1598005519-db2570e1cd069b3f233e2ac13b5f8034 (811225), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Это навело на мысль провести сравнение соответствующих ветроколес с предварительным закручиванием потока в направляющем аппарате н без него, Характеристики менее совершенных конструкций заметно улучшаются и без направляющего аппарата, но при скоростях ветра выше илн ниже расчетной. Этот неожиданный результат объясняется тем, что приращение угла атаки крылоного профиля лопасти меньше идеального и потери возрастают для ветроколеса в целом. Потери обусловлены отрицательным влиянием изменения относительной скорости, когда направляющий аппарат пытается поддерживать постоянный угол атаки на лопастях, имеющих постоянный угол заклинивания при постоянной частоте вращения. На основании результатов исследования сделан ряд выводов: регулируемый направляющий аппарат может быть успешно использован лишь в качестве одного из возможных спосооов относительно недорогостоящей защиты от перегрузок при больших скоростях ветра; ветроколесо с постоянной частотой вращения и фиксированными углами установки (заклинивания) лопастей может работать практически без регулируемого направляющего аппарата.
В этом случае конструкция ветроколеса должна быть рассчитана на динамические нагрузки при колебаниях лопастей, работающих на 143 больших скоростях ветра при полностью развитом срыве потока; поскольку стойки так или иначе необходимы, они должны быть рассчитаны на получение некоторой постоянной предварительной круткн. Это обеспечивает получение лучших характеристик при малых скоростях ветра и меньших площадях лопастей, а также ухудшение характеристик при больших скоростях ветра, когда потенциально возможное значение развиваемой мощности превышает то, которое может быть использовано ВЭУ с системой регулирования. 4.3.
ГЕНЕРАТОР ВИХРЕЙ В движущейся жидкости при определенных условиях возникают вихри. Они реально проявляются в идеальном вихревом поле, в котором скорости направлены по концентричным круговым линням тока и обратно пропорциональны радиусу вихря. Их можно рассматривать в качестве эффективных концентраторов кинетической энергии: примером такого атмосферного вихревого потока является — торнадо.
Назначение вихревого концентратора состои в использовании необычных аэродинамических характеристик внх рей для разработки усовершенствованных ВЭУ. Основной принцип заключается в генерированин и управленн дискретными вихрями, характеризующимися высокой плотность кинетической энергии при соответствующем взаимодействии аэро динамических поверхностей с ветровым потоком, имеющим малу плотность кинетической энергии. Разработанные для этих целей ветродвигатели, имеющие соответствующую конструкцию, используют энергию этого концентрированного вихревого поля.
Эта иде получила название вихревого концентратора (ВИК). Конкретной целью проекта было рассчитать и оценить ВИК точки зрения их потенцнальных возможностей для применения ВЭУ и разработать действующую модель небольшой мощности дл конкретной системы ВИК, принятой в качестве наиболее подходя щего прототипа для применения в ближайшей перспективе. В программе вначале рассматривались два различных тяпа устройств— вихревые генераторы с тонким и плохо обтекаемым телом. 4.3.1. ГЕНЕРАТОР ВИХРЕЙ С ТОНКИМ ТЕЛОМ Такой генератор может быть представлен обычным крылом летательного аппарата. Вихри, сбегающие с концов крыла, развиваются в следе за ним, и благодаря сконцентрированному вихрово му. движению могут представлять опасность для самолета, следую щего в зоне вихря.
Это иллюстрируется рис. 4.15 14.181. Когда огромная струя истекает на установившемся режиме, е вихревой след может сделать аэродром опасным для легки самолетов. Если легкое крыло проходит через след в поперечно направлении, то опо подвергается действию больших нормальных нагрузок, подобных эффекту встречного порыва. Если самолет -.'„ с зоо Ф Ъ-зоо чйз -ооо о Р/О ! я е мин ЗО бд ОО кы о7 Рнс. 445. Генерирование вихрей самолетным крылом (а) н характеристики скорополъеыностн (О) н относительных кэродннямнчссквх снл (я), ! — скос потока вверх; 2 — надупнрааанный скос патока вннз; А — данженне самолега, прн «отарам пронсхаднг параллельное праннканне ядра вихРя, харакгернзуемое углам крена, превышающнм угол, допускаемый снстемой управлення; Б — двнженне самалега, прн кагорам поле датака са значнгмньным скосам уменьшаег аазмажнасгь набора высоты, а знхревая системз развнзаегся параллельно траекгарнн полета самолета, об.
разующега внхрн;  — двнженнс самолета, прн «отарам большие нормальные силовые нагрузкн наблюдаются в случае, когда вихрь арвезтнраван в поперечном направленнн; !'— свободный внхрь; à — затухание вихРя; ! — завнснмосгь отношения нормальной снлы к весу Р(6 ог рассгояння мшкду следамн у! Г! — ограннченне нагрузкн. 140 движется посередине между сбегающими вихрями„то крыло испытывает действие сильного скошенного потока, тем большего, чем болыпе вертикальная скорость подъема. Этот вид движения особенно опасен вблизи поверхностн земли, где устойчивые вертикальные течения могут быть причиной аварий легких самолетов.
Менее вероятным, но и более опасным представляется прямолинейный полет вдоль ядра вихря: он вызывает чрезвычайно большие углы крена на попадающем в него самолете, которые могут превышать возможности его системы управления. Потенциальная опасность взаимовлияния между вихрями, сбегающими с самолета, и летящим за ним самолетом побудила к проведению многих исследований вихревых явлений, рассмотренных на международной конференции в 1970 г. 14.191 и на специ- 06 0 з уй ьу га м 146 ыльном двухдневном семинаре, проведенном в 1974 г.
институтом Агпег)сап 1пз1!г1ц1е о1 Аегопац1!сз апг) 7зз1гопап1)сз 14.201. Подобная вихревая структура создается при отрыве потока на острой передней кромке крыла малого удлинения, например тре-, угольной формы в плане 14.181 На рис, 4.16 показан процесс, образования вихрей и дополнительного увеличения подъемной силы, обусловленного ими.
Приращение подъемной силы при такой 'Рис. 4.16. Генерирование вихра при треугольной форме крыла в плане (а) и зависимость коэффициента подъемной силы г, от угла втали агб)! ! — ядро вихря; 2 — основной вихрь! 3 — вторичный вихрь; 4 — вихревое пазе, формирукы пцееся арп отрыве патока с передней ирамки греугозьного крыла; à — коэффициент полной подъемной силн; 2' — доля потенциального патока Ос .
даля вихревого потока (уд.зииение криза Х =.!.Ь1, и форме в плане вызывает необходимость дальнейших исследований вихревых явлений Основные теоретические работы в этой области представлены в 14.2!1. Можно предположить, что энергия в этой расширенной завихренной области, интенсивность которой зависит от положения треугольного крыла, мотает быть эффективно использована, если ветроколесо будет спроектировано соответствующим образом. Как осевая, так и тангепциальиая составляющие скорости превышают скорость невозмущенпого набегающего потока.
Поэтому абсолютная скорость в завихренной зоне, равная квадратному корню из суммы квадратов двух составляющих, значительно больше скорости набегающего потока, Таким образом, небольшое ветроколесо диаметром около чет.верти полуразмаха треугольного крыла может работать в условиях более высоких скоростей, чем ветраколесо в свободном потоке. Подобная система увеличения скоростей открывает потенциальные возможности использования всех преимуществ применения мень'ших по размерам высокоиагружеиных ветроколес. Прп этом имеется возможность изменения угла атаки треугольного крыла.
поддержания почти постоянной частоты вра1цения ветроколеса при различных скоростях ветра и работы при меньших скоростях ветра, чем у ВЭУ без концентраторов энергии. Очевидно, что имеется необходимость использовать значительный объем теоретической, экспериментальной и практической ин- формации о вихрях, генерируемых тонким крылом и телом. В рамках данной программы предусматривается применение этой информации как основы для разработки ВИК.
При обтекании ветровым потоком соответственно спроектированных тел рассматриваемого типа можно сконцентрировать значительное количество кинетической энергии в локальной вихревой системе и использовать ее с помощью соответствующих ветроприемных устройств. Кроме того, за счет изменения положения генератора вихрей можно управлять пространственным расположением и напряжением образующихся вихрей, 4.3.2. ГЕНЕРАТОР ВИХРЕЙ С ПЛОХО ОБТЕКАЕМЫМ ТЕЛОМ Генератор основан на явлении, выражающемся в том, что при действии потока ветра на плохо обтекаемое препятствие, его скорость уменьшается вблизи центра, а на кромках препятствия возрастает до значений, существенно превышающих скорость невоз- Рис.
4.17. Схематическое представление поля потока за плохо обтекаемым те- лом в виде пластины, установленной нормально к потоку: ! — область рециркуляции потока; й — эона затухания; 3 — асимптотическое затухание. мушеиного потока. В процессе обтекания вокруг препятствия генерируются вихри, иногда достаточно сложной структуры, Подобное поле скоростей генерируется на летательном аппарате за выступами в виде интерцспторов, щитков, стоек антенн и т. п., а также за другими препятствиями, подобными островам, горам, наземным сооружениям, движущимся транспортным средствам 14.221. 147 г бал) гп уг /г г,п г,п ъ г',и и,'б йп ап тп пп.
х =ба х=зп пп мпсютпб и гп гамм аг и а,ап апг а7 т,г п,а пр а 'б/ Исходные исследования полей скоростей, образующихся за ттлохо обтекаемыми препятствиями, приведены в 14.231. Схема экспериментальной модели показана на рис, 4.17. Исследуемое препятствие имело вид тонкой квадратной пластины, расположенной перпендикулярно набегающему потоку. Профили скоростей епниз по потоку за препятствием представлены па рис. 4.18. На графиках показаны скорости, измеренные за препятствиями, расположенными на нижней поверхности пластины, Отметим, что йтио 4.18.
Профили поля скоростей ин различных расстояниях за квадратным препятствием, расположенным нормально к потоку. вблизи кромок препятствия возникают большие избыточные скорости, соответствующие им градиенты характерны для упоминавшегося выше вихревого поля. Предполагалось, что при правильном размещении в таком вихревом потоке роторной системы с вертикальной осью вращения, например подобной ротору Савониуса, характеристики ее должны улучшаться. Объяст1яется это тем, что при смешении вперед или повороте опор ротор может попасть в зону больших избыточных скоростей, в то время как при смешении назад — в заторможенную зону за препятствием.
Поле скоростей можно изменять, управляя положением препятствия. Вихри, генерируемые плохо обтекаемым телом, могут быть использованы для вращения соответствующим образом спроектированного ротора; напряжения в вихре и его позиция могут управляться соответствующим изменением положения и геометрии препятствия. Такие возможности могут быть подробно рассмотрены, поскольку уровень развития аналитических и экспериментальных исследований вихревых систем достаточно далеко продвинулся вперед и их результаты достаточны, чтобы обосновать и рассчитать варианты ВИК, предназначенные для преобразования энергии ветра. Это поле определяется характеристиками вихревого поля, генерируемого аэродинамической поверхностью треугольного типа.
Они изучены достаточно хорошо теоретически и привлекают большое внимание, однако экспериментальных исследований полей скороетей4 вихревых потоков еше недостаточно. На рис. 4.19 приведены данные только одного из имеющихся надежных измерений скоро- атис 4.19. Поле скоростей вихрей треугольного крыла: .и — принятая система координат; б — изобары динамического давления и-р ьо/2 (где Р— результируюсчая скорость по данным 12з11; а — характеристики осевой н тангенпнальиой скорости Рз и Рт по данным 1241.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
