При розрахунку лопаті необхідно
визначити ширину хорди і кут установки лопаті β в декількох перетинах по довжині лопаті.
В кожному перетині необхідно визначити правліьную форму лопаті, щоб отримати краще зусилля (підйомну силу) від кожної порції вітру, з якої це перетин буде мати справу.
Процес обчислення найкращою навантаження і відповідної їй найкращого профілю, відомий як метод кінцевих елементів. розглядає лопать, як сукупність окремих елементів.
Елекент лопаті знаходиться на відстані r від центру працює у вузькому кільці з усієї захоплюваної області і виробляє роботу по уповільненню своєї порції повітря з максимумом ефективності відповідно до критерію Бетца.
Площа кільця ометамемая вітром
Його окружна швидкість буде (r / R) ZV, де Z - обрана нами швидкохідні
Швидкість набігання потоку. яку лопать 'відчуває', будемо називати справжнім вітром. Вона визначається швидкістю (величиною і напрямком) зустрічі лопаті з молекулами повітря.
Окружну швидкість лопаті необхідно додати до швидкості вітру, щоб отримати швидкість набігання потоку, істинний вітер, що створює підйомну сілу.Окружная швидкість обумовлює силу дію на лопать в площині обертання.
Сила натиску спрямована проти руху лопаті.
Підйомна сила допомагає руху лопаті.
Обидві сили впливають на лопать і, в свою очредь, самі сповільнюють вітер
де:
ρ - щільність повітря 1,29кг / м 3 При 0 o C на рівні моря.
S - площа лопаті м 2,
V - швидкість набігання потоку м / с.
Підйомна сила і сила лобового опору залежать від коефіцієнтів підйомної сили з y і коефіцієнта лобового опору c x. які в свою чергу залежать від застосованого в лопаті профілю і кута атаки α. під яким потік вдаряє в лопать.
Ми більше звикли до графіків повітряних сил, які тут всюди.
Лінія хорди найдовша лінія в перетині профілю, що з'єднує носок і задню кромку.
Кут атаки α - це кут між вектором набігання потоку і хордою лопаті.
Ви не можете обчислити коефіцієнти підйомної сили і лобового опору. Вони виміряні експериментально в аеродинамічних трубах і занесені в атласи профілів.
Ось типовий графік коефіцієнта підйомної сили з y. в залежності від кута атаки α.
При збільшенні кута атаки підйомна сила теж збільшується, поки не досягне точки зриву потоку.
Потік повітря відривається від поверхні профілю в задній частині крила.
Підйомна сила падає, а сила лобового опору швидко збільшується.
Більшість плоских тіл дадуть подібний вид графіка з y (α). Але вигнуті профілі дадуть більше відношення з y / c x.
При проектуванні ротора повітряної турбіни кут α буде залежати від кута істинного вітру ψ, і, отже, кута установки лопаті β.
Таким чином при зміні α, ми управляємо підйомної силою і силою лобового опору лопаті.
Ми повинні оптимізувати підйомну силу, але лопата не працюватиме добре, якщо сила лобового опору не мінімізована.
Для кожного профілю необхідно визначити такий кут атаки для якого відношення Cy / Cx, зване в аеродинаміці аеродинамічним якістю, найвище.
Визначення точного значення оптимального кута α може бути заплутаним процесом, тому що підйомна сила і сила лобового опору залежать від перетину і від числа Рейнольдса (залежить своєю чергою від розміру хорди і швидкості лопаті).
Число Рейнольдса = 68 500 х ДЛИНА Хорді (м) х ІСТИННА ШВИДКІСТЬ (м / с)
Якщо b = 0,07 м і Z = 5 і V = 5 м / c, то справжня швидкість дорівнює 25 м / с і Re = 120 000
Зліва два графіка профілю NACA 4412 знятих для різних чисел Рейнольдса.
Лівий графік показує залежність Cy (α).
Правий графік показує залежність Cy (Cx).
Тангенс кута нахилу прямої, проведеної через початок координат дорівнює аеродинамічному якості (стосовно Cy / Cx).
Якщо провести дотичну до кривої, що відповідає будь-якому числу Рейнольдса, то ця дотична покаже максимально можливе аеродинамічна якість для даного Re.
Для NACA 4412 ця точка дотику відповідає Cy приблизно рівним 1 і α рівним 6.
Зауважте, що низькі числа Re призводять до малих значень Cy і низькому аеродинамічному якості, що пояснює проблеми для пропелерів з вузькими лопатями при слабких вітрах.
Існують інші профілі (ClarkY і K2), які краще працюють при низьких числах Рейнольдса.
Практично всі профілі мають найвищу аеродинамічна якість при куті атаки рівному 5 градусів. Якщо характеристики профілю невідомі ми можемо вважати, що кут установки можна обчислити як
β = ψ - 5
Закінчивши з обчисленнями β, ми повинні обчислити ширину лопаті. Будемо міркувати так:
Кожен елемент лопаті взаємодіє з певним колом вітру.
Оскільки радіус у центру стає менше, то і площа кільця стає менше. Тому зовнішні частини лопаті виробляють більше енергії. Центральні частини лопаті менш важливі і відрізняються за формою від кінцевих частин лопаті.
Швидкість вітру після вітроколеса сповільнюється до 1/3 в порівнянні з початковою. Це уповільнення відбувається від впливу осьової сили, яка тісно пов'язана з підйомною силою.
2. Вибираємо бистроходность Z. Ви вільні йти по шляху проб і помилок. Я пропоную, щоб Ви вибрали бистроходность між 5 і 8.
Швидкохідність визначає обороти вітряка. ОБЕРТИ = 60 ZV / πD об / хв
3. Вирішуємо, яка кількість лопатей буде на вітряк. i = 3 є найкращим варіантом.
Або спробуйте обчислити i = 80 / Z 2
4. Ширина хорди на кінці лопаті буде: b = 4 D / Z 2 i
Наприклад, якщо D = 2м, Z = 7 і i = 2, тоді b = 4х2 / 49х2 = 0,08 м (або 8 см). Кінцева частина є найважливішою, але внутрішня частина повинна бути зроблена ширше, щоб створювати великий стартовий обертовий момент.
5. Щоб знайти кращий кут установки лопатей користуйтеся цим графіком.
ЦЕ ІДЕАЛЬНИЙ КУТ ДЛЯ ТОЧКИ А, лежачи БЛИЗЬКО до кінчика лопаті
НА ПРАКТИЦІ БАГАТО вітряки ПОБУДОВАНІ З ВИКОРИСТАННЯМ некрученого лопатей з незмінній ширині по радіусу І ПОСТІЙНИМ КУТОМ установки. ЯК НЕ ДИВОВИЖНО, АЛЕ ТАКЕ СПРОЩЕННЯ МАЛО позначається на ефективності вітряків
ОДНАК Є серйозно ПІДСТАВИ, ЩОБ РОБИТИ лопаті звужується до кінчика І РОБИТИ крутка лопаті:
2. масивним і МІЦНІШЕ маточини