увеличением размеров линейно, то указанное соотношение получается при линейном изменении размеров.
В качестве характерного размера при моделировании в таком случае выбирают длину крыла 7. и тогда все характерные конструктив- 7» 99 ные параметры оказываются пропорциональными какой-то опре- деленной степени Ь: ге га ~-! гк та 1 Момеат инерции отиосительио центра хорды Масса крыла . Центробежиое ускорение . Псдьемиаи сила, Максимальиый изгибающий момент . !! згибающее усилие Равенство единице изгибающего, усилия — следствие того, что по определению оно равно частному от деления произведения максимального момента на длину крыла на момент инерции [79). $4А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
