В. Сарафанников – Крыши. Энергия, принесенная ветром. Велосипед-тандем-веломобиль...("Сделай сам" №4∙2004) (страница 7)

Мы рассмотрели поведение лопасти воздушного винта на холостом ходу, без нагрузки. Стоит только передать вращение винта генератору, как появится момент сопротивления моменту вращения. Число оборотов винта упадет до нового равновесия.

Из рис. 2 видно, что возникающая бесполезная сила F'' гораздо больше нужной нам силы F'. Кажется, стоит увеличить угол установки Y, как это показано на рис. 3, и полезная сила F', а значит, и крутящий момент увеличатся. Да, это так и есть. На рис. 3 это отчетливо видно.

Рис. 3

И совсем, казалось бы, идеально установить угол φ = 45°. Как видно из рис. 4, в этом случае отраженный воздушный поток V' направлен в плоскости вращения, а реактивная сила F направлена в нужном нам направлении.

Рис. 4

Но! В этих случаях сразу возникают два весьма существенных «но». Первое — резко увеличивается плоскость проекции винта, следовательно, и сила противодействия P. S" >> S' >> S; Р" > Р' > Р. Второе — возникают турбулентные завихрения за плоскостью, как это показано на рис. 4, создается зона разряжения воздуха Q' и зона повышенного давления Q. Все эти явления вызывают появление дополнительных противодействующих сил, которые не только начисто «съедают» полученный полезный прирост силы F', но и ухудшают работу винта в целом. Винт начинает «месить» воздух, работать неравномерно, рывками, скорость вращения падает, момент вращения уменьшается.

Путем теоретических расчетов, экспериментальных работ и многолетней практики определено, что наилучший угол установки лопасти φ = 11°–12°, как это показано на рис. 5.

Рис. 5. Примерный профиль лопастей воздушного винта

В приведенных выше рассуждениях не учтены многие факторы: тут и влияние шероховатости поверхности винта, сопротивление трения оси вращения винта и другое.

Основные геометрические характеристики воздушного винта

Воздушный винт (ветроколесо) состоит из двух и более совершенно одинаковых лопастей, закрепленных на ступице неподвижно или подвижно относительно продольных осей лопастей. В первом случае винт может быть изготовлен из одного куска дерева или иметь возможность поворота лопастей относительно продольной оси для установки угла φ с последующим жестким креплением. Во втором случае лопасти могут изменять этот угол при помощи автоматических регуляторов для поддержания (стабилизации) оборотов на заданном уровне.

а) Диаметр винта D — диаметр окружности, описываемой концами лопастей.

б) Шаг винта Н — расстояние, пройденное винтом за один оборот при условном ввинчивании его в воздух, как в твердое тело.

Н = π∙D∙tgφ;

в) Угол установки лопасти φ был подробно рассмотрен выше.

г) Покрытие лопасти винта ΔS_л — отношение площади проекции одной лопасти на плоскость вращения к площади диска диаметром D:

ΔS_л = S_л/π∙R² = 4S_л/π∙D²

д) Покрытие винта — ΔS_ε = К∙(4S_л/π∙D²).

В приведенных формулах π = 3,14; R = 0,5∙D — радиус винта; К — количество лопастей винта.

е) Форма лопасти винта в плане. Примеры форм показаны на рис. 6.

Рис. 6. Формы лопастей воздушных винтов:

_{а — прямоугольная; б — «самолетная»; в — трапецеидальная прямая; г — трапецеидальная обратная}

Форма может быть прямоугольная, «самолетная», трапецеидальная прямая, трапецеидальная обратная. Наиболее простая в изготовлении — прямоугольная. Наиболее сложная «самолетная». Преимуществ «самолетная» форма не имеет, кроме лучшего эстетического восприятия. Трапецеидальная прямая крепится в ступице большим основанием. Такие лопасти механически самые прочные. Трапецеидальная обратная крепится к ступице меньшим основанием. Такие лопасти изготавливаются обычно из металла. Из дерева их делать не рекомендуется, так как механически они очень не прочны и легко лопаются при сильном ветре. Но крутящий момент у них выше. Эти лопасти применимы при числе их больше 8.

ж) Число лопастей N. Как уже упоминалось, минимальное количество N = 2; максимальное может быть N = 16. Увеличение числа лопастей увеличивает крутящий момент. Но в изготовлении такие винты, конечно, гораздо сложнее. Винту с большим числом лопастей больше подходит название «ветроколесо». Примеры на рис. 7.

Рис 7. Примерная конструкция винтов:

_{а — двухлопастный; б — трехлопастный; в — восьмилопастный}

Тем не менее, несмотря на сложность изготовления, выгоднее увеличивать крутящий момент не за счет увеличения покрытия лопасти ΔS_л, а за счет увеличения количества лопастей N. Увеличение обоих параметров, ΔS_л и N, приводит к увеличению покрытия винта ΔS_ε. Но в случае увеличения ΔS_л, возрастает аэродинамическое сопротивление, уменьшающее крутящий момент.

з) Профиль лопасти. Для уменьшения величины суммарных сил противодействия Р обратной стороне лопасти винта придается форма (рис. 5), позволяющая максимально уменьшить аэродинамическое сопротивление потока воздуха в плоскости вращения. Для винтов применяются специальные «винтовые» профили. Эти профили получены в результате сложных математических расчетов и аэродинамических испытаний. Форм профилей с высокими аэродинамическими качествами несколько. В настоящее время наиболее применимы профили ВС-2 или РАФ-6 для деревянных винтов, и Clark-У для металлических. О расчете профилей можно узнать в специальной литературе.

Строгое выполнение профилей — дело сложное и кропотливое. Для нашего случая особой необходимости в этом нет. Все-таки мы не летательный аппарат строим. Вполне достаточно придать приближенную форму лопастям нашего винта.

и) Направление вращения винта — может быть правое и левое. Выбирается в зависимости от выбранного генератора. Для генератора Г-221 направление вращения винта должно быть правое, по часовой стрелке, если глядеть на винт с лицевой стороны.

Правое или левое вращение винта получается при изготовлении, устанавливая угол φ вершиной вправо или влево, если смотреть на лопасть со стороны конца. Изменить направление вращения простым поворотом лопастей (в случае, если лопасти имеют возможность поворота вдоль продольной оси) нельзя, так как сразу резко ухудшатся аэродинамические качества.

Определение геометрических размеров воздушного винта

В этой главе мы приступим к самой сложной и противоречивой части расчетов. Крутящий момент, а следовательно, и мощность, отдаваемая воздушным винтом генератору, целиком зависит от скорости ветра, размеров винта и числа лопастей. Если размеры и конструкция винта целиком зависят от нашего желания, то скоростью ветра управлять мы никакие можем. Поэтому придется «подлаживаться» под капризы стихии.

В разных местностях ветры дуют по-разному. Число ветреных дней в году, скорости ветров и их направление — характерная климатическая особенность каждого района. В ежедневные прогнозы погоды или сводки метеосообщений включают сведения о ветрах. За год можно составить общую картину состояния погоды. Эта картина, в основном, повторяется из года в год.

Так, в средней полосе России среднегодовая скорость ветров около 2,6 м/с. Это значит, что в некоторые дни ветер дует со скоростью до 20 м/с, а иногда — полный штиль. Случаются ураганы, когда воздушные массы передвигаются со скоростью до 25 м/с.

Размеры и конструкция нашего винта зависят также от того, насколько полнее и чаще мы хотим пользоваться нашей ВЭС. Если использовать только сильные ветры — размеры выбираются меньше. Если хотим пользоваться практически без перерывов, то воздушный винт надо строить максимальных размеров.

Точный расчет силовых характеристик и размеров воздушного винта достаточно сложен. Поэтому приводить их здесь нет особой необходимости. Все равно теория и практика разойдутся в конечных результатах. Просто воспользуемся накопленным опытом для определения характеристик винта.

Для первоначального расчета винта будем опираться на скорость ветра, равную 4 м/с. Это довольно слабый ветерок. Из опыта известно, что при такой скорости ветра один квадратный метр площади, описываемой одной лопастью винта, может дать примерно 1,6 Вт мощности. Примем это за отправную точку и составим таблицу. В вертикальной колонке слева — мощность в ваттах, в горизонтальной строке вверху — число лопастей винта. В вертикальных колонках под числом лопастей — радиусы винта. Таблица составлена методом экстраполяции.

Из таблицы видно, чтобы получить мощность 0,5 кВт, при скорости ветра около 4 м/с нужен огромный винт. При двухлопастном винте его диаметр должен равняться 14 м!. Но не надо пугаться. Во-первых, мы взяли скорость ветра маленькую, во-вторых — больших 2-лопастных винтов никто не делает. Если изготовить 16-лопастный винт, то его диаметр при той же мощности будет равен 5 м, т. е. почти в 3 раза меньше.

Выбранный нами генератор Г-221 имеет максимальную мощность около 500 Вт. При постройке будем ориентироваться на то, что при скорости ветра 4 м/с генератор будет давать 0,1 мощности, т. е. 50 Вт. Общая длина двухлопастного винта, согласно таблице, около 4,5 м. Это много. Лучше построить шестилопастный винт. Тогда диаметр винта будет равен D = 2,6 м. Это вполне приемлемо. Покрытие лопасти винта примем не более 0,06. Это тоже из практики.

ΔS_л < 0,06.

Площадь плоскости вращения:

S = π∙R²  = 3,14∙1,3² = 5,3 м².

Площадь проекции плоскости:

S_л = ΔS_л∙S = 0,06∙5,3 = 0,318 м².

Значит, ширина лопасти должна быть не более: