Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Расчет ветроколеса с горизонтальной осью: реальная мощность самодельного ветряка и ветроколеса

Содержание

реальная мощность самодельного ветряка и ветроколеса

Важный нюанс при покупке ветряка

Прежде чем приобрести или изготовить ветрогенератор, необходимо определиться с его мощностью, собственной потребностью в энергии и прочих параметрах устройства. Это принципиально важно при покупке ветряка, так как цены настолько велики, что приходится покупать устройство, которое пользователь сможет осилить по финансам. В некоторых случаях возможности оказываются настолько низкими, что приобретение уже не имеет смысла.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Как произвести?

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

  • определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
  • полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
  • зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач.  От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
  • расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

P=k·R·V³·S/2

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м3.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать?

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора. Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора

Особенностью самодельных устройств является использование подручных материалов и устройств. В таких условиях обеспечить полноценное соответствие проектным данным не всегда удается. При этом, разница в расчетных и реальных показателях может оказаться как отрицательной, так и положительной.

Величины, определяющие возможности комплекта, это мощность ветроколеса и генератора. Насколько они будут соответствовать друг другу, такая и общая мощность ветрогенератора будет получена в результате.

Например, если генератору для номинальной производительности требуется скорость вращения в 2000 об/мин, то никакое ветроколесо не сможет обеспечить нужные значения.

Поэтому прежде всего следует подбирать тихоходные образцы генераторов, способные на выработку больших количеств энергии при низких скоростях вращения. Для этого модернизируются готовые устройства (например, устанавливаются неодимовые магниты на ротор автомобильных генераторов), изготавливаются собственные конструкции на базе тех же неодимовых магнитов с заранее подсчитанной мощностью и производительностью.

Расчет параметров ветроколеса

Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора. Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.

Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.

Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:

Z = L × W / 60 / V,

Где Z — искомая величина (быстроходность),

L — длина окружности, описываемой лопастями.

W — частота (скорость) вращения крыльчатки.

V — скорость ветра.

Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.

Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.

Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.

Минимальная скорость ветра для ветряка

Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.

Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.

Рекомендуемые товары

Расчет вертикального ветряка для начинающих




Расчет вертикального ветряка по сути ни чем не отличается от расчета обычного горизонтального. Но в расчете есть свои особенности так-как вертикальные ветряки типа «Бочка» работают не за счет подъемной силы, а за счет давления ветра на лопасти.3— Скорость ветра в кубе м/с

0.6 — это скорость ветра. Ветер движущийся в пространстве принимается за единицу, но ветер при подходе к любому препятствию теряет свою скорость и мощность. Так-как потери в скорости нам не известны, то будем брать 0.6, это с учетом того что ветер потеряет скорость на 33%.

Дополнительно формула расчета площади круга S=πr2, где

π— 3,14

r— радиус окружности в квадрате

Вообще вертикальные ветряки подобно рекламным щитам ветер тормозят очень сильно, и перед препятствием образуется воздушная подушка, натыкаясь на которую новые порции ветра расходятся по сторонам и 30-40% энергии ветра уходит не принимая участия в давлении на лопасти. По-этому общий КПД, или по правильному КИЭВ ветроколеса у вертикальных ветряков достаточно низкий и составляет всего 10-20% от энергии ветра.


Из анализа самодельных вертикальных ветряков КИЭВ в основном 10% всего, но мы-же оптимисты, по-этому я буду брать КИЭВ 0.2, хотя здесь еще не учитывается КПД генератора и трансмиссии.

Далее по формуле подставляя данные для этого ветроколеса получается что:

0.6*6*2*2*2*0.2=5,76 ватт при 2м/с

0.6*6*3*3*3*0.2=19,44 ватт при 3м/с

0.6*6*4*4*4*0.2=46,08 ватт при 4м/с

0.6*6*5*5*5*0.2=90 ватт при 5м/с

0.6*6*7*7*7*0.2=246 ватт при 7м/с

0.6*6*10*10*10*0.2=720 ватт при 10м/с

Теперь понятно на что способен данный ротор. Далее нам нужно подогнать генератор к этому ротору чтобы генератор смог вырабатывать максимально возможную мощность, которая имеется на роторе, и при этом не перегружать ротор — чтобы он мог вращаться и его обороты сильно не падали. Иначе толку не будет, выработка энергии сильно упадет. Чтобы подогнать генератор нам нужно узнать обороты ветроколеса на каждой скорости ветра.


В отличие от горизонтальных ветряков, где скорость вращения кончиков лопастей обычно в 5 раз быстрее скорости ветра, вертикальный ветрогенератор не может вращаться быстрее скорости ветра. Это связано с тем что тут ветер просто толкает лопасть, и она начинает двигаться с потоком проходящего ветра. А горизонтальный винт работает за счет подъемной силы, которая образуется у тыльной части лопасти, и она выдавливает лопасть вперед, и тут обороты ограничиваются только аэродинамическими свойствами лопасти и подъемной силой.


Вдаваться в подробности не будем, и вернемся к нашему ветроколесу. Чтобы высчитать обороты ротора размером 2*3 метра, где ширина ротора 2 метра, нужно узнать длину окружности ротора. 2*3,14=6.28 метра, то-есть за один оборот кончик лопасти проходит путь в 6.28 метра. Это значит что в идеале полный оборот ротор сделает за проходящий поток ветра длинной 6.28 метра. Но так-как энергия тратится на вращение, на трансмиссию, да еще и на вращение генератора — который нагружен аккумулятором, то обороты упадут в среднем в два раза. И того полный оборот ротор сделает за 12 метров потока ветра.


Тогда получается так, если ветер 3м/с, то при этом ветре за секунду ротор сделает 0,4 оборота, а за 4 секунды полный оборот. А за минуту при ветре 3м/с будет 60:4=15об/м.

При 3м/с 12:3=4, 60:4=15об/м

При 4м/с будет 12:4=3, 60:3=20об/м.

При ветре 5м/с 12:5=2.4, 60:2.4=25об/м.

При 7м/с 12:7=1.71, 60:1,71=35об/м

При 10м/с 12:10=1.2, 60:1.2=50об/м

С оборотами ветроколеса я думаю теперь понятно, и они известны. Чем больше в диаметре ветроколесо, тем меньше его обороты относительно скорости ветра. Так к примеру ветроколесо диаметром 1 метр будет крутится в два раза быстрее чем ветроколесо 2м в диаметре.


Теперь нужен генератор, который на этих оборотах должен вырабатывать мощность не более чем может выдать ветроколесо. А если генератор будет мощнее, то он перегрузит ротор, и тот не сможет раскрутится до своих оборотов, и в итоге обороты будут низкие и общая мощность. При ветре 3м/с у нас 15 об/м, и мощность ветроколеса 19 ватт, вот нужно чтобы генератор нагружал ротор не более 19ватт. Это с учетом КПД редуктора (если он имеется) и КПД самого генератора. КПД редуктора и генератора обычно не известны, но на них тоже значительные потери, и в общем на этом теряется 20-50% энергии, и на выходе на аккумулятор уже поступает всего 50%, это в нашем случае 10ватт примерно.


Если генератор перегрузит ветроколесо, то его обороты не выйдут на номинальные, и будут значительно ниже скорости ветра. От этого упадут обороты генератора и его мощность. Плюс еще значительно медленные по скорости лопасти относительно ветра, будут его сильно тормозить и ветер будет разбегаться в стороны, в итоге мощность ветроколеса упадет еще больше. Так со слишком мощным генератором энергии на аккумулятор будет в разы меньше чем могло бы быть. Или наоборот, когда генератор слишком слабый и при 15об/м ветроколеса не может на полную нагрузить ветроколесо, то то-же получается что мы берем гораздо меньше энергии от возможной.


В итоге генератор должен соответствовать по мощности ветроколесу, только так мы можем снять максимально возможную мощность ветроколеса. Это можно сказать самая сложная задача так-как генератор может абсолютно разных характеристик напряжения и тока к оборотам. Чтобы подобрать генератор его нужно покрутить на аккумулятор и измерить отдаваемую энергию, или просчитать по формулам. А далее уже пробовать подгонять к ветроколесу.


К примеру у вашего генератора при 300об/м 1Ампет на АКБ 14вольт, это примерно 14ватт, а ветроколесо выдает 19ватт при 15об/м. Значит мультипликатор нужен 1:20 чтобы генератор крутился при этом на 300об/м. При 5м/с обороты ветроколеса 25об/м, а генератор значит будет вращаться со скоростью 500об/м. Мощность ветроколеса у нас при этом всего 90ватт, а генератор превышает по мощности и дает 200ватт. Так не пойдет ветроколесо просто будет медленно вращаться и свои 90ватт не выдаст — а 200ватт тем-более. Выход — или жертвовать началом зарядки и делать редуктор 1:15, или увеличивать по высоте ветроколесо в два раза чтобы ветроколесо потянуло генератор.


Так нужно чтобы генератор соответствовал по мощности и оборотам на всем диапазоне вращения ветроколеса. А если генератор не-дотягивает по мощности, то нужно или увеличивать передаточное число мультипликатора, или уменьшать ротор чтобы добиться баланса между оборотами и мощностью ветроколеса и генератора. Часто люди вообще без всяких расчетов ставят генераторы от чего найдут, и строят ветроколесо насмотревшись видео с ютюба, а в итоге получается что ветрогенератор не работает на малом ветру и по мощности просто мизер совсем.


Конструкции ВЭУ,горизонтально-осевые и вертикально-осевых роторы

(по материалам специалистов по ветроэнергетике КБ «Южное»: д.т.н. М.И.Галась, инж. Ю.П.Дымковец, Н.А.Акаев, И.Ю.Костюков)

В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок (ВЭУ) горизонтально-осевые или так называемые пропеллерные установки составляют более 90%, а их серийным выпуском занимаются несколько тысяч предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ вызвано несколькими причинами. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье — в 1931 г., ротор Масгроува — в 1975 г.). Кроме этого, до недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ВЭУ ошибочно считалось, что для них невозможно получить отношение максимальной линейной скорости рабочих органов (лопастей) к скорости ветра больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ это отношение достигает более 5:1).[adsense_id=»1″]
Эта предпосылка, верная только для тихоходных роторов типа ротора Савониуса, использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привела к неправильным теоретическим выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных, из-за чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался. И только в 60-х – 70-х годах сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

Играет определенную роль и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ гораздо меньше, чем горизонтально-осевых пропеллерных.
Вертикально-осевые ВЭУ стали интенсивно осваивать с начала 80-х годов, причем диапазон их мощностей непрерывно расширяется. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВЭУ с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании и Румынии в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения. Наибольших успехов добилась фирма VAWT (Великобритания). С 1986 г. на о-ве Сардиния была испытана ВЭУ этой фирмы с ротором диаметром 14 м и мощностью 40 кВт. В том же году была введена в промышленную эксплуатацию ВЭУ VAWT-450 с ротором диаметром 25 м мощностью 130 кВт. Сейчас фирма работает над созданием установки VAWT-850 мощностью 500 кВт. Фирма приступила к разработке более крупной установки VAWT -2400 с ротором диаметром 67 м мощностью 1.7 МВт.

В России разработкой вертикально-осевых ВЭУ с прямыми лопастями занимаются КБ «Радуга», ООО «ГРЦ-Вертикаль», Объединение «Гидропроект», ЦАГИ, ВНИИ электроэнергетики, ООО «Электросфера» и многие другие. Созданы опытные установки ВЛ-2М, ВДД-16 и др., которые при испытаниях показывают неплохие результаты.

Почему для разработки все больше выбирают вертикально-осевые ВЭУ с прямыми лопастями?
Встречающиеся в литературе сопоставления ВЭУ вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем обычно ограничиваются упоминанием о предпочтительности вертикально-осевых ВЭУ в связи с их основной особенностью — нечувствительностью к направлению ветра и, следовательно, возможностью значительного упрощения конструкции установки. Более того, прогнозируется наибольшее применение вертикально-осевых ВЭУ в развивающихся странах, не владеющих современными технологиями. В обоснование такого прогноза выдвигается именно конструктивная простота вертикально-осевых установок, не требующих поворотных устройств и систем.[adsense_id=»1″]

Однако опыт проектирования и эксплуатации ветрогенераторов (ветроэлектрических или ветроэнергетических установок) показывает, что отсутствие поворотных устройств и систем — не единственный оценочный параметр для сравнения их с горизонтально-осевыми пропеллерными. Вертикально-осевые и горизонтально-осевые ВЭУ — принципиально разные решения, многие характеристики этих установок не повторяются.

Поэтому кроме независимости работы вертикально-осевых ВЭУ от направления ветра, как явно положительной характеристики, обусловливающей многие другие достоинства, существует целый ряд других их принципиальных особенностей и конструктивных решений, которые можно рассматривать как не менее важные.

Ниже приведены некоторые сопоставительные оценки вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем, проведенные с разных точек зрения. Сравнениям будет подвергаться пропеллерная установка в традиционном исполнении и вертикально-осевая типа Дарье с прямыми лопастями.

ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЭУ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА

Наибольшая эффективность горизонтальных пропеллерных ВЭУ достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем ориентации на ветер для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении. Наличие в конструкции ВЭУ системы ориентации на ветер само по себе усложняет ветроагрегат и снижает его надежность (по данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ этого типа до 13% общего количества отказов приходится на системы ориентации).

Кроме того, практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для ветроустановок средней и большой мощности с диаметром ветроколеса более 30-40 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по длине размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса а оптимальное направление ориентации. Из-за этого снижаются выработка электроэнергии (вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока) и экономическая эффективность ветроустановки.

К конструктивным недостаткам можно отнести то, что система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой (корпусом ветро-агрегата) и опорной башней горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, чем обусловливаются появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что в конечном счете снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки.[adsense_id=»1″]

Эффективность же работы вертикально осевых ВЭУ принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Неравенство характеристик ветрового потока по высоте приводит лишь к некоторому выравниванию моментов поворота, снимаемых с лопастей.

КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок равен, 0.593. Это объясняется тем, что роторы ВЭУ обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти, К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0.4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0.38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4-0.45 — вполне реальная задача. Таким образом, можно отметить, что коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.

ЗАПУСК ВЭУ

Считается, что момент трогания горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ не равен 0, поэтому для их запуска не требуются внешние источники энергии. Однако на практике ветроколесо этого типа самозапускается только в том случае, если оно с той или иной точностью направлено на ветер. При боковом же ветре мощное ветроколесо может и не самозапуститься и необходим внешний источник энергии для разворота гондолы с ветроколесом на ветер.

Долгое время считалось, что момент трогания вертикально-осевых ВЭУ равен 0, т. е. считалось, что они не самозапускаются.
Однако ученые ГРЦ-Вертикаль разработали ветро-ротор H-Дарье, который самозапускается при скорости ветра 3.5-4 м/с в зависимости от мощности (массы) ветро-турбины. Момент трогания этих ветроустановок гораздо больше 0, а для самораскрутки достаточно лишь небольшого порыва ветра.

Тем не менее, крупные ветроэнергетические установки обычно оснащают дополнительными турбинами типа Савониуса для гарантированного старта.
Усложнение конструкции ВЭУ приводит к снижению надежности, а введение дополнительных аэродинамических устройств — к снижению мощности ветровой турбины, что хуже, чем наличие источника мощности для запуска. Это учитывается на современном этапе и при проектировании новых конструкций горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Так, разработчики установки серии МОД мощностью 4.4 МВт отказались от одного из важнейших преимуществ этого типа ВЭУ — возможности самозапуска, выполнив лопасти ротора с фиксированным шагом, рассчитанным на наиболее эффективную работу в номинальном диапазоне скоростей ветра. Для запуска был использован прием, заимствованный у вертикально-осевых ВЭУ, — кратковременное переключение генератора на двигательный режим и разгон ротора.

РАЦИОНАЛЬНОСТЬ СИЛОВОЙ СХЕМЫ ВЕТРОТУРБИНЫ

Инерционные нагрузки на лопасть горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ направлены вдоль лопасти, т. е. наиболее выгодным образом. Ступица колеса и элементы опорно-подшипникового узла компактны и малогабаритны. Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой ВЭУ направлены поперек лопасти вдоль траверсы. Ступица и опорно-подшипниковый узел имеют большие габариты. Таким образом, ветротурбина (ветро-ротор) вертикально-осевой ВЭУ в меньшей степени удовлетворяет требованию рациональности силовой схемы, чем ветротурбина горизонтально-осевой пропеллерной. Как результат этого ветотурбина с вертикально-осевой ВЭУ оказывается тяжелее горизонтально-осевой пропеллерной.

Между тем при переходе к ВЭУ мегаваттных мощностей необходимо учитывать значительно меняющийся характер нагружения. Во-первых, аэродинамические нагрузки на лопасть горизонтально-осевой ВЭУ в верхнем в нижнем положении неодинаковы из-за разницы скоростей ветра по длине размаха лопастей. Лопасть работает в разных быстроходностях и передает ступице пульсирующий крутящий момент. Во-вторых, возрастает значение сил гравитации. Пульсирующие аэродинамические и гравитационные нагрузки существенно снижают виброживучесть лопасти, ступицы и опорно-трансмиссионной системы. Возрастают также силы Кориолиса при поворотах турбины на ветер.

КОНСТРУКЦИЯ ЛОПАСТИ[adsense_id=»1″]

Все сечения лопасти горизонтальной пропеллерной ВЭУ находятся в разных энергетических состояниях из-за различия в них окружных скоростей и углов атаки. Это различие значительно снижается благодаря скрутке сечений лопасти одно относительно другого. Особенности инерционного нагружения лопасти приводят к необходимости сужения профиля к концу лопасти. Таким образом, пропеллерная лопасть конструктивно представляется значительно более сложной, чем прямоугольная, симметричная относительно хордовой плоскости лопасть вертикально-осевой ВЭУ. С другой стороны, сборка стеклопластиковой лопасти вертикально-осевой ВЭУ из отдельных секций представляет значительную трудность ввиду необходимости организации фланцевых стыков.

ПОВОРОТ ЛОПАСТЕЙ[adsense_id=»1″]

Поворот лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не только как средство торможении ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе оборотов во избежание выхода его в разнос.

Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, так как при этом нужны и система непрерывного слежения за числом оборотов, и поворотные устройства с приводами для каждой лопасти, и система автоматического управления углами поворота лопастей. С точки зрения предотвращения опасности выхода на аварийный режим вращения ветроколеса поворотные системы и устройства для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ совершенно необходимы.

Поворот лопастей вертикально-осевой турбины был бы весьма эффективен не только для торможения, но и для поддержания оптимального угла атаки при всех положениях лопасти на окружности вращения. Установки с таким принципом работы в настоящее время применения не находит по следующим соображениям: массивная лопасть за время одного оборота вокруг оси вращения должна сделать несколько качаний, сориентированных на направление ветра. Не говоря уже о сложности создания самих систем и устройств для таких поворотов, установка становится зависящей от направления ветра, а ее конструкция будет значительно усложнена. Однако главным соображением по этому поводу остается тот факт, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевой ВЭУ находится на уровне эффективности горизонтально-осевой пропеллерной.

ОМЕТАЕМАЯ ПОВЕРХНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ, СНИМАЕМАЯ С ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ ЛОПАСТИ[adsense_id=»1″]

Ометаемая поверхность горизонтальных пропеллерных определяется площадью круга, образуемого вращающимися концами лопастей. Для вертикально-осевой ВЭУ эта поверхность определяется как площадь прямоугольника со сторонами, равными длине лопасти и диаметру ветротурбины (ветро-ротора). Таким образом ометаемая поверхность вертикально-осевой ВЭУ образуется более выгодным образом, так как прямоугольная поверхность может изменяться не только за счет изменения длины лопастей, но и за счет диаметра их вращения, что расширяет тактические возможности варьирования параметрами ветротурбины при ее проектировании и отработке.

Энергия, снимаемая с единицы длины лопасти горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, несмотря на кручение лопасти сильно изменяется от комля к концу лопасти, главным образом вследствие увеличения быстроходности (от 0 в районе комля лопасти до максимального значения на конце лопасти).

Если говорить о вертикально-осевой ВЭУ, то значение снимаемой энергии незначительно изменяется по длине лопасти, причем это изменение зависит только от изменения качества энергии ветрового потока: наличия порывов ветра, непостоянства скорости ветра по высоте. Однако здесь есть другие причины потерь снимаемой энергии — неоптимальные углы атаки, в разных положениях лопасти на окружности вращения, падение моментов вращения ветротурбины в положениях, когда лопасть движется вдоль потока, и снижение моментов вращения от лопасти, проходящей аэродинамическую тень башни. Таким образом, надо ожидать, что эффективность съема энергии ветра лопастями установок обоих типов будет примерно одинаковая.

Необходимо отметить, что у малых (до 5 кВт) ветроустановок ГРЦ-Вертикаль угол атаки выставляется оптимальным образом, в зависимости от ветровой обстановки региона, в котором будет работать ВЭУ.
В крупных установках угол атаки может регулироваться в зависимости от режима работы. При трогании угол атаки должен быть больше, а по мере увеличения угловой скорости уменьшаться. Такая система серьезно повышает эффективность, хотя и ведет к соответствующему удорожанию.

СТЕПЕНЬ БЫСТРОХОДНОСТИ[adsense_id=»1″]

Среди горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ наибольшее распространение получили быстроходные (до 5-7 модулей) установки с числом лопастей менее четырех. Они обеспечивают наивысший коэффициент использования энергии ветра, т. е. наиболее эффективны. Высокая степень быстроходности предполагает использование значительно усложняющих конструкцию ВЭУ специальных устройств и систем для ограничения угловой скорости вращения в определенных жестких пределах и предотвращения разноса ветроколеса и трансмиссии. Постоянство довольно высокой рабочей скорости вращения обусловливает упрощение трансмиссионных связей ветроколеса с генератором и достаточно высокое качество электроэнергии без усложнения преобразующих электрических схем.

В то же время постоянство рабочей скорости вращения, ограниченной прочностью лопастей на инерционную нагрузку, означает ограничение рабочих скоростей ветра (обычно в пределах 12—15 м/с) и работу ветроустановки в оптимальном режиме только при определенном ветре, что, естественно, несколько снижает эффективность установки.

Для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ с турбинами больших диаметров возрастает влияние некомпланарности скорости ветра по высоте и воздействия гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки в материале лопасти, в опорных устройствах трансмиссий и в самих трансмиссиях. Эти влияния и воздействия тем ощутимее, чем выше быстроходность, предопределяющая повышенное внимание к динамической устойчивости работы всех вращающихся элементов, повышенные требования к прочности конструкции и точности ее изготовления, к качеству сборки, смазке и балансировке вращающихся деталей и узлов.

С этой точки зрения трудно переоценить вертикально-осевую схему, принципиально обеспечивающую ВЭУ тихоходную работу. Во всех известных экспериментах, в том числе и в тех, которые были направлены на поиск средств достижения максимально возможного коэффициента использования энергии ветра, быстроходность не превышала 2.5-2.8 модулей. Значение этого обстоятельства станет особенно понятным, если учесть, что все энергетические характеристики (в том числе и коэффициент использования энергии ветра) вертикально-осевых ВЭУ остаются на уровне этих характеристик горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Снижение быстроходности (в 2-3 раза) — это резкое улучшение условий эксплуатации механизмов благодаря снижению уровня динамичности, упрощения требований к опорно-трансмиссионным элементам, исключение необходимости в механизмах и системах, обеспечивающих постоянство скорости вращения. Снижение быстроходности позволяет работать с оптимальным коэффициентом использования энергии ветра при всех значениях скорости ветра, входящих в рабочий диапазон, т.е. повысить эффективность ВЭУ при довольно простой конструктивной схеме лопасти. Рабочий диапазон скоростей ветра на тихоходных ветроустановках расширяется до 20—25 м/с. Однако при всем этом необходимо иметь в ввиду, что при тихоходности повышаются крутящие моменты, что приводит к увеличению материалоемкости лопастей ветротурбины в целом за счет длинных траверс, габаритной ступицы и массивных трансмиссий. Необходимо также учитывать, что переменность частоты вращения ветротурбины предполагает введение в электрическую схему преобразователей в целях повышения качества вырабатываемой электроэнергии и согласования ее качества с качеством сетевой энергии.

Принципиально вертикально-осевая ВЭУ с прямыми лопастями может быть быстроходной, ограничением является прочность лопастей па поперечные инерционные нагрузки и вибронагрузки. Тенденция разработки все более и более прочных, легких и дешевых композиционных материалов открывает перспективы создания быстроходных прямолопастных ветродвигателей типа Дарье.

РАЗМЕЩЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА И МУЛЬТИПЛИКАТОРА

Бесспорно большим преимуществом вертикально-осевых ВЭУ является возможность размещения генератора и мультипликатора на фундаменте установки, исключения угловой передачи крутящего момента. Это позволяет отказаться от мощной, вероятнее всего многопоточной угловой передачи крутящего момента, упростив требования к монтажепригодности оборудования (исключить ограничения по габариту и массе) и к условиям эксплуатации (отсутствие толчков и вибраций). При размещении оборудования на фундаменте резко улучшаются условия его монтажа и эксплуатации, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии.

В горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ избегают вводить угловую передачу и размещают оборудование во вращающейся гондоле. При этом неизбежны сложности в связи с повышением требований к монтажепригодности оборудования, условиям его эксплуатация, а также при организации подъема оборудования и его эксплуатации в верхнем положении. Немало трудностей вызывает и передача электроэнергия от вращающегося вместе с гондолой генератора. Для того, чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, вводить коллекторную передачу либо отсоединять и раскручивать шину. Во всех этих случаях в конструкцию ветроустановки вводятся дополнительные устройства, усложняющие ее.

Необходимо отметить, что передача крутящего момента на уровень фундамента связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако обусловленное этим усложнение конструкции вполне компенсируется преимуществами нижнего размещения оборудования, даже в том случае, если вал будет послередукторным, т. е. быстроходным. При доредукторном (тихоходном) исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений не вносит.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль редуктор (мультипликатор) отсутствует, что дает выигрыш в эффективности (при его наличии уменьшается КПД). Генератор и часть силовой электроники расположены непосредственно в корпусе ступицы, что, с одной стороны, усложняет обслуживание, а с другой стороны улучшает эффективность.

НАДЕЖНОСТЬ

В горизонтальных пропеллерных ВЭУ удачно используются достижения авиационной техники, в частности в области проектирования лопастей, систем управления углами их установки, трансмиссий. Следовательно, есть все основания полагать, что эти установки достаточно отработаны и их надежности могут быть даны далеко не низкие оценки. Тем не менее, очевидно, что после отработки вертикально-осевые ВЭУ, особенно агрегаты большой мощности, обещают более высокую надежность. Основанием для такого суждения являются значительное упрощение их конструкции, снижение уровня требований к изготовлению трансмиссий, упрощение условий монтажа и эксплуатации и т. д., что обусловлено следующими особенностями этих установок: отсутствие механизмов и систем управления поворотом гондолы на ветер, размещение генератора и мультипликатора на фундаменте, отсутствие необходимости в устройствах и системах управления углом установки лопастей, отсутствие проблем с передачей электроэнергии от генератора.

Необходимо отметить, что высокий уровень надежности сложной конструкции предполагает высокий уровень развития технологии. Этот фактор очень важен для оценки оптимальности вариантов кооперации различных предприятий по изготовлению отдельных узлов и агрегатов установок. Если учесть сказанное, трудно предположить, что значительно более простая и надежная конструкция ветроустановки окажется более дорогостоящей, несмотря на ее несколько большую материалоемкость.

МОЩНОСТЬ

В последние годы в мировой ветроэнергетике наблюдается тенденция к увеличению единичной мощности ВЭУ, что объясняется следующими факторами. Ввиду того что с ростом мощности установки снижается стоимость электроэнергии, получаемой с 1 м2 ометаемой поверхности, уменьшаются расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание установки, сокращаются площади отчуждаемых земельных участков, растет и эффективность ВЭУ.

Однако укрупнение горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ малоэффективно. Оно имеют верхний предел мощности в З-4 МВт, так как на их лопасти помимо центробежных действуют изгибающие силы, переменные по величине и направлению, что ограничивает размеры лопастей, существенно снижает надежность горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ и сокращает сроки их эксплуатации. Поэтому переход на большие мощности предполагает качественное изменение конструкции ВЭУ. В свете этого наиболее предпочтительным решением является вертикально-осевая схема, теоретический предел мощности которой по современным представлениям на порядок выше теоретического предела мощности горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

РАСЧЕТНАЯ СКОРОСТЬ ВЕТРА

Как уже отмечалось выше, расчетная скорость ветра горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ обычно находится в пределах 12—15 м/с по условию прочности лопастей на инерционную нагрузку. Произведенные объединением Гидропроект расчеты по определению расчетных скоростей ветра на основании данных более 200 метеостанций России о ветровом потенциале выявили ряд районов (на восточном побережье Северного Ледовитого океана, Охотского моря, в Приморье, на Камчатке, Курильской гряде, в горах Казахстана, Кавказа, Крыма и др.), где экономически обоснованными являются расчетные скорости ветра 18-20 м/с и рабочий диапазон скоростей ветра высокой обеспеченности — до 30 м/с. Как показали исследования казахских специалистов, проведенные для района Джунгарских ворот (здесь при среднегодовой скорости ветра 8 м/с преобладает ветер со скоростью более 15 м/с), начальная скорость ветра слабо влияет на уровень используемой энергии. Так, при изменении начальной скорости ветра от 4.5 до 7.5 м/с выработка электроэнергии снижается менее чем на 2%. Влияние же расчетной скорости ветра на выработку электроэнергии весьма велико. Например, увеличение расчетной скорости ветра с 10.4 до 20 м/с приводит к увеличению выработки более чем в 4 раза. Это свидетельствует о том, что для районов с высоким ветровым потенциалом значения расчетной скорости ветра, принимаемые для обычных ВЭУ, оказываются недостаточными, так как при этом окажутся недоиспользованными слишком большие ветроэнергетические ресурсы.

Как было указано выше, рабочий диапазон скоростей ветра для тихоходных вертикально-осевых ВЭУ повышается до 20-25 м/с, в связи с чем в районах с высоким ветровым потенциалом без всякого сомнения вертикально-осевые ВЭУ заведомо предпочтительнее.

Ветрогенераторы (ветроустановки) ГРЦ-Вертикаль работают в диапазоне скоростей ветра 4-60 м/с, при номинальной (рабочей) скорости 10.4 м/с. По достижении номинала скорость ВЭУ стабилизируется за счет аэродинамических тормозов.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Тихоходные вертикально-осевые ВЭУ с точки зрения воздействия на окружающую среду имеют преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными: при их работе ниже все уровни аэродинамических и инфрашумов, вибрации, меньше теле- и радиопомехи, меньше радиус разброса обломков лопастей в случае их разрушения, ниже вероятность столкновения лопастей с птицами.

В частности, уровень шума ветрогенераторов ГРЦ-Вертикаль находится в пределах 40-50 Дб в непосредственной близости к ВЭУ, а на расстоянии 10 метров заглушается шумами окружающей среды. Для сравнения, шум вентилятора компьютера составляет 50 Дб. Электромагнитные колебания практически отсутствуют, в связи с чем данные ветроустановки можно размещать вблизи коммуникационных центров (в т.ч. аэропортах), где требования к чистоте эфира достаточно высоки в связи с присутствием навигационного оборудования.

Горизонтальные и вертикальные вибросмещения мачты и ступицы, возникающие при действии аэродинамических и инерционных возмущающих сил, могут также явиться последствием дисбаланса (смещения центра масс) ротора. Большинство исследований виброколебаний вертикально-осевых установок, служащих основной причиной возникновения шумов и инфразвука, было проведено в ООО «ГРЦ-Вертикаль». В отличие от горизонтально-осевых пропеллеров малой мощности (до 10 кВт), вызывающих вертикальные вибросмещения амплитудой до 5 мм, ВЭУ «ГРЦ-Вертикаль» генерируют вибросмещение до 0.2 мм, что не оказывает существенного влияния на фундамент или сооружение, на котором расположена ВЭУ. Более того, согласно применимым ГОСТам и СНиПам такие ВЭУ можно располагать на жилых, офисных и производственных зданиях, не говоря о сложных инженерных сооружениях (мосты, фермы, и т.д.).

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАССЫ[adsense_id=»1″]

Для приведенной ниже сравнительной оценки рассматривались характеристики трех ветроустановок: NEWECS-45 (Голландия), ВТО- 1250Б (Россия), предварительный проект установки Д. де Рензо (США), из которых ВТО- 1250Б является вертикально-осевой:

ХАРАКТЕРИСТИКИ NEWECS-45 ВТО-1250Б Д. де Рензо
Установленная мощность, МВт 1 1.25 1.5
Расчетная скорость ветра, м/с 14.1 20 11.5
Массовые характеристики, кг:
ветроколесо, в том числе: 40000 17430
— лопасть 3000 4000 2580
— втулка (ступица) 19000 8000 12270
— траверса 16000
система передачи момента, в том числе: 16000 35180
— редуктор 2000 10000 20860
— прочее 6000 14320
электрическая система, в том числе: 10000
— генератор 3000 5000 6950
опорная башня 70000 70000 69360
прочие системы 6000
Общая масса, кг 142000 136000 128940

Необходимо отметить, что массовые характеристики предварительного проекта установки Д. де Рензо получены расчетным путем на основании теоретических методик, и при рабочем проектировании с учетом конкретных конструктивных и технологических требований реальные характеристики ветроустановки будут конечно выше.

Из приведенных данных видно, что рабочие органы (лопасть, траверса) ветроколеса горизонтально-осевой пропеллерной установки легче вертикально-осевой, однако втулка (ступица) у них значительно тяжелее. Система передачи момента легче у вертикально-осевой установки, даже несмотря на наличие в ряде случаев трансмиссионного вала. Массы электрической системы и опорной башни установок обоих типов примерно одного порядка.

Общая масса рассмотренных установок находится примерно на одном уровне с небольшим преимуществом вертикально-осевой ВЭУ благодаря отсутствию гондолы, механизмов и систем ориентации на ветер и поворота лопастей.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль трансмиссионный вал отсутствует, что создает дополнительное преимущество этих установок перед остальными вертикально-осевыми ВЭУ.

В сложном сочетании свойств, чаще всего двойственно характеризующих каждый из типов ВЭУ, невозможно разобраться методами их качественной оценки (тяжелее-легче, сложнее-проще, эффективно-неэффективно). Необходим количественный анализ всего комплекса характеристик ВЭУ на основе теоретических и модельно-экспериментальных исследований с получением данных об эффективности ветроустановок обоих типов в экономической и метеорологической обстановке конкретного региона.

Если сравнивать с требованиями к ветроэлектрическим установкам средней мощности (до 1 МВт), то требования к установкам мегаваттного класса более высокие, в первую очередь в части потребительских свойств (надежность, экологическая чистота, удобство обслуживания и ремонта, простота конструкции, срок эксплуатации и т.п.). Учитываются и такие важные свойства, как экономическая эффективность, стоимость строительства, затраты на эксплуатацию и т. п. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют вертикально-осевые ВЭУ, не уступающие горизонтально-осевым пропеллерным по энергетическим характеристикам, но отличающиеся свойствами, которые могут обеспечить снижение себестоимости электроэнергии в районах с повышенным ветровым потенциалом.

По оценкам экспертов установки ГРЦ-Вертикаль малой мощности также имеют преимущество перед горизонтально-осевыми ВЭУ.

Если рассуждать в самом общем плане, то необходимо подчеркнуть, что одной схемой, как и одним типоразмером ВЭУ, не удовлетворить потребности всех регионов даже одной страны. Ветроэнергетика как подотрасль энергетики станет конкурентоспособной только при условии развития различных направлений, способных создать государственный рынок ветроэнергетической техники.

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Ветрогенератор своими руками — расчеты, чертежи, изготовление

Человек использует ветер уже несколько тысяч лет. Скорей всего, это началось с изобретения паруса. Несколько позже ветер стали использовать для привода ветряных мельниц, а с прошлого века — для выработки электричества. Получение энергии от ветросиловых установок является чрезвычайно заманчивой, но и весьма сложной технической задачей. В настоящее время имеется несколько вариантов технических конструкций ветрогенератора своими руками, хорошо зарекомендовавших себя на практике.
Ветер — поток воздушных масс над земной поверхностью. Он возникает из-за неравномерного нагрева этой поверхности солнечными лучами. Воздух из областей повышенного давления перемещается в направлении областей низкого давления. На скорость ветра влияют характер земной поверхности, протяжённость воздушного потока над этой поверхностью и различные природные и искусственные препятствия, такие как холмы, высокие деревья, здания. Среднегодовая скорость ветра для конкретной местности характеризует энергетический ветровой потенциал района. Эту скорость определяет среднеарифметическое значение скоростей за периоды, например, за месяц, сезон и год. Россия располагает значительными ветровыми ресурсами. Особенно они велики по всему морскому побережью и на территории юга нашей страны (рис. 1). Регионы со среднегодовой скоростью ветра 3,5-6 м/с и выше считаются вполне перспективными для строительства ветроэлектрических установок (ВЭУ).
Если выяснится, что в месте предполагаемой установки ветрогенератора нет достаточно сильных ветров, то и не будет никакого смысла в её сооружении.

Второй вопрос — насколько мощным сделать ветрогенератор. Очевидно, что все энергетические проблемы исключительно с его помощью решить не удастся. Скорость ветра изменчива не только в зависимости от сезона, но и от времени суток, поэтому энергию необходимо запасать и бережно её расходовать. А лучше всего использовать различные источники совместно, например, ветряк и солнечные батареи (рис. 2).

Правда, многие самодельщики готовы собирать ветровую установку своими руками даже только для того, чтобы заряжать аккумуляторы своего карманного гаджета. Это будет просто хобби. Но вот если вообще нет электроэнергии и перспективы её туда провести совершенно нереальны, то постройка ветрогенератора своими руками окажется полезной.

Расчет установки ветрогенератора

Простейшие расчёты помогут определить реальные возможности установки. Существует показатель, который позволит оценить, какую часть энергии воздушного потока можно использовать с помощью ветроколеса. Его называют коэффициентом использования энергии ветра (Е). Коэффициент использования энергии ветра Е зависит от типа ветродвигателя, качества его изготовления и других параметров. Лучшие быстроходные ветродвигатели с обтекаемыми аэродинамическими лопастями имеют значение Е = 0,43-0,47. Это означает, что ветроколесо такой ВЭУ может полезно использовать 43-47% энергии воздушного потока.

Максимальное теоретически вычисленное значение Е = 0,593, но на практике получить его невозможно.

Мощность ветроколеса на валу без учёта потерь в передачах и подшипниках можно подсчитать по формуле:

р — массовая плотность воздуха, равная при нормальных условиях 0,125 кг*с2/м4,
V — скорость ветра (м/с),
Р — ометаемая ветроколесом поверхность (м2),
Е — коэффициент использования энергии ветра.

Рассчитать площадь, ометаемую воздушным колесом, можно по формуле:

Для нормальных условий (температура — 15°С и давление — 760 мм рт.ст.) мощность можно рассчитать по упрощённым формулам в лошадиных силах и в киловаттах:

D — диаметр ветроколеса (м).

Сделать ветряк малого диаметра, стабильно работающий при малых ветрах, — сложная задача. Воздушный винт получает 75% энергии с кольцевой области ометания от 0,5 до 1,0 радиуса. В связи с этим наименьший диаметр пропеллера, выгодного с точки зрения использования ветра со скоростью 4 м/с, должен быть не менее 4,5 м. Для малых ветров предпочтительнее оказываются тихоходные многолопастные винты.

Для ветроэлектростанции применяют генераторы переменного или постоянного тока. В самодельных ВЭУ очень часто используют генератор от современного автомобиля. Несмотря на то что они вырабатывают переменный ток, любой из них не очень подходит для этой цели, так как требует высоких оборотов и подмагничивания обмотки возбуждения. А генераторы постоянного тока вообще плохо работают при медленном вращении и даже на номинальных оборотах имеют небольшую мощность (100-200 Вт).

Самодельный ветрогенератор из асинхронного двигателя

Гораздо лучшие результаты можно получить с помощью переделанного асинхронного электродвигателя, снабдив его ротор постоянными магнитами. Эти двигатели не имеют никакой обмотки в роторе, а только металлические пластины. Если к ротору прикрепить постоянные магниты, то получится трёхфазный генератор удивительно прочной и долговечной конструкции, способный отдавать токи в десятки ампер при низких скоростях вращения.

Однако при высоких оборотах из-за большого тока начинают греться обмотки статора. В таком случае провод этих обмоток лучше заменить на другой — с большим сечением.

В трёхфазном генераторе переменного тока имеются 3 обмотки, соединить которые можно по схеме «треугольник» или «звезда». Треугольное соединение позволяет получить большой ток при меньшем напряжении, чем у соединения в звезду. Звезда наоборот даёт большее напряжение при меньшем токе. Трёхфазные генераторы намного эффективнее однофазных и генераторов постоянного тока. Это доказал ещё Никола Тесла.

Любой ветроагрегат требует защиты от шквальных порывов ветра. Вместо сложной системы поворота лопастей всё чаще используют механизм разворота всего колеса под углом к воздушному потоку.

Преобразование переменного тока в постоянный (который необходим для зарядки аккумуляторов) легко произвести с помощью полупроводниковых диодов, включённых по мостовой схеме (см. рис. 3). Если же вам потребуется напряжение стандартной электросети 220 В частотой 50 Гц, то в качестве инвертора используйте обычный компьютерный блок бесперебойного питания. Новый блок стоит дорого, но поскольку нам потребуется лишь повышающий инвертор, то можно использовать и списанный. Достаточно к нему вместо внутреннего подсоединить аккумулятор ветряка. Мощности UPS 1000 или UPS 5000 будет более, чем достаточно.

Расчет лопастей ветрогенератора

Крепление лопастей к втулке позволяет перемещением их балансировать ветровое колесо в сборе.

Примером простейшей, но вполне работоспособной ВЭУ может служить конструкция французского умельца (фото 1). Его шестилопастное ветряное колесо, лопасти которого хомутами прикреплены к металлическим пруткам (фото 2), соединённым электросваркой с общей втулкой (рис. 4), насаживается на ось электрогенератора.

Рис. 4. Втулка ветрового колеса.

Аэродинамический руль устанавливает колесо строго к ветровому потоку.

Для автоматической ориентации лопастей на ветер служит аэродинамический руль, прикреплённый к поворотной трубе силового узла установки (фото 3). Подшипники поворотного устройства обеспечивают поворот ветроколеса с генератором на опорной мачте при изменении направления ветра.

Лопасти и аэродинамический руль выпилены из фанеры толщиной 10 мм. Консоль кронштейна крепления пера руля при порывистом ветре испытывает большие нагрузки, и потому её изготовили из заготовки толщиной в 15 мм. Готовые лопасти и руль мы видим на фото 4. Выкройки этих деталей представлены на рис. 5-8. Хотя лопасти и имеют плоский профиль, но их кромки должны быть обработаны в соответствии с рисунками.

Фото 6.Доработка ротора асинхронного электромотора позволяет получить эффективный генератор переменного тока для ветроустановки.
Фото 7. Переделать ротор можно двумя способами. Первый — это наклеить магниты на механически обработанный ротор двигателя. И второй способ — из стальной ленты по деревянной оправке сделать новый ротор, на который так же наклеить магниты.

Фото 8Катушки полюсов статора лучше сразу перемотать проводом большего сечения.

Ветровое колесо имеет 6 лопастей. Однако всего их было изготовлено 9. Три коротких лопасти необходимы для замены трёх полноразмерных лопастей на время сезона сильных ветров (фото 5). Балансировку ветрового колеса можно произвести перемещением лопастей по пруткам от втулки или ближе к ней.

Пожалуй, самой трудоёмкой будет переделка асинхронного электродвигателя в трёхфазный генератор. Двигатель мощностью 150 Вт и выше, рассчитанный на работу от сети 220 В при частоте 50-60 Гц, после переделки сможет в качестве генератора ветроустановки отдавать в нагрузку ток до десятка ампер при напряжении не ниже 12 В.

Главной переделке в будущем генераторе подвергается ротор. После разборки электромотора тело ротора протачивают и фрезеровкой пазов разделяют на несколько сегментов. В нашем случае их шесть. На каждом сегменте размещены постоянные магниты (см. рис. 9). Их прикрепляют по 6 шт. на каждый полюс ротора (всего их 36) прочным эпоксидным клеем (фото 6). Количество полюсов магнитов на роторе не должно быть кратным количеству катушек на статоре. Это исключит трудный пуск ветроколеса из-за «залипання» магнитов ротора на статорных полюсах.

Есть и второй способ переделки ротора — это сделать из стальной полосы нужного диаметра цилиндр (по деревянной оправке) и на него наклеить магниты (фото 7).

Собирать обмотки полюсов статора при работе генератора на зарядку аккумулятора лучше в треугольник, а при прямой нагрузке большим током — в звезду. Катушки статора в любом случае лучше перемотать проводом большего сечения (фото 8). Это уменьшит потери на нагрев.

Ветроэлектрические установки, работающие параллельно с другими установками, использующими возобновляемые источники энергии (солнечные батареи, гидрогенераторы, тепловые насосы и пр.), вполне могут обеспечить энергоснабжение жилого дома или небольшого хозяйства. При наличии резерва в виде электроагрегата с бензодвигателем временное снижение альтернативной энергии может быть компенсировано в любой момент. Подобные системы приносят большую экономию энергии, получаемой от традиционных источников.

Борис ГЕОРГИЕВ, Москва

Подбор генератора и расчет лопастей для бытовой ветроэлектростанции

Подбор генератора и расчет лопастей для бытовой ветроэлектростанции

Подбор генератора

Для того чтобы правильно подобрать генератор, на самом деле необходимо учитывать множество факторов, как и рельеф места установки ветроэлектростанции, так и количество электроприборов у вас дома

Генератор используется для заряда аккумуляторных батарей и отвечает за мощность ветроэлектростанции. Сила тока, а также его напряжение напрямую зависят от скорости и постоянности ветра. Лопасти в свою очередь за счет кинетической энергии ветра приводят в движении вал генератора.

Как узнать какой мощности потребуется вам генератор? Если вам необходимо много электроэнергии для вашего хозяйства, то выбирайте очень мощный генератор, т.к. он сможет быстрее заряжать аккумуляторные батареи. Так, в независимости от необходимой вам электроэнергии, если ваша ветроустановка находится в зоне слабых ветров, то генератор вам понадобится очень мощный. Иногда применяются даже два генератора, подключенных к одной батарее.

Итак, чтобы подобрать генератор, нужно знать, сколько ежемесячно вы потребляете электроэнергии, это количество киловатт разделить на 24 (сутки), чтобы знать, сколько энергии будет потребляться в час, при этом скорость заряда аккумуляторных батарей генератором должна составить как минимум 560 Ватт в час. Поэтому если вы собираетесь установить ветроэлектростанцию на возвышенной и открытой территории, с средними порывами ветра в год, вам понадобится генератор с повышенной мощностью, в три раза больше необходимой.

Расчет лопастей

Что касается лопастей, с экономичной точки зрения лучше выбирать одполостные, по сравнению с трехполостными, при одинаковых порывах ветра, он будет крутится быстрее, а это значит что вы можете купить не столь мощный генератор. Не менее приятен фактор, что однополостные ветроэлектростанции иногда даже тише трехполостных.

Пропеллерные ветростанции имеют 1,2 или 3 лопасти сложной конструкции, дорогой редуктор, систему контроля и тормоза. Преобразование кинетической энергии ветра пропеллерными станциями в механическую широко варьируется в пределах от 10 до 30 %, в зависимости от типа станции.

Малые ветроэлектростанции используют хвостовую лопасть для автоматического позиционирования по ветру и приостановления лопастей в случае сильного ветра, чтобы предотвратить повреждение турбины.

Ветроэлектростанции с горизонтальной осью вращения

Ветроэлектростанции используются с ветроколесами с различными количествами лопастей: однолопастные ветроэлектростанции с контргрузами и многолопастные ветрогеэлектростанции (с числом лопастей до 50 и более).

Ветроэлектростанции с вертикальной осью вращения

Эти ветроэлектростанции производят электричество в зависимости от силы ветра и площади лопастей пропеллеров ветроэлектростанции. Например, увеличивая вдвое площадь лопастей ветроэлектростанции , можно получить вчетверо больше электричества.

Обороты ветроколеса в зависимости от скорости ветра, диаметра и быстроходности (об/мин)

Диаметр ветроколеса (метры) 2 Скорость ветра м/с
Ветроколесо Z 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1-лопастное 9 86 172 258 344 430 516 602 688 774 860 946 1032
2-лопастное 7 67 134 201 268 334 401 468 535 602 669 736 803
3-лопастное 5 48 96 143 191 239 287 334 382 430 478 525 573
6-лопастное 3 29 57 86 115 143 172 201 229 258 287 315 344
12-лопастное 1,2 11 23 34 46 57 69 80 92 103 115 126 138

ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ ВЕТРОКОЛЕСА

ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Из трех классов ветродвигател’ей—крыльчатые, кару­сельные и барабанные — для ветроэлектрических стан­ций, как правило, используются крыльчатые, как наибо­лее эффективные и обладающие наибольшей быстро­ходностью.

На рис. 1-6 показаіна схема крыльчатого ветроколе — са быстроходного типа, состоящего из четырех крыльев,

Рис. 1-6. Схема крыльчатого быстроходного ветро — колеса.

Закрепленных на общей втулке. Втулка с крыльями уста­навливается на горизонтальном валу, свободно вращаю­щемся в подшипниках. Крыло состоит из маха и закреп­ленной на нем лопасти. Лопасть образует с плоскостью вращения некоторый угол <р, который называется углом установки лопасти.

При воздействии на ветроколесо воздушного потока на лопастях возникают аэродинамические силы, приво­дящие ветроколесо во вращение. На каждый элемент лопасти воздушный моток набегает с. относительной ско­ростью Wi под углом а, называемым углом атаки.

Рассмотрим скоростной и силовой треугольники эле­мента лопасти, взятого на радиусе г (рис. 1-7).

Пусть ширина элемента равна Ь, а длина dr. Тогда площадь этого элемента будет:

Ds — b dr.р —2~ b (sin p — jj. cos P) dr.

)

Чтобы определить значения dPл и dQ на каждом элементе крыла, необходимо знать его ширину Ь, вели­чину и направление относительной скорости wx и угол а, позволяющий определить величину коэффициента су. Однако, как это видно из треугольника скоростей (рис. 1-7), для нахождения величины и направления век­тора скорости w1 необходимо знать, кроме величины скорости ветра v и окружной скорости тг, еще величины скоростей о1п и и1п, называемых индуктивными. Скорости о1п и «,п возникают в результате воздействия вращаю­щихся лопастей на поток. ПоэТйму нельзя решить за­дачу расчета ветроколеса, не зная характера деформации потока, обтекающего ветроколесо.

Впервые связь сил, действующих на ветроколесо, с конструктивными параметрами лопастей и индуктив­ными скоростями, возникающими в потоке, была уста­новлена проф. Г. X. Сабинииум. Созданная им импульс­ная теория ветряных двигателей широко применяется до ‘настоящего времени.

Рассмотрим основные положения этой теории.

Представим себе, что равномерный поток воздуха под­ходит к ветроколесу со. скоростью v (рис. 1-8). Вращаю­щееся ветроколесо создает подпор, вследствие чего ско­рость потока по мере приближения к ветроколесу и не­которое время за ветрэколесом падает. Таким образом

Рис. 1-8. Элементарная кольцевая струйка и кольцевые элементы лопасти.

В сечении 1-І скорость будет v1 = v~vln, а в сечении II-II— v2 = v — v2n (здесь vln и v2n—индуктивные ско­рости в сечениях 1-І и //-//). Давление воздуха в струе по мере приближения к ветроколесу повышается, но при прохождении через ветроколесо резко падает. За ветро — колесом образуется некоторое разрежение, которое в дальнейшем постепенно исчезает.

Вырежем из струи, обтекающей ветроколесо (рис. 1-8), на радиусе г элементарную кольцевую струй­ку толщиной dr. Воздух, заключенный в эту кольцевую струйку, действует на лопасти ветроколеса, вызывая си­лу лобового давления dPn и окружное усилие dQ. Вме­сте с тем по закону противодействия элементы лопастей, расположенные в кольцевой струйке, с такими же сила­ми будут воздействовать на воздушный поток, в резуль­тате чего в нем возникнут осевые Vla и окружные и1п индуктивные скорости.

Напишем выражение для импульса осевой силы. Им­пульс силы равен приросту количества движения воз­духа, проходящего через кольцевую струйку. Для интер­вала времени в 1 сек будем иметь:

DPJi~vdm — vadm—(v — v2)dm, (1-16)

Где

Dm = 2яг dr = const (1-17)

Есть масса воздуха, проходящая через кольцевое сече­ние в 1 сек, т. е. массовый расход струи, который в силу неразрывности потока будет одинаковым во всех сечениях.

Так как скорость в сечении //-// равна va — v — и2п, то выражение (1-16) можно записать в следующем виде:

DP=dmv2a. (1-18)

Окружное усилие dQ можно определить, применяя теорему о моменте импульса силы. До подхода к вет­роколесу струя не вращается, поэтому секундный при­рост момента количества движения будет равен dm X X и’,п > где ип — скорость вращения струи непосред­ственно за плоскостью вращения ветроколеса.j — dr,

DQ = сі ~y b (sin p — [A cos p) dr =

= 2npv1u2nr dr,

Где і — число лопастей.

Эти формулы импульсной теории проф. Г. X. Саби­нина являются основой всех конструктивных теорий расчета ветроколес. Разница между существующими. конструктивными теориями, позволяющими рассчитать и спроектировать ветроколесо, заключается в тех допу­щениях, которые делаются при подсчете индуктивных скоростей Vin, v2n и и1п, и2п.

В соответствии є вихревой теорией Н. Е. Жуков­ского

V2n ~ 2vln и й2п = 2й1п. (1-23)

По теории Г. X. Сабинина, учитывающей наличие при­соединенных масс в струе за ветроколесом, соотноше­ние индуктивных скоростей vln и v2a получается не­сколько иным, а именно:

2й1п

И2п=——— (1-24)

1 + — 1 V

Полная осевая сила и окружное усилие всего ветро — колеса могут бы

Статическая тяга гребных винтов

Статическая тяга гребных винтов

Пропеллеры

Содержание


D

диаметр

м

N

момент рыскания

м

R

радиус

м

а

длина подвесных тросов

м

e

половинное расстояние между тросами подвеса

м

т

период одного колебания

с

м

масса

кг

г

ускорение свободного падения

м / с

n

скорость вращения

1 / с

Вт

частота вращения

рад / с

Вт

шаг

рад / с


Введение

Вращающийся пропеллер создает не только тягу, но и другие силы и
моменты.Некоторые из этих эффектов будут обсуждаться здесь.

Одним из основных эффектов, уникальных для механики вращающихся объектов, является гироскопия.
моменты. Эти моменты возникают, когда вращающийся объект (например, металлический диск,
колесо велосипеда или пропеллер) более или менее быстро наклоняется.

Вращение переднего колеса велосипеда y путем перемещения руля «вправо»
(правая ручка назад, левая ручка вперед) создает «крутящий момент» для
осталось(!). Поэтому при езде на велосипеде поворот вправо должен начинаться с
кратковременно повернуть влево — возникающий гироскопический момент заставляет байк
рама наклоняется вправо, и новое силовое равновесие может быть достигнуто с помощью
руль снова в нейтральном положении.


Здесь мы рассматриваем типичный пропеллер для гоночной модели пилона, который имеет следующие параметры:

в стандартных единицах СИ это

Момент инерции воздушного винта можно оценить по-разному.
В следующих параграфах показаны результаты трех разных моделей.

Моделирование точечными массами

Самая простая модель заменяет каждую лопасть массой, расположенной в
центр тяжести каждого лезвия. Центр тяжести лопастей
Конкретный пропеллер был найден путем взвешивания пропеллера, разрезанного на две части.В
В результате центр тяжести находился на 30% от радиуса. Тогда момент
инерцию можно определить следующим образом:

Результатом будет нижняя граница истинного значения, потому что внешние области
лопастей не моделируются с достаточной точностью.

Моделирование стержнем

Пропеллер также можно заменить твердым стержнем такой же массы. Тогда
момент инерции будет

Это значение будет представлять собой верхний предел, поскольку масса лезвия не
распределены равномерно по радиусу — пропеллер имеет большую массу, расположенную вблизи
ступица и меньше в сторону наконечников).

Моделирование с помощью диска

Наконец, можно подумать о замене пропеллера на сплошной тонкий диск из
равная масса

Здесь предполагается, что масса винта равномерно распределена по
область диска.

Определение по маятнику
Эксперимент

Момент инерции также можно определить экспериментально. Для этого
пропеллер подвешен на двух длинных тросах и приводится в колебания. От
измеренный период колебаний T для малых амплитуд w можно найти
момент инерции J с использованием следующего уравнения

Небольшая ошибка будет вызвана сопротивлением воздуха, особенно если
масса пропеллера очень мала.

Маятниковый эксперимент.

Использование пилонного гребного винта (до того, как он был разрезан на лопасти):
значения были измерены

Эти числа дают момент инерции

Хотя высокая точность может быть достигнута с помощью больших полномасштабных гребных винтов, мы
Должен предполагать снижение точности примерно на 20% для небольшой легкой модели
пропеллеры.

Выводы

В таблице представлены результаты приведенных выше оценок.За исключением простого
Точечная масса модели результаты довольно близки. Результаты экспериментов соответствуют
между стержнем и моделью диска так, чтобы для практического применения казалось,
оправдано брать среднее значение этих двух моделей.

модель расчетный момент инерции
точечная масса J = 1.056 E-5 кг м 2
стержень J = 7,822 E-5 кг м 2
диск Дж = 5.867 E-5 кг м 2
опыт J = 6,678 E-5 кг м 2

Сравнение различных методов оценки момента инерции.

Для упрощения следующих расчетов значение J = 5,0 E-5
кг м 2 было использовано.


Момент рыскания, создаваемый прецессией воздушного винта, составляет

Пример

об / мин пропеллера
момент инерции
шаг (это резкий маневр по тангажу / повороту, плавные скоординированные повороты могут
выставить примерно половину этого значения)

Результирующий момент рыскания будет

В случае обычного направления вращения пропеллера (модель: по часовой стрелке
если смотреть из ствольной коробки) движение «по высоте»
w («тянуть») производит рыскание
q в направлении «руль направления к
верно».В этот момент самолет отклоняется вправо. Если
качка w находится в
вниз «направление (» толчок «) самолет чувствует тенденцию к повороту влево.

Если, например, модель находится в полете режущей кромкой ножа с
левое крыло опускается, и пилот быстро отклоняет руль высоты «вверх» по рысканью модели.
направо, повернув нос в небо.


Пример

Результирующий крутящий момент на валу двигателя составляет

Этот крутящий момент должен поддерживаться самолетом, например.грамм. по дифференту элеронов. Пока
поскольку самолет катится по земле, поддержка осуществляется через приземление
снаряжение на земле. В зависимости от ширины колеи колеса нагружены соответственно.
выгружал соответственно. Разные нагрузки на колеса создают разные
силы трения и, следовательно, момент рыскания.
При ширине колеи 200 мм нагрузки неравномерны на +0,52 Н соответственно. 0.52 с.ш.
для двух колес типичной модели F3D. Это относительно небольшая разница
по сравнению с базовой нагрузкой на вес модели около 2.5 кг (25N).

Предположим, что травяное поле с коэффициентом трения

момент рыскания от крутящего момента двигателя составляет

Этот момент составляет только около 10% момента, вызванного быстрыми изменениями шага, поскольку
они возникают в конце разбега.


След гребного винта закручивается из-за крутящего момента двигателя. В
закрученное движение можно определить по отклонению направления потока в
след от направления потока вне следа.Этот угол закрутки велик, когда
скорость полета мала и становится меньше при увеличении скорости полета.

Закрученный след от винта встречается с горизонтальными хвостовыми плоскостями, в результате чего
момент качения, Он также взаимодействует с вертикальным плавником, который обычно находится выше
центральная линия. Это вызывает боковую силу на плавнике и, следовательно, момент рыскания.
что должно быть компенсировано дифферентом руля направления. Особо мощные самолеты с
низкие обороты (высокий крутящий момент) создают большие углы завихрения на малых взлетных скоростях.Примеры
истребители 1940-х годов. Поэтому некоторые из этих самолетов были оснащены
вертикальные кили с изогнутыми секциями аэродинамического профиля, чтобы избежать постоянного руля направления
прогиб для обрезки.

Двигатели авиамоделей обычно работают на довольно высоких оборотах, что означает
малые моменты реакции крутящего момента. Следовательно, угол закрутки внутри следа
пилонный гоночный самолет очень мал (менее 1 градуса) и может быть почти
пренебрегали.


В некоторых случаях следует учитывать и другие эффекты.Наклонный пропеллер
под углом атаки также создает момент рыскания, а также подъемную силу.

Момент рыскания возникает из-за того, что лопасти движутся вверх и вниз
увидеть набегающий поток под разными углами — лезвие сбоку движется
вниз (правая сторона на типичной модели самолета) видит больший угол
атаковать и, следовательно, производит больше тяги, чем когда лезвие движется вверх
с противоположной стороны. Таким образом, средняя тяга всего гребного винта действует
со смещением к оси вращения.Когда лопасти находятся в вертикальном положении
положение, это смещение исчезает. Тяга, а также результирующее рыскание
момент колеблется с частотой в зависимости от количества лопастей.

Подъемную силу можно объяснить, рассматривая поток через винт.
диск, когда винт находится под углом атаки. Трубка, проходящая через
винт изогнут, в результате чего радиальная составляющая силы рассматривается как боковая сила
или поднять.


Куда вы сейчас хотите пойти?

Движение пропеллерами
Дизайн опоры
Оптимальные пропеллеры
Эквивалентные многолопастные пропеллеры
Статистика вертолетов и самолетов вертикального взлета и посадки

Последнее изменение страницы:
21.05.18

[Вернуться домой
Страница] Предложения? Исправления? Замечания? электронное письмо:

Мартин Хепперле.

В связи с увеличением количества спама, у меня
регулярно менять этот адрес электронной почты. Вы всегда найдете самую свежую версию
в нижнем колонтитуле всех моих страниц.

Может пройти некоторое время, прежде чем вы получите ответ
а в некоторых случаях вы можете вообще не получить ответа. Прошу прощения за это, но
мое свободное время ограничено. Если вы не потеряли терпение, возможно, вы захотите отправить
мне копию вашего электронного письма через месяц или около того.
Это частная некоммерческая страница , предназначенная исключительно для образовательных целей.
Любые утверждения могут быть неверными и непригодными для практического использования. Я не могу взять
любая ответственность за действия, которые вы выполняете на основании данных, предположений, расчетов
и т.д., взятые с этой веб-страницы


1996-2018 Martin Hepperle
Вы можете использовать данные, приведенные в этом документе, в личных целях. Если вы используете это
документ для публикации, необходимо указать источник.Публикация перекомпиляции
данного материала не допускается, если полученный продукт продается по
чем производственные затраты.


Этот документ может случайно относиться к торговым наименованиям и товарным знакам, которые принадлежат национальным или международным компаниям, но которые мне неизвестны. Их права полностью признаны, и эти компании любезно просят сообщить мне, если они не хотят, чтобы их имена использовались вообще или использовались по-другому.

Этот документ

является частью набора фреймов, и его можно найти, перейдя от точки входа к
Веб-сайт http: // www.MH-AeroTools.de/
.

Impressum
Datenschutz

Измерение угловой скорости воздушного винта с помощью видеокамеры с использованием электронного рольставни

Бесконтактное измерение вращательного движения имеет преимущества по сравнению с традиционным методом измерения вращательного движения путем установки на объект некоторых устройств, таких как датчик угла поворота. Камеры могут использоваться в качестве датчиков дистанционного контроля или проверки для измерения угловой скорости воздушного винта из-за их обычной доступности, простоты и потенциально низкой стоимости.Недостатком измерения с помощью камер является обработка массивных данных, генерируемых камерами. Чтобы уменьшить количество данных, собираемых камерой, камера, использующая ERS (электронный скользящий затвор), применяется для измерения угловых скоростей, которые превышают скорость камеры. Эффект рольставни может вызвать геометрическое искажение изображения, когда пропеллер вращается во время захвата изображения. Чтобы выявить взаимосвязь между угловой скоростью и искажением изображения, была создана модель вращения.Предложенный метод применен для измерения угловых скоростей двухлопастного и многолопастного гребных винтов. Результаты экспериментов показали, что этот метод позволяет обнаруживать угловые скорости, превышающие скорость камеры, и точность является приемлемой.

1. Введение

Вращение — одно из основных движений, которое часто встречается в таких машинах, как двигатели, шестерни и другие колеса. Вращение должно контролироваться, чтобы машины оставались в исправном состоянии, и многие механические отказы вызываются вращательным движением.Поэтому важно измерить угловую скорость. Для измерения угловых скоростей широко используются датчики контактного типа, такие как механические тахометры, оптические тахометры, фотоэлектрические энкодеры и оптические энкодеры [1]. Эти методы обычно основаны на механическом контакте, и в результате на них легко влияет вращение цели или небольшая инерция цели. За последние двадцать лет были разработаны бесконтактные методы, такие как томография, ультразвук, лазер и компьютерное зрение [2].Усовершенствованные датчики могут преодолеть недостатки датчиков контактного типа, и компьютерное зрение может быть более широко использовано по сравнению с другими бесконтактными датчиками.

За последнее десятилетие некоторые исследователи сосредоточились на угловых измерениях на основе компьютерного зрения. Wang et al. [3] измеряли угловые скорости двигателя с нечеткими изображениями, содержащими информацию о движении. Угловые скорости могут быть извлечены из этих размытых движущихся изображений в полярных координатах. Ait-Aider et al. [4, 5] получили позу и скорость объекта с помощью камеры с электронным скользящим затвором (ERS).Его метод был основан на предположении, что все линии в реальном мире прямые, а эти линии искажены на изображении, полученном камерой ERS. Magerand et al. [6] измерили позу и движение объекта на одном изображении ERS с автоматическим сопоставлением 2D-3D. Он и Вэй [7] измерили скорость вала с помощью камеры ERS. Чжу и Ю [2] измерили угловые скорости объекта с помощью преобразования Хафа.

Измерение угловой скорости с помощью компьютерного зрения также имеет некоторые недостатки, такие как качество воздуха в окружающей среде и трудоемкость процесса.Есть два способа повысить скорость обработки. Один из способов — уменьшить разрешение камеры, но этот способ не соответствует тенденции развития камер [8, 9]. Другой способ — снизить скорость камеры [10]. Другими словами, он измеряет высокоскоростное вращение с помощью низкоскоростной камеры. Но когда угловая скорость намного превышает скорость камеры, трудно определить угол неоднозначности или искажения изображения. Есть несколько исследований по измерению высокоскоростного вращения с помощью низкоскоростной камеры.Скорость ряда камеры ERS намного выше скорости камеры. Это специальное свойство поможет измерить высокоскоростное вращение некоторых объектов, таких как колеса или пропеллеры, которые имеют симметричную структуру. Эти объекты очень распространены в машинах, и их легко анализировать для определения угловых скоростей. Предыдущие исследования не пытались измерить высокоскоростное вращение камерой ERS [4–7].

В этом документе камера ERS работает как датчик для измерения угловой скорости пропеллера, который вращается быстрее, чем скорость камеры.Для измерения угловой скорости создается симуляция, демонстрирующая с помощью изображений, что пропеллер вращается с разными скоростями. По геометрическим особенностям изображений предложен алгоритм расчета угловой скорости воздушного винта. Также демонстрируются эксперименты для проверки и проверки предложенного метода измерения угловой скорости. Оставшаяся часть теста организована следующим образом. В разделе 2 представлен принцип работы ERS, а также предложен алгоритм, проверенный на моделировании.В разделе 3 установлены два эксперимента для проверки предложенного метода в реальных условиях. Наконец, раздел 4 завершает статью.

2. Метод

В области обработки цифровых сигналов теорема выборки Найквиста – Шеннона устанавливает достаточное условие для частоты дискретизации, которое позволяет дискретной последовательности выборок захватывать всю информацию из непрерывного сигнала с конечной полосой пропускания. . Достаточная частота дискретизации как минимум вдвое превышает максимальную частоту дискретизации; более того, на практике частота дискретизации обычно четырехкратная.Чтобы измерить угловую скорость камерой, необходимо обработать большой объем данных. Чтобы уменьшить количество данных, генерируемых камерой, можно использовать низкоскоростную камеру с ERS. Камера ERS имеет специальную функцию, которая записывает изображения строка за строкой, и эта функция может некоторым образом увеличить скорость камеры.

2.1. Принцип работы ERS

Камера ERS — это тип датчика изображения CMOS, который очень распространен в мобильных телефонах. Количество сигнала, генерируемого датчиком изображения, зависит от количества света, попадающего на изображения, с точки зрения экспозиции.

Следовательно, для управления интенсивностью и продолжительностью экспозиции требуется встроенный электронный затвор. Затвор CMOS имеет два типа: глобальный затвор и рольставни. С датчиками изображения с глобальным затвором каждая строка пикселей изображения экспонируется одновременно. Таким образом, в результирующем изображении нет артефактов движения. При использовании датчиков изображения с рольставнями, ряды изображения экспонируются последовательно, начиная сверху и постепенно снизу. Для каждой строки изображения время интегрирования и задержка строки фиксированы, что приводит к равномерному смещению времени по всему кадру.Когда направление движения объекта ортогонально направлению строки изображения, на захваченном изображении возникают визуальные артефакты. Принцип работы ERS показан на рисунке 1. Поскольку датчик изображения эффективно интегрирует каждую строку массива пикселей в разный момент времени, статический фонарный столб, расположенный вертикально по отношению к скоростной автомагистрали, становится наклонным, как показано на рисунке 1 (b ). Благодаря таким характеристикам камеры ERS низкоскоростная камера может записывать больше информации о быстро движущемся объекте.Хотя в некоторых работах это свойство применялось для измерения линейного движения или вибрации [7, 11], в большинстве работ пытались устранить этот эффект на изображении [12–14]. В данной статье это свойство используется для измерения угловой скорости пропеллера.

2.2. Фоновая сегментация

Перед расчетом скорости вращения винт должен быть сегментирован от фона. Модель гауссовой смеси (GMM) [15] используется в качестве неконтролируемого обнаружения изменения изображения для извлечения винта.Максимизация ожидания (EM) [16] — популярный метод, используемый для определения параметров смеси с заранее заданным числом компонентов. Алгоритм EM предоставляет особый способ, который реализует оценку максимального правдоподобия для параметра в GMM. Но M-шаг алгоритма EM не может оценить априорное распределение в закрытой форме из-за сложности оценки максимального правдоподобия. Следовательно, для каждой итерации в EM-алгоритме к M-шагу применяется корректирующий этап проекции [17] с целью, чтобы априорные вероятности были положительными и в сумме равнялись единице.

Сегментация GMM имеет много дефектов, таких как дыры и шумы на изображении. Перед сегментацией изображения удаляются с помощью метода, предложенного Xu et al. [18]. Расчет вращения во многом зависит от геометрических характеристик гребного винта, сегментированного от фона. Эти дефекты гребного винта могут привести к ошибкам в результатах расчетов. Отверстия должны быть заполнены, а небольшая изолированная область должна быть стерта.

2.3. Расчет угловой скорости

Пропеллер выбран в качестве измеряемой величины, как показано на рисунке 2.Этот гребной винт имеет две изолированные лопасти, а его начальный угол определяется величиной. Для демонстрации закономерностей, записанных камерой ERS, моделирование показано на рисунке 3 (в этой статье все единицы угловой скорости — об / с). Пропеллер находится в центре одиночного изображения размером 1000 × 1000. Последовательность экспозиции камеры ERS — сверху вниз. Время задержки строки составляет 996 μ с, а время экспонирования каждой строки составляет 4996 μ с. Задержки кадра нет, поэтому время всего изображения составляет одну секунду.Пропеллер вращается по часовой стрелке с разными скоростями, как показано на рисунке 3. Начальный угол изображений первого ряда на рисунке 3 составляет 0,25; начальный угол изображений второго ряда на рис. 3 равен 0,5. Чтобы извлечь угловую скорость из одного изображения, процедура состоит из двух частей: поиск центра пропеллера и определение угла поворота. Все операции основаны на предположении, что двухлопастной винт имеет центральную симметрию.


Точки на разных кромках лезвия группируются в разные наборы:, где — количество изолированных лезвий.Точка выбирается на изображении случайным образом. Расстояние от до точки в

Пусть, где max () — математическая функция для нахождения максимальных значений входных данных. Если может удовлетворять условию в (2), центр есть.

Моделирование постоянной силы пропеллера для многороторных БПЛА на основе экспериментальной оценки скорости притока

Проектирование и моделирование беспилотного летательного аппарата (БПЛА) во многом зависит от тяги, создаваемой двигателем и гребным винтом. Целью данной статьи является моделирование обобщенной математической взаимосвязи между оборотами двигателя и соответствующей тягой, генерируемой в процессе предварительного проектирования приложений с низким числом Рейнольдса.Разработан метод определения обобщенной математической модели, которая связывает скорость притока с коэффициентом тяги с использованием экспериментальных данных из 291 точки данных гребного винта, включая входные обороты и соответствующую выходную тягу. Используя это соотношение, рассчитывается силовая константа, которая определяет каждую математическую модель тяги и оборотов. В первой части выражение коэффициента притока, полученное с помощью теории элементов и импульса лопасти (BEMT), аппроксимируется к упрощенной форме. В более поздней части предложенная математическая модель проверяется на двух новых наборах пар комбинаций мотор-винт.Специальное примечание в Приложении рассказывает о применении этой математической модели. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

1. Введение

Последние несколько десятилетий показали рост использования и развития БПЛА. Большинство современных беспилотных летательных аппаратов, используемых для разведки, наблюдения и управления операциями в случае стихийных бедствий, питаются от электрической силовой установки, которая продемонстрировала значительно улучшенную тяговую эффективность и снижение шума по сравнению с обычными системами двигателей внутреннего сгорания.БПЛА зарекомендовали себя очень полезными во время борьбы со стихийными бедствиями, когда они зависают в одном месте, чтобы надежно сбросить медикаменты или визуализировать места [1, 2].

Плотность энергии определяется как количество энергии, которое вещество или компонент может хранить или преобразовывать на единицу массы самого себя. Топливо, которое можно сжечь, имеет плотность энергии на порядок величины в три-четыре раза больше, чем у твердотельных топливных элементов, таких как литий-полимерный (LiPo) аккумулятор [3, 4].Но недостатком использования двигателя является то, что он очень неэффективен и создает много загрязнения. Поскольку исследования показывают, что бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) очень эффективны, их использование стало очень распространенным в электрических БПЛА. Поскольку силовая установка электрического БПЛА состоит из батарей, электронных регуляторов скорости (ESC), двигателей, пропеллеров и т. Д., Общий обзор показывает, что вес двигательной установки может составлять приблизительно 50% от общего веса летательного аппарата. вся система, как показано в [5–7].Примеры также можно взять из [8–10]. Таким образом, оптимизация двигательной установки БПЛА становится очень важным аспектом конструкции БПЛА. В двигательной установке может быть много других компонентов, но аккумулятор, двигатель и винт имеют гораздо более значительное влияние на всю систему. Другой важный аспект — стабилизация БПЛА. Большинство общих методов управления основаны на силе тяги и угловой скорости двигателя, предполагая простую параболическую зависимость. Производительность и характеристики автомобиля зависят от их сильного взаимодействия.Целью этой статьи является не представление метода оптимизации или оптимального исследования, а скорее изучение взаимодействия между этими компонентами и их обобщение. Результаты этой статьи имеют значительную область применения в процессе предварительного проектирования любого БПЛА (малого или среднего размера). Это поможет сэкономить время и снизить стоимость проекта за счет устранения необходимости в многочисленных первоначальных стендовых испытаниях с использованием различных гребных винтов и двигателей для определения наилучшего сочетания силовой установки для транспортного средства.

Метод, описанный в этой статье, начинается с оценки скорости притока, которая упрощается с помощью приближений. Существует альтернативный подход к оценке скорости притока. Обычно известное как правило большого пальца , геометрические характеристики пропеллера рассматриваются на радиусе пропеллера от центра. Основными рассматриваемыми параметрами являются угол закручивания, ширина воздушного винта и сечение профиля в этой точке. Все эти параметры должны быть рассчитаны или измерены с фактического гребного винта, поскольку эти спецификации не доступны в стандартных спецификациях. Преимущество метода, обсуждаемого в этой статье, заключается в том, что он использует только те параметры, которые существуют в стандартных доступных спецификациях, такие как диаметр и шаг гребного винта.

В первой части статьи обсуждаются метод разработки и приемы, используемые для упрощения традиционной связи между тягой, создаваемой винтом, и его заданным числом оборотов в минуту, которая основана на очень известных теориях, а именно, теории элемента лопасти и теории импульса. В следующем разделе обсуждаются предположения, сделанные для простой оценки скорости притока, которая является наиболее важным компонентом при оценке тяги, создаваемой винтом, с использованием существующего соотношения.Во-вторых, метод , используемый в статье, гарантирует, что выходная тяга является функцией только тех параметров или пропеллера, которые доступны в любом стандартном гребном винте, а не геометрических параметров, которые используются для проектирования гребного винта . В последующих разделах демонстрируется валидация предложенной модели и оценки ошибок, вызванных упрощением исходной зависимости коэффициента тяги от скорости вращения.

2. Статическая тяга гребного винта — моделирование числа оборотов в минуту

Большинство конструкций гребного винта основано на работах Беца, упомянутых в [11, 12].Принцип конструкции основан на оптимизации геометрии гребного винта для определенных конкретных условий эксплуатации, так что мощность, необходимая для этой операции, сводится к минимуму или может также пониматься как максимизация тяги, генерируемой для данной мощности. Модель оценки тяги гребного винта в этом исследовании основана на очень известной теории лопаточного элемента и импульса (BEMT). Эта теория помогает в оценке аэродинамических нагрузок на винт, которые можно использовать для оценки тяги, создаваемой при заданных оборотах.

2.1. Thrust Model

Сначала оценим с помощью теории осевого импульса [13, 14]. Основные допущения следующие: (i) диск пропеллера не сообщает потоку вращательного движения; (ii) число Маха мало, поэтому жидкость можно считать несжимаемой; и (iii) поток является устойчивым, поскольку гребной винт считается тонким диском (с площадью поперечного сечения A ), через который проходит воздух, и индуцированная скорость считается постоянной во всех точках, лежащих на такой же радиус.

Упрощенная модель струйной трубы пропеллера показана на рисунке 1. Предполагается, что диск нагружен равномерно, а скорость воздуха по диску ротора равна, что считается равномерным по всему диску и имеет такую ​​же величину. до и после диска [15]. На диске ротора (рисунок 2) на расстоянии r от центра рассмотрим кольцо бесконечно малой толщины dr . Предполагается, что эта элементарная область диска загружена равномерно. Таким образом, коэффициент элементарной тяги, то есть безразмерная форма тяги для этой элементарной области, составляет
где коэффициент притока определяется как отношение скорости притока v 1 к концевой скорости Ω R ; аналогичным образом определяется как отношение скорости набегающего потока V к концевой скорости Ω R и как r / R .Подробное описание получения объяснено в Приложении A.


Современные гребные винты имеют сложную геометрию, где хорда, угол тангажа и геометрия аэродинамического профиля меняются по радиусу лопасти для повышения эффективности гребного винта. Поскольку аэродинамические силы на неподвижном крыле (лопасти воздушного винта) регулируются скоростью вращения, эффекты этого можно описать с помощью более фундаментальной теории лопастных элементов [16–18], которая учитывает геометрию винта и условия эксплуатации.Эта теория предполагает, что каждая секция крыла действует как двумерный аэродинамический профиль для создания аэродинамических сил (подъемная сила и сопротивление, как показано на рисунке 3), которые затем разрешаются для создания элементарной тяги на единицу размаха.

Учитывая количество лопастей гребного винта, общий коэффициент элементарной тяги на радиусе (рисунок 2) можно определить как
где . Подробный вывод для получения с использованием теории элементов лопасти объяснен в Приложении A.

Связав (1) и (2), полученные коэффициенты элементарной тяги из двух различных теорий, мы получаем

Пересмотр исходной теории Лербса в современной перспективе

Представлены основные теоретические и численные аспекты метода проектирования оптимальных гребных винтов встречного вращения (CR) для быстроходных морских судов.Мы предлагаем переформулированную версию хорошо известной теории конструкции для винтов противоположного вращения, используя преимущества нового полностью численного алгоритма для расчета взаимно индуцированных скоростей и вводя новые функции, такие как числовые поправки на подъемную поверхность, использование интегрированного современные критерии кавитации / прочности, модифицированный метод, учитывающий разное количество лопастей у двух гребных винтов и позволяющий использовать функцию разгрузки при поиске оптимального распределения циркуляции.В статье сначала представлены основные теоретические принципы новых методов, а затем обсуждается влияние основных параметров конструкции на показательный пример применения в случае гребных винтов встречного вращения для движителя гондолы, предназначенного для скоростных глиссирующих судов (35 узлов и выше). .

1. Введение

В последнее десятилетие общий интерес к гребным винтам встречного вращения (CRP) возрос, и различные производители разрабатывают новые силовые установки на основе двойных гребных винтов, особенно для их использования в быстроходных глиссирующих судах и прогулочных яхтах (0.5–2 МВт), но и в более крупных судах в диапазоне больших мощностей (2–4 МВт). Конечно, есть и другие области применения, в которых силовая установка CRP может быть полезной: например, электрические гондольные приводы для больших высокоскоростных морских кораблей или кораблей ро-ро для высокоскоростной транспортировки.

Несмотря на такой широкий диапазон применения, в литературе о вращающихся в противоположном направлении гребных винтах появилось лишь ограниченное количество теоретических методов проектирования; фактически, помимо различных практических полуэмпирических подходов, ранний метод, предложенный Морганом в 1960 году, по-прежнему остается приемлемым вариантом для разработки их оптимальных геометрий, адаптированных к следу.В этой статье мы представляем основные теоретические элементы модифицированного метода проектирования CRP, основанного на общей структуре Моргана, но переформулировав его наиболее упрощенные отрывки, используя преимущества современных вычислительных методов, с конечным намерением создать действующие проекты CRP для движителей гондолы. высокоскоростные глиссирующие суда, представленные на Рисунке 1, предназначены для движения строгальных судов на максимальной скорости 35/45 узлов с максимальной входной мощностью, превышающей 1 МВт.

Первоначальный метод проектирования, первоначально разработанный авторами [1], с годами развивался и улучшался в своих теоретических аспектах, что привело к следующим основным особенностям.(i) Теория Моргана объединяет аналитическое вычисление самоиндуцированных скоростей на диске пропеллера, данное Лербсом [2], с численной обработкой факторов осевой интерференции (которая устанавливает взаимосвязь между компонентами осевой скорости диска и следа), данным Тачминджи [3 ] для пропеллера с бесконечными лопастями. Настоящий метод использует полную числовую модель подъемной линии (с эффектом сжатия скользящего потока) для точного представления скоростей следа. (Ii) Кавитация и ограничения прочности накладываются с помощью итеративного и автоматического метода оптимизации геометрии лопасти, который проверяет запас на максимально допустимое местное напряжение и возникновение кавитации.Принятый метод был вдохновлен программами гребного винта с подъемным канатом / подъемной поверхностью, разработанными в 80-х годах различными конструкторами гребных винтов и исследователями в Италии [4–6]. (iii) В оригинальном методе Моргана поправки на подъемную поверхность рассматриваются в соответствии с хорошо известными Ludwieg and Ginzel et al. [7] параметрические формулировки, которые позволяют рассчитать значение изгиба только в средней хорде для данного стандартного распределения хордовой циркуляции. Настоящая теория применяет численные поправки на подъемную поверхность для изгиба и тангажа на основе трехмерной модели решетки вихря / источника [8], которая оставляет большую свободу с точки зрения предполагаемого распределения нагрузки по хорде и решает проблему выравнивания и сжатия вихревого следа с последовательными численными расчетами. схемы, проверенные в случае одиночного винта в [9].(iv) Исходная теория Моргана может рассматривать только оптимальные распределения циркуляции по размаху, в то время как существующая теория предлагает возможность применить кривую неоптимальной циркуляции [10], чтобы разгрузить секции лопасти, особенно на вершине и в основании, где их рабочее состояние часто очень близко к кавитации. ограничения, особенно для быстроходных глиссирующих лодок. Такая кавитация может привести к эрозии лопастей и неприятным явлениям, таким как излучаемый шум и индуцированные колебания кормовых конструкций. Функция, описывающая коэффициент разгрузки в каждом радиальном положении лопастей, применяется к оптимальному распределению циркуляции эквивалентного гребного винта; следовательно, он не может быть настроен для каждого из двух гребных винтов CR, но в равной степени применим к эквивалентному.

Синтезировав основные технические характеристики настоящего метода проектирования, в следующих разделах мы продолжим обсуждение ключевых аспектов его теоретической формулировки. Наконец, представлены некоторые примеры практического применения метода проектирования в двух различных случаях с участием быстроходных судов с гондольными движителями, а полученные результаты проанализированы с целью обсуждения влияния систематического возмущения основных входных параметров конструкции на получаемую лопасть. геометрия.

2. Теория метода расчета
2.1. Фундаментальные предположения и концепция «эквивалентного гребного винта»

Как уже упоминалось ранее, настоящая процедура проектирования является пересмотром метода, разработанного Морганом [11], который использует аналитическую теорию подъемных линий Лербса для одиночного гребного винта [2] . Теория конструкции двух гребных винтов, вращающихся в противоположных направлениях, сложнее, чем у одного, из-за взаимного гидродинамического взаимодействия между двумя гребными винтами; по этой причине Морган ввел некоторые упрощающие инженерные предположения, чтобы свести проблему к проблеме с одним гребным винтом и удобно использовать аналитическое решение Лербса.

В этом разделе дается краткое описание теоретической основы Моргана, основные гипотезы которой можно резюмировать следующим образом: (i) Оба гребных винта должны вращаться с одинаковой частотой вращения. (Ii) Каждый гребной винт обеспечивает 50% общей тяги и поглощает 50% от общего крутящего момента. (Iii) Оба гребных винта умеренно нагружены, и след существенно не меняется. Вдоль оси. (Iv) Самостоятельное и взаимное вмешательство вихревых листов, сбрасываемых каждой лопастью гребного винта, незначительно. (V) Лопасти представлены подъемными линиями, и поправки на подъемную поверхность вводятся как поправка a posteriori .(vi) Не учитывается любой неустойчивый эффект; например, предполагается, что взаимно индуцированные скорости (носовой и кормовой лопастей) усредняются по времени. (vii) Граничная циркуляция на лопасти может быть представлена ​​синусоидальным рядом Фурье.

Ключевым моментом этого идеализированного подхода является определение так называемого эквивалентного гребного винта, то есть оптимального «виртуального» гребного винта, который производит 50% всей необходимой тяги и поглощает 50% общего крутящего момента, имея гидродинамический угол тангажа, равный среднему значению гидродинамических углов тангажа двух реальных гребных винтов.Таким образом, чтобы найти оптимальную циркуляцию, Морган сначала сводит проблему двух гребных винтов CR к одному эквивалентному, в идеале сводя продольное расстояние между двумя гребными винтами к нулю (два винтовых диска расположены в одной и той же продольной координате ), так что взаимно индуцированные скорости становятся независимыми от продольного расстояния пропеллеров, и их значение может быть найдено как функция связанной циркуляции с помощью коэффициентов индукции, заданных классической теорией Лербса для пропеллеров, адаптированных к одиночному следу.

Диаграмма компонентов скорости, учитываемая для переднего и заднего гребных винтов, представлена ​​на рисунке 1.

Используя теорию импульса, учитывая условия симметрии и усредняя значение индуцированных скоростей за полный оборот лопасти, найдены следующие соотношения между самоиндуцированные и взаимно индуцированные (интерференционные) скорости:

где индексы имеют следующие значения: 1 = на переднем винте, 2 = на заднем винте, = осевая составляющая, = тангенциальная составляющая, = самоиндуцированная скорость, = скорость, вызванная помехами.

Кроме того, поскольку неустойчивые эффекты не принимаются во внимание, необходимы коэффициенты и для получения средних значений окружных компонент скорости, в то время как факторы и явно выражают влияние фактического осевого расстояния между двумя гребными винтами и сжатия скользящего потока, соответственно в глобальном смысле.

Используя закон Стокса, Лербс получил следующее выражение для фактора:

Сессия 14- Обтекание подъемной поверхности: взаимодействие гребной винт / руль направления и другие | Труды Шестой Международной конференции по численной гидродинамике судов

ССЫЛКИ

1.Накатаке, К .: «О взаимодействии корпуса судна, гребного винта и руля» , 3-й симпозиум JSPC по потокам и силам судов, 1989 г., стр. 231–259 (на японском языке)

2. Тамашима М. и Янг С.Дж., Ямадзаки Р .: «Исследование обтекания руля с углом наклона руля за гребным винтом» , Труды Западно-Японского общества морских архитекторов, № 83 , 1992 (на японском языке)

3. Ishida, S .: «Восстановление вращательной энергии в воздушном потоке с помощью плавников, установленных после гребных винтов» , Журнал Общества морских архитекторов Японии, Vol.159, 1986 (на японском языке)

4. Баба, Э., Икеда, Т .: «Измерения потока в потоке самоходного корабля с рулем и без него» , Труды Западно-Японского общества корабельных архитекторов, № 59, 1979 (на японском языке)

5. Танака, И., Судзуки, Т., Тода, Ю., и Кавашима, Т .: «Визуализация завихрений на конце гребного винта с использованием пузырьков воздуха» , 8-й симпозиум по визуализации потока, 1980 г. (на японском языке)

6. Окамото, Ю., Касахара, Ю., Фукуда, М., и Шираки, А .: «Разработка энергосберегающего устройства NKK-SURF (плавник руля направления с обратной стреловидностью)» , ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ NKK, № 132, 1990 (на японском языке)

7. Мори, М., Ямасаки, Ю., Фуджино, Р., Охтагаки, Ю.: «IHI ATFin – 1-й отчет: его принцип и развитие», , Ishikawajima-Harima Engineering Review, том 23, №3, 1983 (на японском языке)

8. Стерн, Ф., Тода, Ю., и Ким, Х.Т .: «Расчет вязкого течения вокруг конфигураций гребного винта: осесимметричный корпус , штат Айова» , Journal of Ship Research, Vol.35, № 2 июня 1991 г.

9. Стерн, Ф., Ким, Х.Т., Патель, В.К., и Чен, HC: «Подход вязкого потока к расчету взаимодействия гребного винта и корпуса» , Журнал исследований судов, Том 32, № 4 , Декабрь 1988 г.

10. Танака, И., Кавасима, Т., и Тода, Ю., «О разрыве поля потока около свободной поверхности на корме кораблей, модели » , Журнал Общества морских архитекторов Кансай, Япония, № 180, 1981 (на японском языке)

11. Нагамацу, Н., и Симидзу, Х .: «Исследование пропеллерного течения» , Журнал Кансайского общества морских архитекторов, Япония, № 197, 1985 (на японском языке)

12. Патанкер, С.В .: «Числовой теплоперенос и поток жидкости» , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1980

13. Исии, Н .: «Влияние концевого вихря на характеристики гребного винта» , Журнал Общества военно-морских архитекторов Японии, том 168, 1991 (на японском языке)

14. Хаф, Г.Р., и Ордуэй, Д.E .: «Обобщенный приводной диск» , Разработки в теоретической и прикладной механике, Том 2, Пергамон, штат Джорджия, 1965, стр 317–336

15. Сузуки, Х., Тода, Й., и Сузуки, Т .: «Численное моделирование поля потока вокруг плоского руля в гребном винте Slipstream» , Журнал Общества морских архитекторов Кансай, Япония , № 219, 1993 (на японском языке)

Таблица 1. Габаритные размеры гребного винта и руля направления

Пропеллер

Количество лезвий

5

Диаметр (мм)

220.0

Шаг

0,700

E.A.R.

0,600

Передаточное отношение босса

0,170

Ножевой сегмент

МАУ-М

Направление вращения

Правый

Руль

Толщина (мм)

8.0

Хорда (мм)

205,0

Пролет (мм)

286,0

Таблица 2. Состояние гребного винта

Состояние винта

V A (м / с)

1.26

n (r.p.s.)

14,32

Дж

0,40

БЕЗ РУЛЯ

К Т

1.91 × ​​10 −1

К К

2,54 × 10 −2

С РУЛЕМ

К Т

1,98 × 10 −1

К К

2.50 × 10 −2

Основные принципы работы воздушного винта (часть первая)

Воздушный винт состоит из двух или более лопастей и центральной ступицы, к которой прикреплены лопасти. Каждая лопасть воздушного винта — это, по сути, вращающееся крыло. В результате своей конструкции лопасти воздушного винта похожи на аэродинамические поверхности и создают силы, которые создают тягу, чтобы тянуть или толкать самолет по воздуху. Двигатель вырабатывает мощность, необходимую для вращения лопастей гребного винта в воздухе на высоких скоростях, а гребной винт преобразует вращательную силу двигателя в поступательную тягу.

Рисунок 5-43. Профильные части лопасти воздушного винта.

Поперечное сечение типичной лопасти гребного винта показано на Рисунке 5-43. Эта секция или элемент лопасти представляет собой аэродинамический профиль, сопоставимый с поперечным сечением крыла самолета. Одна поверхность лопасти изогнута или выгнута, как верхняя поверхность крыла самолета, а другая поверхность плоская, как нижняя поверхность крыла.

Рекомендации по летной грамотности

Справочник Рода Мачадо «Как управлять самолетом» — Изучите основные основы управления любым самолетом.Сделайте летную подготовку проще, дешевле и приятнее. Освойте все маневры чекрайд Изучите философию полета «клюшкой и рулем». Не допускайте случайной остановки или вращения самолета. Посадите самолет быстро и с удовольствием.

Линия хорды — это воображаемая линия, проведенная через лезвие от его передней кромки до задней кромки. Как и в крыле, передняя кромка — это толстая кромка лопасти, которая встречает воздух при вращении пропеллера. Угол лезвия, обычно измеряемый в градусах, представляет собой угол между хордой лезвия и плоскостью вращения и измеряется в определенной точке по длине лезвия.[Рис. 5-44] Поскольку большинство гребных винтов имеют плоскую «поверхность» лопасти, линия хорды часто проводится вдоль поверхности лопасти гребного винта. Шаг — это не угол лопасти, но поскольку шаг во многом определяется углом лопасти, эти два термина часто используются как синонимы. Увеличение или уменьшение одного обычно связано с увеличением или уменьшением другого. Шаг винта можно обозначать в дюймах. Пропеллер, обозначенный как «74–48», будет иметь длину 74 дюйма и эффективный шаг 48 дюймов.Шаг — это расстояние в дюймах, которое пропеллер проделал бы через воздух за один оборот, если бы не было проскальзывания.

Рисунок 5-44. Угол лопасти винта.

При указании винта фиксированного шага для нового типа самолета производитель обычно выбирает винт с шагом, который эффективно работает при ожидаемой крейсерской скорости самолета. Каждый гребной винт фиксированного шага должен быть компромиссом, поскольку он может быть эффективным только при заданной комбинации воздушной скорости и числа оборотов в минуту (об / мин).Пилоты не могут изменить эту комбинацию в полете.

Когда летательный аппарат находится на земле с работающим двигателем или медленно движется в начале взлета, эффективность воздушного винта очень низка, поскольку винт не может двигаться с достаточной скоростью, чтобы позволить лопастям фиксированного шага достигать их полная эффективность. В этой ситуации каждая лопасть гребного винта вращается в воздухе с AOA, которая производит относительно небольшую тягу для количества энергии, необходимой для ее поворота.

Чтобы понять действие гребного винта, сначала рассмотрим его движение, которое является как вращательным, так и поступательным. Как показано векторами сил гребного винта на рис. 5-44, каждая секция лопасти гребного винта движется вниз и вперед. Угол, под которым этот воздух (относительный ветер) ударяет по лопасти гребного винта, является его AOA. Отклонение воздуха, создаваемое этим углом, приводит к тому, что динамическое давление на стороне двигателя лопасти воздушного винта превышает атмосферное давление, создавая таким образом тягу.

Форма лопасти также создает тягу, поскольку она изогнута, как аэродинамическая форма крыла.Когда воздух проходит мимо пропеллера, давление с одной стороны меньше, чем с другой. Как и в случае с крылом, сила реакции создается в направлении меньшего давления. Воздушный поток над крылом имеет меньшее давление, а сила (подъемная сила) направлена ​​вверх. В случае пропеллера, который установлен в вертикальной, а не горизонтальной плоскости, область пониженного давления находится перед винтом, а сила (тяга) направлена ​​вперед. С точки зрения аэродинамики тяга является результатом формы пропеллера и угла поворота лопасти.

Тяга также может рассматриваться как масса воздуха, обрабатываемого воздушным винтом. В этих терминах тяга равна массе обрабатываемого воздуха, умноженной на скорость воздушного потока минус скорость самолета. Мощность, затрачиваемая на создание тяги, зависит от скорости движения воздушной массы. В среднем тяга составляет примерно 80 процентов крутящего момента (общая мощность, потребляемая гребным винтом). Остальные 20 процентов теряются на трение и проскальзывание. При любой скорости вращения мощность, потребляемая гребным винтом, уравновешивает мощность, передаваемую двигателем.За один оборот гребного винта количество обрабатываемого воздуха зависит от угла лопасти, который определяет, насколько большой «укус» воздуха принимает гребной винт. Таким образом, угол наклона лопастей является отличным средством регулирования нагрузки на гребной винт для управления частотой вращения двигателя.

Угол наклона лопастей также является отличным методом регулировки AOA гребного винта. На винтах с постоянной частотой вращения угол лопастей должен быть отрегулирован для обеспечения наиболее эффективного AOA на всех скоростях двигателя и самолета. Кривые подъемной силы в зависимости от лобового сопротивления, которые построены для гребных винтов и крыльев, показывают, что наиболее эффективная AOA небольшая, варьируется от + 2 ° до + 4 °.Фактический угол наклона лопастей, необходимый для поддержания этой небольшой AOA, зависит от скорости движения самолета.

Гребные винты фиксированного шага и регулируемые на земле разработаны для обеспечения максимальной эффективности при одном обороте и скорости движения вперед. Они разработаны для данной комбинации самолетов и двигателей. Может использоваться пропеллер, который обеспечивает максимальную эффективность при взлете, наборе высоты, крейсерском режиме или высокоскоростном полете. Любое изменение этих условий приводит к снижению КПД как гребного винта, так и двигателя.Поскольку КПД любой машины — это отношение полезной выходной мощности к фактической потребляемой мощности, КПД воздушного винта — это отношение тягового усилия к тормозной мощности. Эффективность винта варьируется от 50 до 87 процентов, в зависимости от того, насколько винт «проскальзывает». Проскальзывание винта — это разница между геометрическим шагом гребного винта и его эффективным шагом. [Рис. 5-45] Геометрический шаг — это теоретическое расстояние, на которое гребной винт должен продвинуться за один оборот; эффективный шаг — это расстояние, на которое он фактически продвигается.Таким образом, геометрический или теоретический шаг основан на отсутствии проскальзывания, но фактический или эффективный шаг включает в себя проскальзывание гребного винта в воздухе.

Рисунок 5-45. Пробуксовка винта.

Причина «скручивания» гребного винта заключается в том, что внешние части лопастей гребного винта, как и все предметы, которые вращаются вокруг центральной точки, движутся быстрее, чем части около ступицы. [Рис. 5-46] Если бы лопасти имели одинаковый геометрический шаг по всей своей длине, участки рядом со ступицей могли иметь отрицательную АОА, в то время как концы гребных винтов остановились бы на крейсерской скорости.Скручивание или изменение геометрического шага лопастей позволяет винту работать с относительно постоянным углом атаки по всей его длине в крейсерском полете. Лопасти гребного винта скручены для изменения угла лопастей пропорционально разнице в скорости вращения по длине гребного винта, сохраняя тягу более равномерно по этой длине.

Рисунок 5-46. Наконечники гребного винта движутся быстрее ступицы.

Обычно от 1 ° до 4 ° обеспечивает наиболее эффективное отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, но в полете AOA гребного винта фиксированного шага изменяется — обычно от 0 ° до 15 °.Это изменение вызвано изменениями относительного воздушного потока, которые, в свою очередь, являются следствием изменений скорости самолета. Таким образом, АОА воздушного винта является продуктом двух движений: вращения винта вокруг своей оси и его поступательного движения.

Винт с постоянной частотой вращения автоматически регулирует угол наклона лопастей для максимальной эффективности в большинстве условий полета. Во время взлета, когда требуются максимальная мощность и тяга, винт с постоянной скоростью находится под малым углом или шагом лопастей винта.Небольшой угол наклона лопастей сохраняет угол обзора небольшой и эффективный по отношению к относительному ветру. В то же время это позволяет гребному винту обрабатывать меньшую массу воздуха за один оборот. Эта небольшая нагрузка позволяет двигателю вращаться на высоких оборотах и ​​преобразовывать максимальное количество топлива в тепловую энергию за заданное время. Высокие обороты также создают максимальную тягу, потому что, хотя масса воздуха, обрабатываемого за один оборот, мала, частота вращения и скорость потока скольжения высоки, а при низкой скорости самолета достигается максимальная тяга.После отрыва, когда скорость самолета увеличивается, винт с постоянной скоростью автоматически переключается на больший угол (или шаг). Опять же, больший угол наклона лопастей сохраняет AOA небольшим и эффективным по отношению к относительному ветру. Чем выше угол наклона лопастей, тем больше масса обрабатываемого воздуха за один оборот. Это снижает частоту вращения двигателя, снижает расход топлива и износ двигателя, а также поддерживает максимальную тягу.

После того, как набор высоты при взлете установлен на воздушном судне с воздушным винтом регулируемого шага, пилот снижает выходную мощность двигателя для набора высоты, сначала уменьшая давление в коллекторе, а затем увеличивая угол наклона лопастей для снижения оборотов.

На крейсерской высоте, когда самолет находится в горизонтальном полете и требуется меньшая мощность, чем используется при взлете или наборе высоты, пилот снова снижает мощность двигателя, уменьшая давление в коллекторе, а затем увеличивая угол лопастей для уменьшения оборотов. Опять же, это обеспечивает требование крутящего момента для соответствия уменьшенной мощности двигателя. Хотя масса воздуха, обрабатываемого за один оборот, больше, это более чем компенсируется уменьшением скорости воздушного потока и увеличением воздушной скорости.