Лобовое давление на ветроколесо и коэффициент лобового давления.

Течение идеальной несжимаемой жидкости описывается уравнением Бернулли. Воспользуемся им для определения нагрузки на ветроколесо. Эта нагрузка возникает вследствие разности давлений в набегающем потоке до и после колеса, которое как и раньше будем считать проницаемым диском площадью А1

Согласно уравнению Бернулли

Здесь p0-давление ветрового потока до ветроколеса,p2-давление ветрового потока после ветроколеса. U0-скорость набегающего ветрового потока, u2- скорость ветрового потока после ветроколеса z- высота оси ВЭУ p- плотность воздуха.

Измерения значений z и p в рассматриваемом течении пренебрежительно малы в сравнении с изменениями остальных параметров, поэтому можно записать

Где -перепад статического давления на диске -динамическое давление. Максимальный перепад давления будет в случае, если

А максимальная нагрузка, действующая на ветроколесо, соответственно равна

В горизонтально –осевых установках эта сила действует по оси ветроколеса и называется лобовым давлением.

Действующая на ветроколесо сила равна,очевидно,скорости измерения количества движения набегающего потока

Получаем

В приближении используемой модели член равен силе , действующей на находящийся в потоке непроницаемый диск площадью А1. Силу, действующую на конкретное ветроколесо, можно представить в виде

Где - Коэффициент лобового давления, зависящий от параметров ветроколеса

Здесь

Максимальное значение =1 при a = ½ , что соответствует значению =0. Согласно критерию Бетца, максимальный КПД ветроколеса достигается при a=1/3, и ему соответствует значение =8/9.

Из-за краевых эффектов коэффициент лобового сопротивления непроницаемого диска на самом деле превышает единицу и равен на самом деле 1,2. Тем не менее представление ветроколеса таким диском яв-ся оптимальным,

Член и соответственно ветровая нагрузка быстро возрастают с увеличением скорости ветра, и, как правило, ветроколеса не выдерживают нагрузок ветра со скоростью выше 25м/с. Для предупреждения их поломок применяют поворот ветроколеса или его лопастей в нерабочее положение, уменьшение снимаемой мощности и соответственно лобового давления , неподвижные лопости такого профиля, который обеспечивает самоторможение ветроколеса при большой скорости ветра, принудительную остановку ветроколеса.