 |
Взаимодействие воздушного потока с лопастью ветроколеса
|
|
|
|
Взаимодействие воздушного потока с лопастью ветроколеса
На рис. 14. 2 показаны взаимодействие воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при этом силы.
Пусть воздушный поток, имеющий скорость и, набегает на лопасть, перемеща-ющуюся со скоростью v, тогда скорость потока относительно лопасти будет v r. При взаимодействии потока с лопастью возникают:
1) сила сопротивления FD, параллельная вектору относительной скорости набе-гающего потока v r;
2) подъемная сила FL, перпендикулярная силе FD. Слово «подъемная» в этом термине, конечно, не означает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх;
3) завихрение обтекающего лопасти потока. В результате это приводит к за-крутке воздушного потока за плоскостью ветроколеса, т. е. к его вращению относи-тельно вектора скорости набегающего потока;
4) турбулизация потока, т. е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению. Турбулентность возникает как за колесом, так и перед ним, в результате лопасть часто оказывается в потоке, турбулизированном другими лопастями;
5) препятствие для набегающего потока. Это его свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным отношению площади проекции лопастей на перпендикулярную потоку плоскость к ометаемой ими площа-ди. Так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное.
Рисунок 14. 2. Скорости элемента лопасти и действующие на него силы:
и - скорость ветра; v -скорость элемента лопасти; vr-скорость элемента лопа-сти относительно скорости ветра; FD - сила лобового сопротивления, действую-щая в направлении скорости vr; FL - подъемная сила, перпендикулярная силе FD
|
|
|
Классификация ветроустановок
Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам: геометрии ветроколеса и его положению относительно направлений ветра. Далее, основные классифицирующие признаки ветроэнергетических установок можно определить по приведенному ниже опроснику:
1. Ось вращения ветроколеса параллельна или перпендикулярна воздушному потоку? В первом случае установка будет горизонтально - осевой, во втором - вертикально - осевой.
2. Вращающей силой является сила сопротивления или подъемная сила? Уста-новки, использующие силу сопротивления ( драг-машины ), как правило, вращаются
с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъёмную силу ( лифт-машины ), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра.
3. Чему равно геометрическое заполнение ветроколеса? Для большинства уста-новок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполне-нием ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом вет-ре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим.
4. Для какой цели предназначена ветроэнергетическая установка? Установки для непосредственного выполнения механической работы часто называют ветряной мельницей или турбиной; установки для производства электроэнергии, т. е. совокуп-ность турбины и электрогенератора, называют ветроэлектрогенераторами, аэрогене-раторами, а также установками с преобразованием энергии.
5. Частота вращения ветроколеса постоянна или зависит от скорости ветра? У аэрогенераторов, подключенных напрямую к мощной энергосистеме, частота вращения постоянна вследствие эффекта автосинхронизации, но такие установки менее эффективно используют энергию ветра, чем установки с переменной частотой вращения.
|
|
|
6. Ветроколесо соединено с электрогенератором напрямую (жесткое сопряжение) или через промежуточный преобразователь энергии, выполняющий роль буфера? Наличие буфера уменьшает последствия флуктуации частоты вращения ветроколеса, позволяет более эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенератора.
Классификация ветроэлектрогенератров на основе перечисленных выше признаков представлена на рис 14. 3, который, конечно, не исчерпывает всего многообразия возможных конструкций ветроустановок. Особенно это касается наиболее перспективных установок, использующих специальные устройства для увеличения скорости набегающего ветрового потока.
Рисунок 14. 3. Классификация ветроколес: а - с горизонтальной осью, при-ведены способы ориентации при переднем расположении ветроколеса; б - с
вертикальной осью; в - с концентраторами ветрового потока. 1- однолопастное колесо; 2 - двухлопастное; 3 - трехлопастное; 4 - многолопастное; 5 - чашечный анемометр; 6 - ротор Савониуса; 7 - ротор Дарье; 8 - ротор Масгрува; 9 - ротор Эванса; 10 - усилитель потока
Вопросы для самопроверки
1. При каких скоростях можно использовать энергию ветра и в каких районах России существуют эти условия?
2. Где была построена первая ВЭУ?
3. Перечислите отрицательные воздействия ветроэнергетических установок на окружающую среду.
4. От чего зависит мощность ветрового двигателя и ветроэнергетической уста-новки?
5. Охарактеризуйте силы, возникающие при взаимодействии воздушного пото-ка с лопастью ветроколеса.
6. По каким признакам классифицируются ВЭУ? Поясните термины «люфт-машины» и «драг - машины».
|
|
|
