Основные принципы работы горизонтально-осевого ветродвигателя

Преобразование энергии ветра горизонтально-осевыми и вертикально-осевыми ветроагрегатами.

Основные принципы работы горизонтально-осевого ветродвигателя

В зависимости от положения поверхности по отношению к ветру, она может совершать работу в одном случае за счет силы сопротивления, а в другом – за счет подъемной силы.

Горизонтально-осевые роторы работают за счет подъемной силы лопастей. При набегании ветрового потока на лопасть ротора возникает результирующая аэродинамическая сила , которая раскладывается на силу ветрового (лобового) давления и тянущее усилие , создающее вращающий момент (рис. 1).

Рис. 1 Конструктивная схема ротора

Изобразим сечение лопасти (рис. 2), которая под действием ветрового потока перемещается в плоскости вращения. При этом воздушный поток будет набегать на лопасть не со скоростью V, а с относительной скоростью W, которая складывается из двух скоростей: скорости ветра V и окружной скорости U данного элемента лопасти. Окружная скорость по длине лопасти меняется прямо пропорционально расстоянию элемента лопасти от оси вращения, так как , (1)

где - угловая скорость;

- текущий радиус, на котором находится рассматриваемое сечение лопасти, м.

Относительная скорость набегания воздушного потока определяется по уравнению

. (2)

Относительная скорость направлена к хорде под углом атаки .

Возникающая при этом сила аэродинамического сопротивления совпадает с вектором , а аэродинамическая подъемная сила направлена перпендикулярно к вектору . Результирующее аэродинамическое воздействие равно векторной сумме и . Сила сопротивления , раскладываясь по осям х – х и у – у, силой создает сопротивление вращению, а силой создает лобовое давление. Подъемная сила , раскладываясь по осям х – х и у – у, силой создает вращающий момент, а силой увеличивает лобовое давление.

Рис. 2. Векторная диаграмма сил и скоростей РГО

Таким образом, сила, вращающая ветродвигатель , равна , (3)

а лобовое давление ( ) равно: . (4)

Векторная сумма и равна результирующему аэродинамическому воздействию .

Силы и изменяются по длине радиуса соответственно изменению окружной скорости каждого элемента лопасти и углов атаки к ним относительного потока.

Взяв сумму сил , действующих на каждый элемент, получим полную силу, приводящую ротор во вращение.

Максимальные силы, приводящие ротор во вращение, получаются при некотором значении угла атаки . Ввиду того, что окружная скорость по длине лопасти не одинакова, а возрастает по мере удаления элемента лопасти от оси вращения ротора, относительная скорость набегания потока на лопасть также возрастает.

Рассмотрим сечение какого-нибудь элемента лопасти (рис. 3). Если угол установки лопасти остается постоянным, то при некотором значении угловой скорости угол атаки элементов лопасти, расположенных на ее конце, может стать отрицательным.

Вследствие этого на данном участке подъемная сила направится в обратную сторону и, складываясь с силой сопротивления, будет тормозить вращение ротора.

Рис. 3 Графическое изображение набегания относительного потока на элементы лопасти, расположенные на различных радиусах ротора

Чтобы этого не происходило, угол делают переменным, так, чтобы он уменьшался по мере удаления элемента лопасти от оси вращения ротора. При этом угол установки лопасти рассчитывают так, чтобы относительная скорость каждого элемента лопасти имела наивыгоднейший угол атаки. Это обстоятельство вызывает необходимость делать лопасть крученой, так, что она образует винтовую поверхность.

Правильные углы установки лопасти при хорошем аэродинамическом качестве профиля обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра.