Шнековые ветродвигатели и их особенности

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.311.24 + 621.548

ШНЕКОВЫЕ ВЕТРОДВИГАТЕЛИ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

И.И. Смульский

В последние годы появился новый тип ветродвигателей [1 - 8], основанных на шнековом ветроприемнике. Рассмотрены принципы работы шнековых ветродвигателей и их геометрические характеристики. Уделено внимание конструкции и технологии изготовления шнекового ротора и показаны возможные компоновки ветроустановок со шнековым ветроротором. Обоснована методика расчета энергетических характеристик. Шнековыве ветродвигатели бесшумны, экологически безопасны и самые дешевые в перспективе.

шнековый ветродвигатель ротор энергетический

Существует потребность в недорогих ветродвигателях для индивидуального использования, которую могут удовлетворить шнековые ветродвигатели. В основе их лежит трехзаходный шнековый ротор, который представляет собой легкую и прочную конструкцию. Шнек работает при наклонном по отношению к ветру положении. При воронкообразной форме винтовой поверхности шнек может работать в вертикальном положении. Рассмотрены геометрические характеристики, особенности конструкции, вопросы технологии шнековых ветродвигателей и их энергетические характеристики. Представлены различные компоновки ветроустановок со шнековыми роторами. При серийном производстве стоимость шнековых ветродвигателей может быть в несколько раз ниже традиционных. Кроме того, они бесшумны и экологически безопасны.

Ил. 5. Библиогр. 17 назв.

1. Введение

В конце 80-х годов в связи с истощением запасов органического топлива, авариями на атомных электростанциях, а также по экологическим причинам наметился весьма бурный рост ветроэнергетики, продолжение которого ожидается в будущем [9]. С одной стороны, имеются большие ветроэнергетические ресурсы, например, только ветры побережья Ледовитого океана вполне могут покрыть все энергетические нужды России и стран СНГ [10]. С другой стороны, снабжение электроэнергией труднодоступных районов связано с большими экономическими затратами. Так, в отдельных хозяйствах Таймырского полуострова себестоимость одного кВт-часа электроэнергии в 25 раз превышает ее себестоимость в европейской части страны [11]. Однако, в настоящее время требуются недорогие ветроагрегаты небольшой мощности для использования в индивидуальных хозяйствах. Этим требованиям могут удовлетворять ветродигатели (ВД) шнекового типа с тонкими винтовыми лопастями.

2. Геометрические характеристики шнекового ветродвигателя

На рис.1 показан трехзаходный шнековый ротор [2] длиной L, равной шагу винтовой линии S. Лопасти 1, 2, 3 соединены со ступицей 4. Ступица пустотелая. Лопасти и ступица выполнены из тонкого листового материала. Ротор имеет возможность вращаться в подшипниках 5. Через ведомую шестерню или шкив 6 происходит отбор мощности электрогенератором 7.

Винтовая поверхность лопасти в радиальном направлении состоит из ряда винтовых линий. Винтовая линия является наиболее короткой линией, соединяющей две точки на цилиндрической поверхности. Любая боковая деформация лопасти сопряжена с увеличением длин винтовых линий, т.е. с их растяжением. Поэтому винтовая лопасть на ветровую нагрузку будет работать на растяжение и ее можно выполнить тонкой.

При осевом направлении ветра ротор работает как и обычное ветровое колесо. Давление ветра, действующее на лопасти 1, 2, 3, наклоненные под углом к нему, создает вращающий момент. За счет многократного перекрытия k = nL/S ометаемой поверхности неиспользованная энергия ветра на начальном участке ротора используется на последующих.

При боковом ветре, направленном под средним углом = _c (см. рис.2,а), верхние части лопастей 1 становятся ребром к ветру и ветровую нагрузку воспринимают только части лопастей 2. Вследствие этого постоянно существует вращающий момент, который приводит во вращение ротор. При угле < _c вращающий момент создают также и лопасти 1. При >_c лопасти 1 будут создавать противодействующий момент и при = 90⁰ противодействующий момент лопастей 1 уравновесит вращающий момент лопастей 2. Поэтому нерабочим является только положение при = 90⁰ , а остальные направления - рабочие. Однако эффективность работы при увеличении от _c до 90⁰ падает, поэтому оптимальная работа ротора будет в диапазоне 0 _c . При боковом ветре мощность ротора возрастает пропорционально его длине. При определенной длине мощность ротора в широком диапазоне изменения направления ветра будет слабо изменяться. Поэтому в местностях с преобладающим направлением ветров ротор с винтовыми лопастями может выполняться неориентируемым.

В местностях с симметричной розой ветров может устанавливаться ориентируемый по ветру ротор (см. рис.2,б). При изменении направления ветра за счет парусности ротора появляется момент сил, в результате которого ротор, поворачиваясь в верхней опоре относительно вертикальной оси, ориентируется по ветру.

Ротор с винтовыми лопастями можно также использовать в гидроэнергетике. Так как пустотелая ступица обеспечивает плавучесть ротора, то он может находиться на поверхности воды, и за счет воздействия воды только на нижние части лопастей будет вращаться даже при перпендикулярном к оси направлении потока. Таким образом можно использовать энергию горных рек, морских течений, приливов и энергию волн.

Шнековый ротор вследствие непрерывности лопастей на протяжении одного оборота в меньшей мере генерирует акустические колебания и вращается плавно. Такой ротор будет также меньше модулировать электромагнитное излучение. Поэтому он по сравнению с обычными ВД в меньшей степени будет создавать шум и теле- и радиопомехи.

Угол (см. рис.1) между винтовой линией и образующей цилиндра радиусом r, определяемый из соотношения

tg = 2 r/S, (1)

изменяется по радиусу лопасти от ₁ на ступице до ₂ на ометаемой поверхности. Поэтому за характеристику наклона лопасти может быть выбран средний угол наклона _c, определяемый из выражения

tg_c = 2 R_c/S, где R_c = (R₁ +R₂)/2.

При раскрое винтовых лопастей из плоского листа важной характеристикой является радиус кривизны винтовой линии. Для его нахождения запишем уравнение винтовой линии в декартовой системе координат x, y, z, в следующем виде:

x = r cos , y = r sin , z = S/2 , (2)

где ось z направлена по оси винта, а - полярный угол в плоскости x, y. Радиус кривизны пространственной кривой определяется так [12]:

. (3)

Согласно (2) производные запишутся

, ,

после их подстановки в (3) получаем радиус кривизны винтовой линии в виде:

_cu = (S² + 4r²)/(4²r) (4)

3. Вопросы конструкции и технологии шнековых роторов

Известные конструкции и технологии изготовления шнековых ветророторов [1] и шнеков другого назначения [13] не позволяют получить легкий и прочный шнек. Поэтому ведется разработка разнообразных конструкций шнековых роторов. Например, ротор может состоять из цилиндрической обечайки, которая изнутри подкреплена продольными стрингерами и поперечными шпангоутами [3]. По концам ротора к двум крайним шпангоутам присоединены подшипниковые узлы. К наружной поверхности обечайки прикреплены уголки. Лопасти состоят из секторов, которые соединяются с уголками и между собой и образуют винтовую поверхность. Сектора изготавливаются из плоского листа. Его внутренняя и наружная дуги выполнены радиусами _cu1 и _cu2 , которые определяются радиусом кривизны винтовой линии (4) при r₁ = 0.5D₁ и r₂ = 0.5D₂ соответственно. Высота сектора заготовки равна высоте винтовой лопасти

h = 0.5 (D₂ - D₁). (5)

Длина хорд равна 2b. Величина b на разных радиусах определяется следующими соотношениями: b = _cu sin 0.5_b, где

.

По этой технологии был выполнен ротор диаметром 1 м из дюралюминиевого листа толщиной 0.5 мм, который представлял собой достаточно легкую и прочную конструкцию. По более совершенной технологии изготовлялись роторы диаметром 0.5 м из алюминиевого листа толщиной 0.3 мм. На ее основе может быть создана технологическая линия непрерывного изготовления шнека из металлического листа.

Шнековые роторы могут также изготавливаться из неметаллических материалов. Была разработана технология изготовления шнековых ветророторов малого диаметра (150 мм) из стеклоэпоксида. Такие ветророторы испытывались в аэродинамической трубе и работали в различных ветровых условиях. Представляет интерес производство непрерывного шнека из термопластов методом экструзии. По нашим оценкам непрерывная технология шнековых роторов может привести к уменьшению себестоимости ветроагрегатов в три раза.

4. Компоновки шнековых ветророторов

Благодаря своим прочностным свойствам шнековый ротор может быть использован как конструктивный элемент. Это позволяет компоновать различные конструкции ветроагрегатов. Одной из простых компоновок является однороторный самоориентируемый ветроагрегат [8] по схеме на рис.2,б, но приподнятый над землей на мачте. Было выполнено два варианта самоориентируемого ветроагрегата-насоса: со шнековыми ротороми диаметром 200 и 500 мм. Был также конструктивно проработан проект самоориентируемого ветроагрегата на 2 кВт с диаметром шнекового ротора 2 м и расположенными сверху редуктором и электрогенератором. Самоориентируемые ветроагрегаты весьма эффективно использовать на малые мощности (например, до нескольких кВт), когда габариты роторов невелики. Установка их на мачте в области больших скоростей ветра увеличивает мощность по сравнению с наземным размещением.

На рис.3 представлена многороторная ветроустановка [4]. В ней вращение от всех роторов передается на один выходной вал. Она содержит наклонные к горизонтальной плоскости шнековые ветророторы 1. Внизу ветророторы через подшипниковый узел состыкованы с опорами 2, а вверху - с опорой 3. Вращение ветророторов через узел со встречновключенными обгонными муфтами 4 передается коническому редуктору 5, из которого общий трансмиссионный вал 6 передает вращение электрогенератору 7.

При направлении ветра v₁ наветренные роторы вращаются в одну сторону, а подветренные в другую. При направлении ветра v₂ роторы вращаются в обратную сторону. Устройство со встречновключенными обгонными муфтами содержит две встречновключенные муфты, которые обеспечивают вращение выходного вала 6 в одном направлении при разных направлениях вращения роторов. Многороторные ветроустановки целесообразно делать мощностью десятки киловатт и более. Они могут устанавливаться в виде ветроплотин вдоль побережий или поперек горных долин. В местностях с симметричной розой ветров ветроустанока может компоноваться из трех или более роторов, установленных по кругу. В этом случае общий трансмиссионный вал может быть установлен в центре ветроустановки и расположен вертикально. Была спроектирована и построена такая трехроторная ветроустановка мощностью 1 кВт [5]. Представляет интерес консольный ветроагрегат [7], в котором шнековый ротор подобно флюгеру в двух плоскостях ориентируется по ветру. При изменении направления ветра шнековый ротор поворачивается в узле поворота относительно вертикальной оси и ориентируется по ветру. При изменении величины скорости ротор поворачивается в шарнире относительно горизонтальной оси.

При отсутствии ветра на консольно расположенный ротор от его веса действуют наибольшие изгибающие нагрузки. При некоторой скорости ротор взвешивается и изгибающие нагрузки исчезают. Поскольку наклон ротора к горизонту уменьшается, то стабилизируется также число оборотов. Консольные ветроагрегаты могут достигать мощности нескольких десятков киловатт. Их целесообразно устанавливать в местностях с переменными и порывистыми ветрами.

Рассмотренные ветроустановки расположены наклонно по отношению к ветру. На рис.4 представлен шнековый ветроротор с воронкообразными винтовыми лопастями [6], который может работать в вертикальном положении и не зависит от направления ветра. В отличие от прямого геликоида (2) координата z воронкообразной винтовой поверхности можно описать так: , где f(r) - монотонная функция радиуса. При направлении ветра v большую нагрузку воспринимают расположенные слева от оси вогнутые участки лопастей, вследствие этого возникает направленный влево вращающий момент. Вертикальный шнековый ротор устойчиво вращается при переменных порывистых ветрах. Его мощность может достигать несколько сотен киловатт. Такие ветроустановки можно устанавливать в разных районах, в том числе и в городах, например на крышах зданий.

Вертикальный шнековый ротор по сравнению с быстроходными ветророторами типа Дарье [14], у которых малый начальный вращающий момент, имеет большую выработку энергии при малых скоростях и меньшие изгибающие и центробежные нагрузки. В сравнении с ротором Савониуса [15] он имеет больший коэффициент использования энергии ветра.

5. Взаимодействие шнекового ротора с осевым потоком

Известны работы Н.Е. Жуковского, Н. Красовского, Г.Х. Сабинина., например [16, 17], в которых на основании теории вихрей или теоремы импульсов приведены расчеты взаимодействия потока с ветроприемником. Однако полученные результаты зависят от ряда теоретических констант, и они не позволяют определить оптимальные параметры шнекового ротора. Исследуем аэродинамические свойства ротора, основываясь на силе воздействия потока на плоскую площадку.

Рассмотрим элементарную площадку длиной BC = dl вдоль винтовой линии на радиусе r, шириной dr и площадью df = dldr (см рис.1), которая расположена под углом к направлению ветра v. При вращении ротора с угловой скоростью площадка имеет тангенциальную скорость v = r. При повороте ротора другие участки, расположенные вдоль винтовой лопасти, будут становиться под таким же углом . Поэтому в неподвижной системе координат происходит движение площадки df вдоль оси ротора с осевой скоростью

u = v/tg = S/2. (6)

Если осевая скорость u площадки df равна скорости ветра v, то площадка не взаимодействует с ветром. Если u > v, то площадка усиливает напор ветра, и ротор работает как вентилятор. Если u < v, то ветер воздействует на площадку и ротор работает как ветровой двигатель. Из выражения (6) видно, что для винтовой лопасти скорость u не зависит от радиуса. Поэтому, если какая-то площадка работает в оптимальном режиме, то и все части ротора работают в оптимальном режиме. Таким образом, винтовая поверхность лопастей является оптимальной для использования энергии ветра.

На плоскую, перпендикулярную к потоку, площадку df, которая движется со скоростью u в направлении ветра, действует сила , где w = v - u - скорость ветра относительно площадки. Будем рассматривать взаимодействие потока с площадкой при больших числах Рейнольдса, когда C не зависит от последнего. При этих скоростях можно также пренебречь силой трения потока. Поэтому не учитываем касательную к площадке силу. Так как площадка df (см. рис.1) наклонена и нормаль к ней составляет угол (90⁰ - ) с направлением ветра, то поток действует на площадку нормальной к ней силой

Здесь C - аэродинамический коэффициент, который может зависеть от угла наклона площадки к потоку.

В направлении вращения ротора на площадку будет действовать касательная к ротору составляющая силы dF = dF_n cos, которая в направлении вращательного движения площадки df выполняет работу dA = = dF rdt. Тогда мощность, передаваемая потоком площадке, будет dN = dA/dt = r dF . После подстановки значений dF, w, u получаем:

. (7)

Произведение dfsin (см. рис.1) является проекцией площадки на плоскость вращения, поэтому его можно записать в виде: df sin = r ddr, где - полярный угол в плоскости вращения ротора. Тогда после интегрирования (7) по углу , от которого параметры, за исключением C_?, не зависят, получаем следующее выражение для мощности ветроротора:

, (8)

где ; ; ; ; ; C_c - аэродинамический коэффициент для площадки, наклоненной под средним углом _c .

Выражение (8) справедливо для участков лопастей, на которые набегает невозмущенный другими лопастями поток, т.е. на длине ротора до первого перекрытия лопастей L₁ = S/n. После интегрирования выражения (8) и подстановки пределов интегрирования мощность ротора N с однократным перекрытием и вращающий момент M при ветре вдоль его оси запишется так:

, (9)

; (10)

, (11)

где = S/??R_?; ; k_M = k_N/z_v.

Как видно из формул (9) - (11), геометрические (₂, ) и динамические (z_v) параметры оказывают влияние на мощность и момент ротора через параметрические коэффициенты k_N и k_M. На рис.5 представлены графики этих коэффициентов в зависимости от наружного угла лопасти ₂ при разных быстроходностях z_v. Коэффициент k_N, а следовательно, и мощность N при фиксированном z_v имеет максимум по ₂.

С ростом быстроходности величины максимумов растут, а их положение смещается в сторону больших углов ₂. Однако вращающий момент с ростом ₂ и z_v стремится к нулю. Так как при малых скоростях ветра ротор с малым вращающим моментом не будет работать, то необходимо ограничиваться величиной угла ₂ и быстроходности z_v, исходя из реальных возможностей конструкции ротора. В экспериментах с моделью ротора была получена максимальная электрическая мощность при быстроходности z_v = 1. Как видно из рис.5, при этой быстроходности оптимум мощности достигается при угле ₂ = 73є.

В ряде случаев удобнее пользоваться средним углом _c, поэтому выразим мощность через _c. С учетом (1) запишем выражение (7) в следующем виде:

. (12)

Здесь интегрирование ведется по элементарной площадке df = drdl винтовой поверхности. При этом изменяется только один параметр - угол наклона площадки . Поскольку изменяется монотонно в небольшом диапазоне от ₁ до ₂ , то этот параметр можно заменить средним значением угла _c . Тогда интегрирование по всем площадкам даст площадь лопастей при их однократном перекрытии. При этих условиях мощность ротора с однократным перекрытием, выраженная через средний угол _c , запишется

, (13)

где

k_Nc = z_vc a_c (1-z_vca_c)²/(1+a_c²); ; a_c = ctg _c = S/2R_c ; (14)

C_c - средний аэродинамический коэффициент, который может отличаться от аэродинамического коэффициента в формуле (9) из-за разных алгоритмов осреднения.

Отличие приближенного выражения (13) для мощности от точного (9) находится в пределах 5%. Функция k_Nc при z_vca_c = 1/3 имеет оптимум, который соответствует максимумам k_N на рис.5:

k_Nсmax = 0.148 sin² _c. (15)

Из (15) следует, что максимальное значение k_Nc, а следовательно и k_N, будет при _c 90⁰ и равно k_Ncmax = 0.148, но быстроходность z_v при этом стремится к бесконечности.

Так как согласно (1) tg _c = 0.5(1+) tg ₂, то оптимум мощности при ₂ = 73⁰, = 0.265, и быстроходности z_v = 1 соответствует среднему углу _c 65⁰.

Тогда при осевом направлении ветра достаточно большие мощность и вращающий момент ротор с однократным перекрытием будет иметь, если средний угол ротора _c находится в пределах 60 - 70⁰ и быстроходность z_v 1.

5. Влияние перекрытия лопастей при осевом ветре

Площадь винтовой лопасти f_b на длине одного шага S или площадь n лопастей на длине одного перекрытия определяется в результате интегрирования df по длине S лопасти и по радиусу r в пределах от R₁ до R₂

, где x = 2r/S

После интегрирования и подстановки пределов площадь винтовой лопасти запишется в виде:

. (16)

При ветре вдоль оси ротора с перекрытием k раз энергия ветра, неиспользованная на участке первого перекрытия, может быть извлечена на последующих участках. Оценим, насколько эффективно используется здесь энергия ветра. С этой целью преобразуем выражение для мощности (13), подставив в него параметры k_Nс, z_vc, z_v и осевую скорость площадки u согласно (6). В результате получаем

. (17)

Пусть после прохождения потоком первого перекрытия лопастей скорость ветра уменьшается до v₁ , после второго до v₂ и т.д. Тогда мощность, принятая вторым участком ротора, определится из формулы (17) при v = v₁

, (18)

где = (v₁ - u)/(v - u) - падение относительной скорости ветра на длине одного перекрытия ротора. Так как все последующие участки имеют одинаковую конструкцию, то можно предположить, что относительная скорость ветра будет срабатываться везде одинаково, т.е. = (v₁ - u)/(v - u) = (v₂ - u)/(v₁ - u) = (v₃ - u)/(v₂ - u). Поскольку v₂ - u = (v₁ - u); v₃ - u = (v₁ - u) и т.д., то мощности, вырабатываемые на следующих участках согласно (18), можно записать N₂ = N₁ ²; N₃ = N₂ ². Для длинного ротора с числом перекрытий k мощность как сумма мощностей на отдельных участках будет

. (19)

При уменьшении относительной скорости в два раза ( = 0.5) увеличение мощности длинного ротора с k = 4 согласно (19) будет равно 1.313 раза, откуда видно, что при осевой работе шнекового ротора увеличение его длины неэффективно.

6. Оценка мощности ротора при осевом ветре

С учетом (17) мощность длинного ротора (19) при ветре вдоль оси можно записать в виде:

, где

Тогда с учетом (17) и (16) мощность длинного ротора будет:

. (20)

Это выражение зависит от неизвестного коэффициента . Используя результаты аэродинамических продувок, определим его. Были проведены измерения мощности, вырабатываемой трехзаходным шнековым ротором с параметрами R₂ =75 мм, R₁ = 20 мм, S = 212 мм, L = 250 мм, _c = 54.6є , который продувался в аэродинамической трубе. При ветре скоростью v = 11.4 м/с вдоль оси ротора мощность составила N_o = = 6.5 Вт, а при ветре под углом = _c к оси ротора мощность была N_c =0.8N_o. Так как коэффициент перекрытия в этом случае k = 3.54, то ротор можно считать длинным. Будем выражать мощность через площадь ометаемой поверхности f_pda. После подстановки параметров измерений в (20) получаем . Тогда для мощности длинного ротора при ветре вдоль оси получим следующую оценку:

N_o 1.9 f_pda v³ k_Nc. (21)

При z_vca_c=1/3 величина k_Nc , согласно (10), имеет максимум k_Ncmax = 0.148. Тогда максимальная мощность ротора при ветре вдоль оси будет: N_max = 0.28 f_pda v³, максимальный коэффициент использования энергии ветра . Эта величина _max близка к предельной величине коэффициента использования энергии ветра _max = 59%, полученного в работах [11], [14, 16] для пропеллерных ветроприемников.

7. Оценка мощности наклонного ротора

При наклонном положении ротора относительно ветра его мощность N будет пропорциональна длине L и мощности вдоль оси N_o. Так как последнюю мощность мы приводили к длине кратной шагу S, то можем записать мощность наклонного ротора пропорциональную его кратности его перекрытий k в виде: , где k_x - неизвестный коэффициент. Подставляя параметры исследованного ротора и измеренные мощности N_o и N, получаем величину k_x = 0.22. Тогда оценка для мощности ротора, установленного под углом = _c к ветру, будет:

, (22)

а коэффициент использования энергии ветра при отнесении к миделю ротора 2R₂L

. (23)

Расчет по этой формуле для наклонного ротора с параметрами R₂ =75 мм, R₁ = 19.5 мм, S = 172.5 мм, L = 690 мм дает максимальный коэффициент использования энергии ветра = 19% при быстроходности z_v = 1.1. В результате аэродинамических продувок для этого ротора получено = 20%. Таким образом, выведенные соотношения (13), (22) и (23) позволяют рассчитывать энергетические характеристики наклонного ветроротора.

Следует отметить, что доля мощности ветрового потока, которую отбирает ветроагрегат, будет выше, так как для наклонного ротора площадь его миделя больше площади ветрового потока. С учетом площади ветрового потока R₂Lsin, где - угол между ветром и осью ротора, коэффициент использования знергии ветра наклонного шнекового ротора длиной L = 690 при = 45 по результатам испытаний равен 27%.

Заключение

Шнековые ветроустановки характеризуется высокой плавностью работы, отсутствием вибрации и усталостной нагрузки, вызванных цикличностью вращения ротора, значительно меньшими акустическими и электромагнитными помехами и пониженным экологическими воздействиями. Разнообразные компоновки позволяют оптимально приспособить их к условиям потребителя. Сочетание тихоходности и умеренного коэффициента использования энергии ветра обеспечивает высокую годовую выработку энергии даже в местностях с небольшими ветрами. При условии создания дешевой технологии изготовления шнека такой ветродвигатель может стать доступным для широких слоев населения. В заключение сопоставим оценочные параметры ветроустановки с вертикальным воронкообразным шнековым ротором (ВВШР) (см. рис.4) с параметрами отечественного двухлопастного Агрегата ветроэнергетического АВЭ-16, разработанного НПО "Ветроэн".

Параметры	АВЭ-16	ВВШР
Мощность, кВт	16	16
Диаметр ротора, м	12.3	5.8
Высота ротора, м	-	20.3
Высота башни (центральной стойки), м	12.7	25
Вес ветроагрегата, кг	4400	4000
Расчетная скорость ветра для достижения мощности, м/с	10.5	10.5
Число оборотов ротора при расчетной скорости, об/мин	98	35
Центробежное ускорение конца лопасти, м/с2	647	39
Рабочий диапазон скоростей ветра, м/с	530	240
Годовая выработка электроэнергии в относительных единицах	1	2
Стоимость 1 кВт-час электроэнергии в относительных единицах	1	0.5
Аэродинамический шум	Есть	Нет
Телерадиопомехи	Есть	Нет

Обозначения

A - работа; a = ctga----–--параметр; b - полухорда плоского сектора; C, C_? - аэродинамические коэффициенты; D₁ , D₂ - диаметры ступицы и ротора; F - сила; df - элемент площади; f_pda - ометаемая площадь; f_b - площадь лопастей на длине одного перекрытия; h - высота лопасти; k - количество перекрытий ометаемой поверхности; k_N и k_M - коэффициенты мощности и момента; L - длина ротора; M - вращающий момент; N - мощность; N_o, N - мощность длинного ротора при осевом и наклонном положении под углом ? к ветру; n - число лопастей; n_s - число секторов на шаге винтовой линии; R₁ , R₂, и R_c - радиус ступицы, ротора и средний; S - шаг винтовой линии; u - осевая скорость площадки; ; v -скорость ветра; z_v, z_vc - быстроходности, отнесенные к наружному и к среднему радиусам ротора; ??- наклон винтовой линии к образующей цилиндра; ? - коэффициент падения скорости;??- коэффициент использования энергии ветра; _cu - радиус кривизны винтовой линии; ??- плотность воздуха; ? - угол между осью ротора и скоростью ветра; _h- полуугол хорды плоского сектора;??- полярный угол в плоскости вращения ротора; - угловая скорость вращения ротора.

Индексы: 1 - к ступице; 2 - к диаметру ротора; c - среднее значение; cu - curvature (кривизна); k - при большем 1 коэффициенте перекрытия; N - мощность; n - нормальный; M - момент; max - максимальный; o - осевой; b - blade (лопасть); pda - propeller-disk area (ометаемая площадь); v - velocity; ?? - зависимый от угла ?; - отнесенный к ротору, наклоненному под углом к ветру; - касательный.

Литература

1. Патент Франции № 2464386 кл. F 03 D 5/00, опубл. 1981.

2. Патент России № 1225912, МКИ⁵ F 03 D 5/00. Ветродвигатель/ Смульский И.И., опубл. 23.04.86, Бюл. № 15.

3. Патент России № 2078250, МКИ⁶ F 03 D 5/00, 3/06. Ветроротор / Смульский И.И., опубл. 27.04.97, Бюл. № 12.

4. Патент России № 2088798, МКИ⁶ F 03 D 3/02. Ветроустановка / Смульский И.И., Липчинский М.И., опубл. 27.08.97, Бюл. № 24.

5. Патент России № 2078993, МКИ⁶ F 03 D 3/02. Ветроагрегат/ Смульский И.И., опубл. 10.05.97, Бюл. № 13.

6. Патент России № 2101560, МКИ⁶ F 03 D 5/00, 3/06. Шнековый ветроротор/ Смульский И.И., Мельников В.П., Кавун И.Н., опубл. 10.01.98, Бюл. № 1.

7. Патент России № 2115826, МКИ⁶ F 03 D 5/00. Консольный ветроагрегат / Смульский И.И., опубл. 10.07. 98, Бюл. № 20.

8. Патент России № 2115019. Самоориентируемый ветроагрегат / Смульский И.И., опубл. 10.05.98, Бюл. № 19.

9. Безруких П.П. // Энергия: энергетика, техника, экология. 1995. № 8. С.24-30.

10. Сидоров В.И., Сидоров В.В., Кузнецов М.В. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1980. № 3. С.7З-82.

11. Шефтер Я.И. Исследования энергии ветра. М. 1983.

12. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров М. 1968.

13. Григорьев А.М. Винтовые конвеера. М. 1972.

14. Ветроэнергетика/ Под ред. Д.Рензо. Пер. В.В.Зубарева, М.О. Франкфурта/ Под ред. Я.И.Шефтера. М. 1982.

15. Зубарев В.В., Минин В.А., Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л. 1989.



Рис. 1. Трехзаходный шнековый ветродвигатель: 1, 2, 3 - винтовые лопасти; 5 - подшипниковые опоры; 4 - ступица; 6 - передача; 7 - электрогенератор.

Рис. 2. Шнековый ветроротор при боковом ветре: а - неориентируемый (участки лопастей развернутые: 1 - ребром к ветру, 2 - плоскостью к ветру); б - ориентируемый (1 - верхняя опора; 2 - нижняя опора).



Рис.3. Многороторная установка: а - фронтальный вид; б - вид сверху; 1 - шнековый ротор; 2 и 3 - нижняя и верхняя опоры; 4 - узел со встречно включенными обгонными муфтами; 5 - конический редуктор; 6 - трансмиссионный вал; 7 - электрогенератор.



Рис. 4. Воронкообразный шнековый ветродвигатель: 1 - ступица; 2 - воронкообразные винтовые лопасти; 3 - мачта; 4, 5 - верхняя и нижняя подшипниковые опоры; 6 - шарнир; 7 - растяжки; 8 - передача; 9 - мультипликатор; 10 - электрогенератор; 11 - ветроротор в наклонном положении.



Рис. 5. Зависимость коэффициента мощности - а и коэффициента момента - б от угла наклона лопасти при = 0.265 и разных быстроходностях z_v: 1 - 0.5; 2 - 0.75; 3 - 1; 4 - 1.5; 5 - 2.

Размещено на Allbest.ru

...