Лобовое давление на ветроколесо

Рис. 8.5. Лобовое давление на ветроколесо:

u_o – скорость ветрового потока; р – давление; z – высота; F_A – осевая нагрузка; Δр – перепад давлений.

Максимальная нагрузка, действующая на ветроколесо, равна:

F_Aмакс = ρ*А₁*u_o²/2 (8.14.)

В горизонтально – осевых установках эта сила действует по оси колеса и называется лобовым давлением. Силу, действующую на конкретное ветроколесо, можно представить в виде:

F_A = C_F*ρ*A₁*u_o²/2 (8.15.)

где С_F – коэффициент лобового давления, зависящий от параметров колеса.

С_F = 4a*(1 – a) (8.16.)

При С_рмакс = 0,59, С_Fмакс = 89%.

Максимальное значение КПД ВЭУ – 89%.

Как правило, ветроколёса не выдерживают нагрузок ветра при скорости выше 20м/с. Поэтому принимают ряд мер: поворот лопастей в нерабочее положение, уменьшение снимаемой мощности, самоторможение, принудительную остановку ветроколеса.

Крутящий момент.

Максимальный крутящий момент ветроколеса Ц не может превышать значения произведения максимальной действующей на ветроколесо силы на максимальный его радиус Г.

Ц_макс = F_макс *Г (8.17.)

или Ц_макс = ρ*А₁*u_o²Г/2 (8.18.)

или Ц = С_ц*Т_макс, (8.19.)

где С_ц – коэффициент крутящего момента.

Параметр Z – быстроходность ветроколеса, равная отношению окружной скорости конца лопастей u_г к скорости набегающего потока u_o. т.е.

Z = u_r/u_o = Rω/u_o (8.20.)

где ω – угловая скорость вращения ветроколеса.

Тогда Ц_макс = Р_о*Z/ω,

где Р_о – мощность ветрового потока.

Мощность на валу ветроколеса

Р = Ц*ω (8.21.)

С_р*Р_о = С_ц*Ц_макс*ω = С_ц*Р_о*Z; С_р = Z*С_ц; (8.22.)

В идеальном случае имеем: (С_ц)_макс = 0,59/Z (8.23.)

Максимальная эффективность работы ветроколеса

Z = 2π/n*(Г/d), (8.24.)

где n – число лопастей;

d - характерная длина возмущённой лопастью области.

Оптимальная быстроходность ветроколеса:

Z_o ≈(2π/k*n), (8.25.)

где – к ≈ 1.

В практике к = ½, поэтому для n – лопастного ветроколеса оптимальная быстроходность: Z_o ≈4π/n

Быстроходность ветроколеса является самым важным параметром, зависящим от трёх основных переменных: радиуса ометаемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина он является основным параметром подобия при конструировании ветроэлектрогенераторов. Коэффицинет мощности С_р зависит от коэффицинета торможения в диапазоне 0< а <0,5

С_р = 4а*(1- а)², (8.26)

где а = 1 –u₁ /u_o (8.27)

а < 0, С_р отрицателен. Это режим работы авиационного пропеллера.

0 < а < 0,5, С_р в этом диапазоне достигает максимума.

При отсутствии нагрузки а = 0; u₁ = u_o; С_р = 0.

При 0,5 < а < 1, С_р постоянно уменьшается.

С_р максимум при .а = 1/3.