Прайс-лист от 11 октября 2019 Прайс-лист

Современная ветроэнергетика: мифы и реальность

Известно, что к началу ХХ века в России энергия ветра использовалась для помола зерна на ветряных мельницах, на которых его перемалывалось до 34 млн. тонн с затратой энергии до 1700 млн. л.с./часов, что эквивалентно 1275 млн кВт/ час электроэнергии в год с весьма солидной установленной мощностью парка ветровых электростанций.
Постройка ветродвигателей основывалась исключительно на многолетнем практическом опыте. Мастера учили последующие поколения не по книгам, а на практической работе [1], стр. 3-4.
Такое состояние ветроэнергетики могло продолжаться еще очень долго, но на границе XIX-XX веков началось бурное развитие воздухоплавания, в частности стремления энтузиастов в США и в Европе оторваться от земли и хотя бы немного пролететь над ней и посмотреть на все сверху. В этом стремлении вырвались вперед братья Райт (американцы, владельцы велосипедной мастерской), которые к 1901г. смогли построить два планера, сумевших не только оторваться от земли, но и на несколько секунд поднять в воздух человека [2], стр. 310-319. На базе испытаний своих планеров и обобщения опыта аналогичных испытаний других изобретателей братья Райт убедились, что почти ничего не знают об аэродинамике, в частности, о взаимодействии элементов конструкции планеров с воздушной массой во время их запуска и полета, что заставило их действовать в направлении устранения этих пробелов. Так появился «ветровой туннель» (прообраз аэродинамической трубы), в которую воздух нагнетался мощным вентилятором. Проанализировав весь доступный им материал по этой проблеме и «продув» в своей аэродинамической трубе около двух сотен известных на то время моделей, братья Райт сформулировали ряд понятий и терминов, ставших позднее классикой, а именно:

подъемная сила. Это реакция массы объекта, перемещающегося в воздухе с определенной скоростью. Она всегда вертикальна и направлена вверх;

лобовое сопротивление. Это сила сопротивления воздуха движению объекта. Она всегда горизонтальна и направлена навстречу движению;

лобовое давление. Это геометрическая сумма лобового сопротивления и подъемной силы, приложенная в центре давления;

центр давления. Это точка приложения равнодействующей всех сил, действующих на крылья планера в процессе полета;

угол атаки. Это угол наклона плоскости крыла, воспринимающий лобовое давление, по отношению к вектору лобового сопротивления;

винтообразность поверхности крыла. Это принудительный загиб задней части концов крыльев вверх или вниз при помощи руля для предотвращения поперечного крена планера в процессе его полета.

Следующая модель планера, рассчитанная по новой методике, показала в полете такую устойчивость, что ей не хватало только мотора с пропеллером, чтобы стать аэропланом.
В 1902г. был построен первый аэроплан, который 14 декабря 1902г. продержался в воздухе 59 секунд и пролетел 260м. Следующая модель с мотором 16 л.с. держалась в воздухе пока не кончился бензин и пролетела по кругу 39км. В 1908г. самолет братьев Райт демонстрировался во Франции и произвел настоящий фурор в Европе, где были побиты все рекорды с результатом времени полета 2 часа 20мин., после чего в Нью-Йорке была основана самолетостроительная компания «Райт», а в Дайтоне построен первый в мире авиационный завод. Оглушительный успех братьев Райт взбудоражил умы не только авиаторов, но и ветроэнергетиков, которые начали подгонять старые ветряные мельницы под новую теорию, созданную для самолета. Российские классики, в частности академик Жуковский Н.Е. и его ученики Ветчинкин В.П., Проскура Г.Ф., Сабинин Г.Х., Фатеев Е.М. внесли свой вклад в эту подгонку, опираясь на общее утверждение аэродинамики «… не имеет значения движется ли тело в воздухе или движется воздух, обтекая неподвижное тело, т.к.силы, возникающие при этом в обоих случаях будут одинаковы [1], стр.15-16.
На схемах взаимодействия крыльев летящего самолета с неподвижной воздушной массой (Рис.1) и лопастей крыльчатки ветроколеса с ветровым потоком (Рис.2) показан характер этого взаимодействия, из которого видно, что аналогичными можно считать только усилия (Рх) лобового давления и то только по направлению, т.к. углы атаки α существенно разнятся по величине (для самолетов не более 9°, для лопастей ветроколеса – 35-40 градусов), а все остальное не имеет даже отдаленной аналогии. 
Но тем не менее д.т.н. Фатеев Е.М. построил свою схему взаимодействия сил первичного ветрового потока с лопастями ветроколеса ([1], стр.86), где так называемой относительной скорости ветрового потока отведено весьма почетное место, что позволило ему сделать следующие выводы
:ris44


При вращении ветроколеса «… воздушный поток набегает на ветроколесо не со скоростью ветра Vв, а с относительной скоростью W, которая слагается геометрически из скорости ветра Vв и окружной скорости ωR, где ω – угловая скорость и R – расстояние элемента лопасти (например, ее конца) от оси вращения ветроколеса». [1], стр. 112.

Но ведь окружная скорость ωR – всего лишь составляющая скорости ветра Vв , полученная в результате разложения Vв по осям X и У и не может складываться со скоростью первичного ветрового потока как причиной вращения. Назовем это Мифом №1.
Наглядным примером абсурдности такого сложения является сложение скорости запряженной в телегу лошади с окружной скоростью точек обода тележного колеса. Аналогия полная, но абсурдность очевидна.
2. В виду того, что окружная скорость (V0) по длине лопасти не одинакова, а возрастает по мере удаления точки ее приложения от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть тоже возрастает (Миф №2).
Это было бы здорово, если бы было правдой. Но к сожалению это не так, и это видно из следующего:
- приведя окружную скорость к единой размерности, получим:
ω = 2π*n (1) 
где n – число оборотов ветроколеса, об/сек.

Тогда 
V0 = 2π*R*n (2)

где R – длина лопасти, м.
С другой стороны
V0 / Vв = e (3) [1], стр.97

где Vв – скорость ветра, м/сек.;
e – коэффициент торможения.
Решив (3) относительно V0 и приравняв (2) к (3) после преобразований получим:
R = Vв*e/2π*n, м (4)

Из уравнения (4) следует, что длина лопасти (R) прямо пропорциональна скорости ветра и обратно пропорциональна числу оборотов ветроколеса. Иначе говоря, мы не можем манипулировать длиной лопасти без последствий.

  1. Если уменьшать угол φ лопасти по мере удаления ее конца от оси вращения ветроколеса так, чтобы «наивыгоднейший угол атаки α примерно сохранялся постоянным, то можно получить условие, при котором все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъемной силой, а лопасть с переменным углом φ заклинения получим форму винтовой поверхности». [1], стр.87.

Это будет Миф №3 и вот почему:
- согласно общепринятой терминологии угол атаки α – это угол между вектором скорости ветра и плоскостью заклинения лопасти [1], стр.52, а угол φ заклинения – это угол между плоскостью заклинения лопасти и плоскостью вращения ветроколеса [1], стр.86. И никаких частных определений этих параметров не существует.
Эти углы находятся в жесткой зависимости между собой, а именно:

α + φ = 90°

φ = 90° - α (5)

α = 90° - φ
Попытка сохранить максимальную «подъемную силу» путем манипулирования углами α и φ также является бесплодной, т.к. она зависит не только от этих углов, но и от миделева сечения элемента лопасти, на который воздействует подъемная сила (составляющая лобового давления) ветрового потока.
Ру = Су* Fмс*(ρ*Vв2)/2 (32) [1], стр. 53,
где Су –коэффициент подъемной силы;
Fмс - площадь миделева сечения лопасти, на который воздействует сила лобового давления ветра;
ρ - плотность воздушной массы;
Vв - скорость ветра.
4. Нет смысла рассматривать крыло летящего под действием силы мотора самолета в паре с вращающимися под действием силы ветра лопастями ветроколеса, т.к. между ними нет даже отдаленной аналогии ни по конструктивным, ни по технологическим признакам (см. Рис. 1 и 2). Попытки отождествить крыло летящего самолета и вращающуюся на ступице ветроколеса лопасть породило устойчивый миф (назовем его Миф №4), что это одно и то же. А между тем это абсолютно разные понятия.
Думается, настало время назвать вещи своими именами.
А сейчас самое время рассмотреть альтернативную схему взаимодействия скорости ветрового потока с лопастями ветроколеса (Рис. 3), которая свободна от натяжек и ошибок, вытекающих из классической схемы, приведенной на Рис.44 «а» и «б».
Представим себе лопасть ветроколеса в виде клинообразной пластины длиной L и средней шириной b, поставленной к направлению ветра под углом атаки α и к плоскости вращения ветроколеса под углом заклинения φ (рис.1).

ris3

Определив геометрический центр поперечного сечения лопасти в геометрическом центре самой лопасти и обозначив полученную точку значком «О», проведем через нее ось Х параллельно вектору скорости ветра, ось Х1 (продольную ось) под углом α к нему и ось У под углом φ к продольной оси, а точку «О» назовем центром давления, отстоящим от оси вращения ветроколеса на величину R.Таким образом, мы имеем систему координат с началом в центре давления, совпадающем с геометрическим центром лопасти и ее поперечного сечения в этой точке, в котором в направлении оси Х действует первичный ветровой поток со скоростью Vв, разлагающийся на составляющие:
Vлд – скорость лобового давления, действующая перпендикулярно оси Х1, являющаяся источником окружной скорости ветроколеса;
Vп1 – составляющая потерь скорости ветра, уходящая по плоскости заклинения лопасти в межлопастное пространство за ветроколесо, нарушая его статическое равновесие.Составляющая Vлд является проекцией Vв на ось, перпендикулярную оси Хи определяется по выражению:






Vлд = Vв · cosφ, м/сек (6)
Составляющая Vлд, в свою очередь, разлагается в виде проекций Vх1 на ось Х (скорость лобового давления) и Vу1 на ось У, которая 
является составляющей окружной скорости вращения ветроколеса, действует в плоскости, перпендикулярной направлению первичного ветрового потока и приложена в геометрическом центре лопасти (центре давления).
Vу1 = Vв · sinφ · cosφ, м/сек (7)

В результате вращения ветроколеса под действием скорости Vу1 возникает реакция на набегание его лопастей на воздушную массу в межлопастном пространстве, что предопределяет вторичный реактивный ветровой поток со скоростью Vор, равный Vу1 по величине, но действующий в противоположном направлении, при этом Vор также разлагается на составляющие: Vлс – составляющую лобового сопротивления и Vп2, действующую по оси Хи уходящую в межлопастное пространство.
Очевидно: 
Vлс = Vв · sin2φ · cosφ, м/сек (8)
Согласно схеме рис.1, исходя из подобия треугольников можно записать следующее соотношение:
Vу2 /Vу1 Vлс /Vлд (9)
Подставляя вместо символов Vу1; Vлс и Vлд в соотношение (7) их фактические значения из выражений (7), (8) и (6) после преобразований получим: 
Vу2 = Vв · sin3φ · cosφ,м/сек (10)
где Vу2 - составляющая окружной скорости, направленная на торможение вращения ветроколеса, приложенная также в центре давления.
Абсолютная окружная скорость центра давления лопасти Vбудет равна разности окружных скоростей прямого вращения (Vу1) и реактивного сопротивления вращению (Vу2):]
V= Vу1 -Vу2 ,м/сек (11)
Подставив в уравнение (11) значения Vу1 и Vу2 из выражений (7) и (10) соответственно, пос ле преобразований получим:
V= Vв · sinφ · cos3φ,м/сек (12)
Решив уравнение (12) относительно произведения тригонометрических функций угла φ заклинения лопасти, получим:
V
/ Vв = sinφ · cos3φ (13)
Отношение в левой части уравнения (13) называют коэффициентом торможения и обозначают значком «е» [1], стр. 97. 
Следовательно    е = sinφ · cos3φ (14) 
По мере развития ветроэнергетики и появления новых конструкций ветроколес появилась необходимость их сравнения по основным параметрам.

Такой критерий был сформулирован и введён в обращение Ветчинкиным В.П. в 1914г. в виде понятия «коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком (КИЭВ), физическая сущность которого заключается в том, сколько энергии рабочей струи ветрового потока, проходящего через ометаемую поверхность ветроколеса, расходуется на полезную работу и сколько уходит за ветроколесо, не производя никакой работы.

В 1920 году профессор Н.Е. Жуковский изложил теорию «ветряной мельницы НЕЖ», где сделал вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком. В качестве идеального ветряка Н.Е. Жуковский имел в виду ветроколесо, у которого:

1. ось вращения параллельна вектору скорости ветра;

2. бесконечно большое число лопастей очень малой ширины;

3. профильное сопротивление крыльев равно нулю, а циркуляция вдоль лопасти постоянна;

4. потерянная скорость воздушного потока на ветроколесе постоянна по всей ометаемой поверхности ветряка;

5. угловая скорость ветроколеса стремится к бесконечности».

По Жуковскому Н.Е. формула для определения КИЭВ имеет вид:
ξ=2*B*(1/2 + - √1/4-B/5) (15) 
где В – коэффициент полезного действия мельницы (или нагрузки на ометаемую ее колесом поверхность).
Приравняв к нулю производную от формулы (15) было получено численное значение B = 4/9, а после подстановки этого значения в формулу (15) было получено численное значение коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком, который составляет: 
ξ = 0,5926 
Доктор технических наук Фатеев Е.М. пытался усовершенствовать методику определения КИЭВ через введение в формулу секундной работы (Т), где 
Т=( Vв – V1)*Р (16) [1], стр. 53
в результате чего уравнение (15) приняло вид:

ξ=2*B*(( Vв – V1))*Р /Vв (17)

где В – коэффициент нагрузки на ометаемую поверхность.
В=2*Р/Fоп*ρ*Vв(18)
При этом 
Р = ρ · Fоп ·( Vв – V1)· Vв (19) 
Подставив в (17) значения В (18) и Р (19) после преобразований д.т .н. Фатеев Е.М. получил: 
ξ = 4е (1-е)(20)

Взяв первую производную от (20) и решив ее относительно «е» было получено е = 1/3, подставив которое в (20) получим максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом:
ξ = 0,593 
Просим читателей обратить внимание на идентичность результатов расчетов по обеим методикам и сделать свои соответствующие выводы.
Профессор Сабинин Г.Х. предпринял очередную попытку усовершенствовать методику определения КИЭВ идеального ветряка и предложил новую формулу для его определения, в частности:

ξ = 4е*(1-е)/(1+е) (21)

по которой численное значение его максимума составляет:
ξ = 4*0,414/(1-0,414)*(1+0,414) = 0,687 
где коэффициент торможения «е» больше, чем по Жуковскому Н.Е. на величину «… произведения увлеченной массы (воздуха) на скорость влечения с обратным знаком». [1], стр. 103.

После этих попыток решить проблему КИЭВ для ветроколес с конечным числом лопастей никто не пытался, о чем можно судить по полному отсутствию соответствующей информации в доступных источниках. Об этом же говорят В.Окулов (Россия) и Ж.Н.Соренсен (Дания) в своей статье «Идеальный ветряк с конечным числом лопастей», опубликованной в еженедельной газете Сибирского отделения РАН (№44 от 15.11.2007г.), в которой приведено следующее: «существует много численных и полуэмпирических попыток уточнить КИЭВ, когда число лопастей конечно, но теоретически решить проблему пока так и не удалось».
Таким образом «счастливый билет» в большую науку в части ветроэнергетики все еще не на руках и ждет своего хозяина. Обладателем «счастливого билета», очевидно, может быть каждый, но жизнь показывает, что победителем всегда становится тот, кто раньше встает и быстрее бежит.
Однако в рамках программы исследований по определению аэродинамических характеристик ветродвигателей профессор Сабинин Г.Х. многократно возвращается к проблеме оптимизации КИЭВ для ветроколес с конечным числом лопастей.
Эксперименты проводились на аэродинамической трубе (Рис.69 [1], стр. 146) одной из лабораторий СССР. Основными приборами при испытании ветродвигателей были:
- микроманометр спиртовой с трубкой цаги для измерения скоростного напора воздушного потока в трубе;
- самописец с хронографом для записи оборотов модели ветроколеса;
- барометр для определения атмосферного давления;
- термометр для определения температуры во время проведения опытов.

Экспериментальные характеристики ветродвигателей получают по инерционному методу Аэродинамического института в Кучино, основанному на законе инерции вращающихся масс, сущность которого состоит в следующем: чтобы сообщить вращающемуся телу известное ускорение, необходимо действие на это тело вращающего момента, величина которого равна моменту инерции этого тела, умноженному на угловое ускорение, т.е.
М = J*d*ω/d*t (149) [1], стр. 145
где J – момент инерции вращающегося ветроколеса;
- d*ω/d*t угловое ускорение.
Таким образом, зная угловое ускорение в каждый момент времени момент инерции вращающегося ветроколеса, мы можем определить крутящий моментМ = Маэр модели, вызванный внешними силами, т.е. воздушным потоком в аэродинамической трубе. Определив для каждого момента времени значение угловой скорости ω, находят число модулей
z = ω*R/Vв (22) 
которое соответствует полученному крутящему моменту ветроколеса Маэр, затем строят характеристики Маэр = f(z) и ξ = f(z), где ξ – коэффициент использования энергии ветра.
45
 Изменение характеристики ветроколеса при разных значениях угла φ заклинения лопастей можно видеть на рис.74, где приведена характеристика модели 18-лопастного ветроколеса, полученная при трех опытах с различными углами φ заклинения лопастей. 
46

Казалось бы чем больше лопастей в ветроколесе, тем больше коэффициент заполнения и тем рациональнее используется кинетическая энергия ветра, однако в реальности это невыполнимо, т.к. при количестве лопастей в ветроколесе более четырех сбегающая с них воздушная масса попадает под тыльную плоскость вслед идущей лопасти и снижает перепад давлений между ее сторонами (см. рис.4-7). 

47

 

 

Рис. 4 … 7 План распределения потерь скорости первичного ветрового потока при его взаимодействии с лопастями различных крыльчатых ветроколёс. (см. рис. 2 настоящей статьи).

На базе проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ – ξ) ветроколеса с обтекаемым профилем крыльев в 2,3 раза выше, чем у такого же ветроколеса, но с лопастями в виде пластин, закрепленных на толстом махе.

  1. Обтекаемость крыльев ветроколеса хотя бы с одной стороны повышает КИЭВ почти в два раза.
  2. Влияние числа лопастей на величину ξ ветроколеса проф. Сабинин Г.Х. предложил рассматривать через коэффициент Кз заполнения ветроколеса

Кз =S\ Fмс (23) [1], стр. 161
где S – площадь лопастей ветроколеса (а точнее Fмс – миделево сечение лопастей – их проекция на ометаемую поверхность Fоп).
С этой целью были произведены исследования четырех моделей с различным числом лопастей и с различной величиной Кз

Число лопастей

2

3

4

6

Величина Кз

0,096

0,150

0,208

0,295

Анализ результатов исследований показал, что:

  1. Число лопастей ветроколеса очень мало влияет на величину КИЭВ.
  2. Мощность ветродвигателя не зависит от числа лопастей ветроколеса; она зависит только от диаметра ветроколеса, формы лопастей и их положения в потоке ветра.

В приведенных выводах не просматривается зависимости величины ξ от коэффициента заполнения Кз, что свидетельствует о недостаточной корректности этих выводов.

Но если рассматривать величину ξ как отношение секундной работы (Т1) ветрового потока, воспринятого реальным ветроколесом с конечным числом лопастей ко всей кинетической энергии (Т2) ветрового потока, проходящего через ометаемую идеальным ветроколесом поверхность, то получим математическую зависимость величины ξ от всего комплекса факторов взаимодействия реального ветроколеса с конечным числом лопастей с первичным ветровым потоком. Иначе говоря:

ξ = Т1(24)

Т= Ру· V0 (25)

Т= Рx· Vв (26)

где Ру – подъемная сила лопасти (суммарное лобовое давление воздушного потока на лопасти, действующее в плоскости вращения ветроколеса);
Рx - лобовое давление первичного воздушного потока, действующее на все лопасти в направлении оси вращения ветроколеса;
V- окружная скорость центра давления лопастей, действующая в плоскости вращения ветроколеса;
Vв – скорость первичного ветрового потока.

Величину Ру и Рx определяют по уравнению (41) [1], стр. 56, а именно:
Ру = Су*Fмс* ρ*V02/2 (27)

Рх = Сх*Fоп* ρ*Vв2/2 (28)

где Су – коэффициент подъемной силы;
Сх - коэффициент силы сопротивления.

Подставив выражения (27) и (28) в выражения (25) и (26) соответственно, а затем в выражение (24) после преобразований получим универсальную формулу для определения коэффициента использования энергии ветра ветроколесом с конечным числом лопастей.

Последние новости

Поиск по сайту

http://rabotavetra.ru/ - Ветроэнергетические установки собственной конструкции

Презентационный фильм о наших разработках в области ветроэнергетики.

Шесть причин, которые делают карусельно-лепестковую установку уникальной:

1. Полное отсутствие аэродинамического шума и вибраций при эксплуатациии (у "традиционных" вертротурбин огромный недостаток - низкочастотный аэродинамический шум);

2. Естественная защита от ураганных ветров (при ураганном ветре более 20 метров в секунду установка тормозится естественным образом и не требует полной остановки, как это делают в традиционных ветротурбинах);

3. Надежная защита от пожара в результате попадания молнии. (По статистике 30%  страховых случаев на ветроэнергетических установках приходится на последствия пожара от удара молнии, тушение его весьма проблематично на большой высоте. Как правило любой пожара на "традиционной ветротурбине приводит к полному ее уничтожению;

Энерговыставка 2011

 

4. Возможность эффективной эксплуатации при разнонаправленных ветрах на различных высотах (лопасти работают независимо друг от друга при любом направлении ветра на разных высотах). В современной ветроэнергетике перед возведением ветроэлектростанции производится дорогостоящий длительный мониторинг ветров в заданном районе на предмет разнонаправленности ветров на разных высотах, поскольку диаметр ветроколеса составляет до 100 метров;

5. В условиях низких температур не боится обледенения лопастей (в "традиционных" ветротурбинах при обледенении нарушается балансировка ветроколеса, что впоследствии приводит к его разрушению);

6. Все электрооборудование находится внизу в сухом помещении с оптимальной температурой (в традиционных ВЭУ машинное отделение находится на высоте, что затрудняет техническое обслуживание электрооборудования и требует применение спецтехники).

Энерговыставка 2013г

 

 

Обратная связь

Известно, что к началу ХХ века в России энергия ветра использовалась для помола зерна на ветряных мельницах, на которых его перемалывалось до 34 млн. тонн с затратой энергии до 1700 млн. л.с./часов, что эквивалентно 1275 млн кВт/ час электроэнергии в год с весьма солидной установленной мощностью парка ветровых электростанций.
Постройка ветродвигателей основывалась исключительно на многолетнем практическом опыте. Мастера учили последующие поколения не по книгам, а на практической работе [1], стр. 3-4.
Такое состояние ветроэнергетики могло продолжаться еще очень долго, но на границе XIX-XX веков началось бурное развитие воздухоплавания, в частности стремления энтузиастов в США и в Европе оторваться от земли и хотя бы немного пролететь над ней и посмотреть на все сверху. В этом стремлении вырвались вперед братья Райт (американцы, владельцы велосипедной мастерской), которые к 1901г. смогли построить два планера, сумевших не только оторваться от земли, но и на несколько секунд поднять в воздух человека [2], стр. 310-319. На базе испытаний своих планеров и обобщения опыта аналогичных испытаний других изобретателей братья Райт убедились, что почти ничего не знают об аэродинамике, в частности, о взаимодействии элементов конструкции планеров с воздушной массой во время их запуска и полета, что заставило их действовать в направлении устранения этих пробелов. Так появился «ветровой туннель» (прообраз аэродинамической трубы), в которую воздух нагнетался мощным вентилятором. Проанализировав весь доступный им материал по этой проблеме и «продув» в своей аэродинамической трубе около двух сотен известных на то время моделей, братья Райт сформулировали ряд понятий и терминов, ставших позднее классикой, а именно:

подъемная сила. Это реакция массы объекта, перемещающегося в воздухе с определенной скоростью. Она всегда вертикальна и направлена вверх;

лобовое сопротивление. Это сила сопротивления воздуха движению объекта. Она всегда горизонтальна и направлена навстречу движению;

лобовое давление. Это геометрическая сумма лобового сопротивления и подъемной силы, приложенная в центре давления;

центр давления. Это точка приложения равнодействующей всех сил, действующих на крылья планера в процессе полета;

угол атаки. Это угол наклона плоскости крыла, воспринимающий лобовое давление, по отношению к вектору лобового сопротивления;

винтообразность поверхности крыла. Это принудительный загиб задней части концов крыльев вверх или вниз при помощи руля для предотвращения поперечного крена планера в процессе его полета.

Следующая модель планера, рассчитанная по новой методике, показала в полете такую устойчивость, что ей не хватало только мотора с пропеллером, чтобы стать аэропланом.
В 1902г. был построен первый аэроплан, который 14 декабря 1902г. продержался в воздухе 59 секунд и пролетел 260м. Следующая модель с мотором 16 л.с. держалась в воздухе пока не кончился бензин и пролетела по кругу 39км. В 1908г. самолет братьев Райт демонстрировался во Франции и произвел настоящий фурор в Европе, где были побиты все рекорды с результатом времени полета 2 часа 20мин., после чего в Нью-Йорке была основана самолетостроительная компания «Райт», а в Дайтоне построен первый в мире авиационный завод. Оглушительный успех братьев Райт взбудоражил умы не только авиаторов, но и ветроэнергетиков, которые начали подгонять старые ветряные мельницы под новую теорию, созданную для самолета. Российские классики, в частности академик Жуковский Н.Е. и его ученики Ветчинкин В.П., Проскура Г.Ф., Сабинин Г.Х., Фатеев Е.М. внесли свой вклад в эту подгонку, опираясь на общее утверждение аэродинамики «… не имеет значения движется ли тело в воздухе или движется воздух, обтекая неподвижное тело, т.к.силы, возникающие при этом в обоих случаях будут одинаковы [1], стр.15-16.
На схемах взаимодействия крыльев летящего самолета с неподвижной воздушной массой (Рис.1) и лопастей крыльчатки ветроколеса с ветровым потоком (Рис.2) показан характер этого взаимодействия, из которого видно, что аналогичными можно считать только усилия (Рх) лобового давления и то только по направлению, т.к. углы атаки α существенно разнятся по величине (для самолетов не более 9°, для лопастей ветроколеса – 35-40 градусов), а все остальное не имеет даже отдаленной аналогии. 
Но тем не менее д.т.н. Фатеев Е.М. построил свою схему взаимодействия сил первичного ветрового потока с лопастями ветроколеса ([1], стр.86), где так называемой относительной скорости ветрового потока отведено весьма почетное место, что позволило ему сделать следующие выводы
:ris44


При вращении ветроколеса «… воздушный поток набегает на ветроколесо не со скоростью ветра Vв, а с относительной скоростью W, которая слагается геометрически из скорости ветра Vв и окружной скорости ωR, где ω – угловая скорость и R – расстояние элемента лопасти (например, ее конца) от оси вращения ветроколеса». [1], стр. 112.

Но ведь окружная скорость ωR – всего лишь составляющая скорости ветра Vв , полученная в результате разложения Vв по осям X и У и не может складываться со скоростью первичного ветрового потока как причиной вращения. Назовем это Мифом №1.
Наглядным примером абсурдности такого сложения является сложение скорости запряженной в телегу лошади с окружной скоростью точек обода тележного колеса. Аналогия полная, но абсурдность очевидна.
2. В виду того, что окружная скорость (V0) по длине лопасти не одинакова, а возрастает по мере удаления точки ее приложения от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть тоже возрастает (Миф №2).
Это было бы здорово, если бы было правдой. Но к сожалению это не так, и это видно из следующего:
- приведя окружную скорость к единой размерности, получим:
ω = 2π*n (1) 
где n – число оборотов ветроколеса, об/сек.

Тогда 
V0 = 2π*R*n (2)

где R – длина лопасти, м.
С другой стороны
V0 / Vв = e (3) [1], стр.97

где Vв – скорость ветра, м/сек.;
e – коэффициент торможения.
Решив (3) относительно V0 и приравняв (2) к (3) после преобразований получим:
R = Vв*e/2π*n, м (4)

Из уравнения (4) следует, что длина лопасти (R) прямо пропорциональна скорости ветра и обратно пропорциональна числу оборотов ветроколеса. Иначе говоря, мы не можем манипулировать длиной лопасти без последствий.

  1. Если уменьшать угол φ лопасти по мере удаления ее конца от оси вращения ветроколеса так, чтобы «наивыгоднейший угол атаки α примерно сохранялся постоянным, то можно получить условие, при котором все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъемной силой, а лопасть с переменным углом φ заклинения получим форму винтовой поверхности». [1], стр.87.

Это будет Миф №3 и вот почему:
- согласно общепринятой терминологии угол атаки α – это угол между вектором скорости ветра и плоскостью заклинения лопасти [1], стр.52, а угол φ заклинения – это угол между плоскостью заклинения лопасти и плоскостью вращения ветроколеса [1], стр.86. И никаких частных определений этих параметров не существует.
Эти углы находятся в жесткой зависимости между собой, а именно:

α + φ = 90°

φ = 90° - α (5)

α = 90° - φ
Попытка сохранить максимальную «подъемную силу» путем манипулирования углами α и φ также является бесплодной, т.к. она зависит не только от этих углов, но и от миделева сечения элемента лопасти, на который воздействует подъемная сила (составляющая лобового давления) ветрового потока.
Ру = Су* Fмс*(ρ*Vв2)/2 (32) [1], стр. 53,
где Су –коэффициент подъемной силы;
Fмс - площадь миделева сечения лопасти, на который воздействует сила лобового давления ветра;
ρ - плотность воздушной массы;
Vв - скорость ветра.
4. Нет смысла рассматривать крыло летящего под действием силы мотора самолета в паре с вращающимися под действием силы ветра лопастями ветроколеса, т.к. между ними нет даже отдаленной аналогии ни по конструктивным, ни по технологическим признакам (см. Рис. 1 и 2). Попытки отождествить крыло летящего самолета и вращающуюся на ступице ветроколеса лопасть породило устойчивый миф (назовем его Миф №4), что это одно и то же. А между тем это абсолютно разные понятия.
Думается, настало время назвать вещи своими именами.
А сейчас самое время рассмотреть альтернативную схему взаимодействия скорости ветрового потока с лопастями ветроколеса (Рис. 3), которая свободна от натяжек и ошибок, вытекающих из классической схемы, приведенной на Рис.44 «а» и «б».
Представим себе лопасть ветроколеса в виде клинообразной пластины длиной L и средней шириной b, поставленной к направлению ветра под углом атаки α и к плоскости вращения ветроколеса под углом заклинения φ (рис.1).

ris3

Определив геометрический центр поперечного сечения лопасти в геометрическом центре самой лопасти и обозначив полученную точку значком «О», проведем через нее ось Х параллельно вектору скорости ветра, ось Х1 (продольную ось) под углом α к нему и ось У под углом φ к продольной оси, а точку «О» назовем центром давления, отстоящим от оси вращения ветроколеса на величину R.Таким образом, мы имеем систему координат с началом в центре давления, совпадающем с геометрическим центром лопасти и ее поперечного сечения в этой точке, в котором в направлении оси Х действует первичный ветровой поток со скоростью Vв, разлагающийся на составляющие:
Vлд – скорость лобового давления, действующая перпендикулярно оси Х1, являющаяся источником окружной скорости ветроколеса;
Vп1 – составляющая потерь скорости ветра, уходящая по плоскости заклинения лопасти в межлопастное пространство за ветроколесо, нарушая его статическое равновесие.Составляющая Vлд является проекцией Vв на ось, перпендикулярную оси Хи определяется по выражению:






Vлд = Vв · cosφ, м/сек (6)
Составляющая Vлд, в свою очередь, разлагается в виде проекций Vх1 на ось Х (скорость лобового давления) и Vу1 на ось У, которая 
является составляющей окружной скорости вращения ветроколеса, действует в плоскости, перпендикулярной направлению первичного ветрового потока и приложена в геометрическом центре лопасти (центре давления).
Vу1 = Vв · sinφ · cosφ, м/сек (7)

В результате вращения ветроколеса под действием скорости Vу1 возникает реакция на набегание его лопастей на воздушную массу в межлопастном пространстве, что предопределяет вторичный реактивный ветровой поток со скоростью Vор, равный Vу1 по величине, но действующий в противоположном направлении, при этом Vор также разлагается на составляющие: Vлс – составляющую лобового сопротивления и Vп2, действующую по оси Хи уходящую в межлопастное пространство.
Очевидно: 
Vлс = Vв · sin2φ · cosφ, м/сек (8)
Согласно схеме рис.1, исходя из подобия треугольников можно записать следующее соотношение:
Vу2 /Vу1 Vлс /Vлд (9)
Подставляя вместо символов Vу1; Vлс и Vлд в соотношение (7) их фактические значения из выражений (7), (8) и (6) после преобразований получим: 
Vу2 = Vв · sin3φ · cosφ,м/сек (10)
где Vу2 - составляющая окружной скорости, направленная на торможение вращения ветроколеса, приложенная также в центре давления.
Абсолютная окружная скорость центра давления лопасти Vбудет равна разности окружных скоростей прямого вращения (Vу1) и реактивного сопротивления вращению (Vу2):]
V= Vу1 -Vу2 ,м/сек (11)
Подставив в уравнение (11) значения Vу1 и Vу2 из выражений (7) и (10) соответственно, пос ле преобразований получим:
V= Vв · sinφ · cos3φ,м/сек (12)
Решив уравнение (12) относительно произведения тригонометрических функций угла φ заклинения лопасти, получим:
V
/ Vв = sinφ · cos3φ (13)
Отношение в левой части уравнения (13) называют коэффициентом торможения и обозначают значком «е» [1], стр. 97. 
Следовательно    е = sinφ · cos3φ (14) 
По мере развития ветроэнергетики и появления новых конструкций ветроколес появилась необходимость их сравнения по основным параметрам.

Такой критерий был сформулирован и введён в обращение Ветчинкиным В.П. в 1914г. в виде понятия «коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком (КИЭВ), физическая сущность которого заключается в том, сколько энергии рабочей струи ветрового потока, проходящего через ометаемую поверхность ветроколеса, расходуется на полезную работу и сколько уходит за ветроколесо, не производя никакой работы.

В 1920 году профессор Н.Е. Жуковский изложил теорию «ветряной мельницы НЕЖ», где сделал вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком. В качестве идеального ветряка Н.Е. Жуковский имел в виду ветроколесо, у которого:

1. ось вращения параллельна вектору скорости ветра;

2. бесконечно большое число лопастей очень малой ширины;

3. профильное сопротивление крыльев равно нулю, а циркуляция вдоль лопасти постоянна;

4. потерянная скорость воздушного потока на ветроколесе постоянна по всей ометаемой поверхности ветряка;

5. угловая скорость ветроколеса стремится к бесконечности».

По Жуковскому Н.Е. формула для определения КИЭВ имеет вид:
ξ=2*B*(1/2 + - √1/4-B/5) (15) 
где В – коэффициент полезного действия мельницы (или нагрузки на ометаемую ее колесом поверхность).
Приравняв к нулю производную от формулы (15) было получено численное значение B = 4/9, а после подстановки этого значения в формулу (15) было получено численное значение коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком, который составляет: 
ξ = 0,5926 
Доктор технических наук Фатеев Е.М. пытался усовершенствовать методику определения КИЭВ через введение в формулу секундной работы (Т), где 
Т=( Vв – V1)*Р (16) [1], стр. 53
в результате чего уравнение (15) приняло вид:

ξ=2*B*(( Vв – V1))*Р /Vв (17)

где В – коэффициент нагрузки на ометаемую поверхность.
В=2*Р/Fоп*ρ*Vв(18)
При этом 
Р = ρ · Fоп ·( Vв – V1)· Vв (19) 
Подставив в (17) значения В (18) и Р (19) после преобразований д.т .н. Фатеев Е.М. получил: 
ξ = 4е (1-е)(20)

Взяв первую производную от (20) и решив ее относительно «е» было получено е = 1/3, подставив которое в (20) получим максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом:
ξ = 0,593 
Просим читателей обратить внимание на идентичность результатов расчетов по обеим методикам и сделать свои соответствующие выводы.
Профессор Сабинин Г.Х. предпринял очередную попытку усовершенствовать методику определения КИЭВ идеального ветряка и предложил новую формулу для его определения, в частности:

ξ = 4е*(1-е)/(1+е) (21)

по которой численное значение его максимума составляет:
ξ = 4*0,414/(1-0,414)*(1+0,414) = 0,687 
где коэффициент торможения «е» больше, чем по Жуковскому Н.Е. на величину «… произведения увлеченной массы (воздуха) на скорость влечения с обратным знаком». [1], стр. 103.

После этих попыток решить проблему КИЭВ для ветроколес с конечным числом лопастей никто не пытался, о чем можно судить по полному отсутствию соответствующей информации в доступных источниках. Об этом же говорят В.Окулов (Россия) и Ж.Н.Соренсен (Дания) в своей статье «Идеальный ветряк с конечным числом лопастей», опубликованной в еженедельной газете Сибирского отделения РАН (№44 от 15.11.2007г.), в которой приведено следующее: «существует много численных и полуэмпирических попыток уточнить КИЭВ, когда число лопастей конечно, но теоретически решить проблему пока так и не удалось».
Таким образом «счастливый билет» в большую науку в части ветроэнергетики все еще не на руках и ждет своего хозяина. Обладателем «счастливого билета», очевидно, может быть каждый, но жизнь показывает, что победителем всегда становится тот, кто раньше встает и быстрее бежит.
Однако в рамках программы исследований по определению аэродинамических характеристик ветродвигателей профессор Сабинин Г.Х. многократно возвращается к проблеме оптимизации КИЭВ для ветроколес с конечным числом лопастей.
Эксперименты проводились на аэродинамической трубе (Рис.69 [1], стр. 146) одной из лабораторий СССР. Основными приборами при испытании ветродвигателей были:
- микроманометр спиртовой с трубкой цаги для измерения скоростного напора воздушного потока в трубе;
- самописец с хронографом для записи оборотов модели ветроколеса;
- барометр для определения атмосферного давления;
- термометр для определения температуры во время проведения опытов.

Экспериментальные характеристики ветродвигателей получают по инерционному методу Аэродинамического института в Кучино, основанному на законе инерции вращающихся масс, сущность которого состоит в следующем: чтобы сообщить вращающемуся телу известное ускорение, необходимо действие на это тело вращающего момента, величина которого равна моменту инерции этого тела, умноженному на угловое ускорение, т.е.
М = J*d*ω/d*t (149) [1], стр. 145
где J – момент инерции вращающегося ветроколеса;
- d*ω/d*t угловое ускорение.
Таким образом, зная угловое ускорение в каждый момент времени момент инерции вращающегося ветроколеса, мы можем определить крутящий моментМ = Маэр модели, вызванный внешними силами, т.е. воздушным потоком в аэродинамической трубе. Определив для каждого момента времени значение угловой скорости ω, находят число модулей
z = ω*R/Vв (22) 
которое соответствует полученному крутящему моменту ветроколеса Маэр, затем строят характеристики Маэр = f(z) и ξ = f(z), где ξ – коэффициент использования энергии ветра.
45
 Изменение характеристики ветроколеса при разных значениях угла φ заклинения лопастей можно видеть на рис.74, где приведена характеристика модели 18-лопастного ветроколеса, полученная при трех опытах с различными углами φ заклинения лопастей. 
46

Казалось бы чем больше лопастей в ветроколесе, тем больше коэффициент заполнения и тем рациональнее используется кинетическая энергия ветра, однако в реальности это невыполнимо, т.к. при количестве лопастей в ветроколесе более четырех сбегающая с них воздушная масса попадает под тыльную плоскость вслед идущей лопасти и снижает перепад давлений между ее сторонами (см. рис.4-7). 

47

 

 

Рис. 4 … 7 План распределения потерь скорости первичного ветрового потока при его взаимодействии с лопастями различных крыльчатых ветроколёс. (см. рис. 2 настоящей статьи).

На базе проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ – ξ) ветроколеса с обтекаемым профилем крыльев в 2,3 раза выше, чем у такого же ветроколеса, но с лопастями в виде пластин, закрепленных на толстом махе.

  1. Обтекаемость крыльев ветроколеса хотя бы с одной стороны повышает КИЭВ почти в два раза.
  2. Влияние числа лопастей на величину ξ ветроколеса проф. Сабинин Г.Х. предложил рассматривать через коэффициент Кз заполнения ветроколеса

Кз =S\ Fмс (23) [1], стр. 161
где S – площадь лопастей ветроколеса (а точнее Fмс – миделево сечение лопастей – их проекция на ометаемую поверхность Fоп).
С этой целью были произведены исследования четырех моделей с различным числом лопастей и с различной величиной Кз

Число лопастей

2

3

4

6

Величина Кз

0,096

0,150

0,208

0,295

Анализ результатов исследований показал, что:

  1. Число лопастей ветроколеса очень мало влияет на величину КИЭВ.
  2. Мощность ветродвигателя не зависит от числа лопастей ветроколеса; она зависит только от диаметра ветроколеса, формы лопастей и их положения в потоке ветра.

В приведенных выводах не просматривается зависимости величины ξ от коэффициента заполнения Кз, что свидетельствует о недостаточной корректности этих выводов.

Но если рассматривать величину ξ как отношение секундной работы (Т1) ветрового потока, воспринятого реальным ветроколесом с конечным числом лопастей ко всей кинетической энергии (Т2) ветрового потока, проходящего через ометаемую идеальным ветроколесом поверхность, то получим математическую зависимость величины ξ от всего комплекса факторов взаимодействия реального ветроколеса с конечным числом лопастей с первичным ветровым потоком. Иначе говоря:

ξ = Т1(24)

Т= Ру· V0 (25)

Т= Рx· Vв (26)

где Ру – подъемная сила лопасти (суммарное лобовое давление воздушного потока на лопасти, действующее в плоскости вращения ветроколеса);
Рx - лобовое давление первичного воздушного потока, действующее на все лопасти в направлении оси вращения ветроколеса;
V- окружная скорость центра давления лопастей, действующая в плоскости вращения ветроколеса;
Vв – скорость первичного ветрового потока.

Величину Ру и Рx определяют по уравнению (41) [1], стр. 56, а именно:
Ру = Су*Fмс* ρ*V02/2 (27)

Рх = Сх*Fоп* ρ*Vв2/2 (28)

где Су – коэффициент подъемной силы;
Сх - коэффициент силы сопротивления.

Подставив выражения (27) и (28) в выражения (25) и (26) соответственно, а затем в выражение (24) после преобразований получим универсальную формулу для определения коэффициента использования энергии ветра ветроколесом с конечным числом лопастей.

Подписаться на прайс

заполните поле, что бы продолжить

Подпишитесь на нашу рассылку и получайте всегда свежий прайс-лист и информацию об акциях и новостях