РАЗДЕЛ 2
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВУ СРЕДНЕЙ БЫСТРОХОДНОСТИ И КОНЦЕПЦИЯ
РАЗРАБОТКИ ДЛЯ НИХ ЭФФЕКТИВНЫХ ФОРМ ПРОФИЛЕЙ ЛОПАСТЕЙ
2.1 Характеристика наиболее применяемых лопастных систем вертикально-осевых ВУ
Как уже отмечалось выше, с точки зрения формирования вращающего момента
существующие вертикально-осевые ВУ подразделяются на два вида. К первому виду
относятся ВУ, на лопастях которых тянущая сила возникает за счет разности
лобовых сопротивлений при движении лопасти на ветер и под ветер. Таковыми
являются ВУ с чашечным ротором, с парусными лопастями, с ротором Савониуса и
т.д. Наиболее распространенными являются ВУ с парусными лопастями и ротор
Савониуса (рис.1.1, № 6 и № 7). В силу особенностей процесса передачи энергии
ветра ротору скорость движения лопасти по круговой траектории в данных ВУ не
может превышать скорости ветра, т.е. коэффициент быстроходности < 1. Таким
образом, ВУ первого вида классифицируются по q как тихоходные [5].
Рассмотрим подробней процесс передачи энергии ветра в ВУ с парусными лопастями
и в роторе Савониуса. В первом случае полезная ветровая нагрузка действует
поочередно на лопасти, причем лопасть, воспринимающая ее, движется по
направлению ветра. На рис. 2.1 представлена схема действия силы ветра на
поверхность S парусной лопасти, расположенную перпендикулярно к направлению
ветра (оптимальный случай). Воздушный поток, вследствие торможения его
поверхностью, будет давить на нее (одновременно обтекая) с силой, равной силе
сопротивления Fх. Скорость движения парусной лопасти обозначим Uл, тогда
абсолютная скорость натекания потока на поверхность будет равна ,а мощность
(или секундная работа) - .
Рис. 2.1 Действие силы ветра на поверхность парусной лопасти
В свою очередь ,
где rв - плотность воздуха;
Sл – площадь поверхности лопасти.
Величина Ср представляет собой отношение полезной энергии к энергии потока,
действующего на лопасть. Проведя соответствующие преобразования, получим
максимальное значение Сp = 0,148Сх .
Известно, что значение Сх поверхности определяется, в основном, ее формой.
Максимальную величину Сх имеет поверхность, вогнутая таким образом, что
действующий на нее поток поворачивается на 1800. Для такой поверхности Сх =
1,3; в этом случае максимальное значение Ср равно 0,192. Рассмотренный случай
справедлив для парусной лопасти в положении, когда ее поверхность
перпендикулярна к направлению ветра и лопасть движется под ветер. В реальных
условиях лопасти движутся по круговой траектории вокруг вертикального вала и на
них поочередно действует как полезная ветровая нагрузка, так и тормозящая ротор
ВУ (при движении лопасти на ветер) и, безусловно, уменьшающая интегральное
значение Ср. Для повышения Ср необходимо увеличение разности лобовых
сопротивлений парусной лопасти при движении их под ветер и на ветер. Достигнуть
этого можно либо повышением лобового сопротивления лопасти при движении под
ветер, либо уменьшением его при движении на ветер, для чего предлагаются
следующие способы:
а) поворот парусных элементов как вокруг вертикальной, так и вокруг
горизонтальной осей таким образом, чтобы положение лопасти при движении на
ветер обеспечивало ее минимальное сопротивление, а под ветер - максимальное.
Поворот выполняется либо с помощью управляющих устройств, либо под воздействием
ветра, а рабочие элементы снабжаются ограничительными устройствами: упорами,
рамками с сеткой, тросами и т.д., причем зачастую парусные элементы
предлагается выполнять гибкими [34].
б) выполнение парусных элементов складывающимися при движении на ветер [35];
в) снабжение парусных элементов обратными клапанами, открывающимися при
движении на ветер [36];
г) экранирование лопасти, движущейся на ветер.
Безусловно, предлагаемые способы могут иметь положительный эффект, однако
следует отметить, что в результате может усложниться конструкция ВУ и снизиться
надежность. Так, например, предлагается осуществлять статическое
уравновешивание лопастей с периодически меняющейся активной поверхностью [36].
Что же касается установки экрана, то здесь тоже есть определенные сложности,
поскольку при изменении направления ветра экран должен соответственно
перемещаться. Все дополнительные устройства усложняют и удорожают конструкцию,
между тем коэффициент использования энергии ветра ВУ с парусными лопастями
остается низким.
ВУ, использующие ротор Савониуса (рис. 1.1), обладают несколько лучшими
аэродинамическими свойствами. Протекание потока через ометаемую поверхность в
этом случае происходит совершенно по-другому, чем у ВУ с парусными лопастями.
Схема движения ветрового потока в роторе Савониуса показана на рис. 2.2.
Рис. 2.2 Схема движения ветрового потока при обтекании ротора Савониуса
Поток ветра скользит по выпуклой поверхности лопасти а и полной силой действует
на вогнутую поверхность лопасти b, переходя затем на вогнутую поверхность
лопасти а, отдавая также и ей часть энергии. Процесс передачи энергии ветра
здесь гораздо эффективнее, чем в случае с парусными лопастями, что и
обуславливает более высокое значение Ср.
В настоящее время не прекращаются исследования роторов Савониуса с целью
усовершенствования их аэродинамической схемы. Так, в частности, проведены
эксперименты, направленные на изучение структуры нестационарного обтекающего
потока и механизма преобразования энергии, при этом измерено распределение
давлений на фронтальной и тыльной стороне лопастей при варьировании величины их
перекрытия и углов установки [37]. Исследованы конкретные конструкции роторов
Савониуса с целью определения коэффици