Режимы работы ветроколеса. Понятие коэффициента

Быстроходности.

Эффективность работы ветроколеса зависит от соотношения двух характерных времен: времени t_б, за которое лопасть перемещается на расстояние, отделяющее ее от соседней лопасти, и времени t_w, за которое создаваемая лопастью область сильного возмущения переместиться на расстояние, равное ее характерной длине. Время t_w зависит от размера и формы лопастей и изменяется обратно пропорционально скорости ветра.

Характерное время t_b для n -лопастного ветроколеса, вращающегося с угловой скоростью w, равно:

. (1)

Характерное время существования в плоскости ветроколеса создаваемого лопастью возмущения t_w примерно равно:

, (2)

где u_o - скорость набегающего потока воздуха; d - характерная длина возмущенной лопастью области.

Эффективность использования ветроколесом энергии ветра максимальна, когда на конце лопастей выполняется условие t_w=~t_б или с учетом (1) и (2) условие:

. (3)

Используя выражение для коэффициента быстроходности

, (4)

и домножая обе части (3) на радиус ветроколеса R, получаем условие, определяющее максимальнйю эффективность его работы:

. (5)

Из общих выражений можно ожидать, что d»kR и k»1, тогда оптимальная быстроходность ветроколеса:

. (6)

Рис 1. Зависимость коэффициента мощности С_p от быстроходности Z:

1- критерий Бетца, 59%; 2 - критерий Глауэрта; 3 - трехлопастное ветроколесо;

4 - двухлопастное ветроколесо; 5 - вертикальные - осевые ветроколеса типа Дарье;

6 - многолопастные ветронасосы; 7 - ротор Савониуса

Практика показывает что в действительности k»1/2, поэтому для n - лопастного ветроколеса оптимальная быстроходность равна:

Zo»4p / n. (7)

Рис 2. Зависимость коэффициента мощности С_р от коэффициента потери скорости а при различных режимах работы ветроколеса: а - нормальных режим работы ветроколеса; б - малоэффективный режим работы ветроколеса из-за сильной турбулизации ветрового потока; в - работа ветроколеса в режиме воздушного винта, когда энергия передается от винта к потоку; г - работа ветроколеса в режиме воздушного винта при реверсе тяге (торможение самолета во время после посадочного пробега)

Быстроходность ветроколеса является, возможно самым важным для их характеристики параметром, зависящим от трех основных переменных: радиуса описываемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина он является основным параметром подобия при исследовании и конструировании ветрогенераторов.

На рис. 2 представлены характерные режимы работы ветроколеса или пропеллерные режимы работы ветроколеса или пропеллера в зависимости от параметра а, а именно: 1) а > 0, С_р отрицателен. Это режим работы авиационного пропеллера, создающего отрицательную тягу. В этом режиме осевая нагрузка пропеллера направлена в сторону набегающего потока, увлекая вперед летательный аппарат; 2) 0 < a < 0,5, С_р в этом диапазоне положителен и достигает максимума. При а=0 u₁=u₀ и С_р =0 . Это режим свободного вращения ветроколеса в отсутствие нагрузки. При нагружении ветроколеса скорость u₁ уменьшается и коэффициент мощности становится положительным. Максимального значения он достигает при а=1/3, когда u₁ = u₀/3 согласно выражению (2.17) и (2.12). При а=1/2 из линейной теории следует максимум значения осевой нагрузки (2.24) и коэффициент крутящего момента С_т =1; 3) 0,5< а <1, С_р постоянно уменьшается до нуля. Так как из (2.25) а=( u₀ - u₂)/2 u₀, то уже при а=0,5 u₂=0, т.е. в этом диапазоне изменения а линейная теория, вообще говоря, неприменима. На практике границу а=0,5 можно считать началом турбулентного режима обтекания ветроколеса, при котором из-за нарушения линейной зависимости частоты его вращения от скорости ветра коэффициент мощности падает. При а=1 С_р=0, ветроколесо вращается, интенсивно турбулезируя поток и практически не создавая полезного момента на валу. На практике такой режим возникает при отрывном обтекании лопастей ветроколеса; 4) а > 1, в этой области скорость u₁ отрицательна. В таком режиме работают, например, воздушные винты самолета при его торможении после посадки за счет реверса тяги, осуществляемого изменением угла тангажа лопастей винта. Такая работа винтов сопровождается интенсивным вихреобразованием в набегающем потоке.