Výpočet lopatek pro větrné turbíny

Listy rotoru větrné turbíny přijímají energii z větru a tím jej zpomalují.
Odolávají větru a vítr je udeří stejnou silou.

Tělesa v proudění vzduchu vytvářejí sílu namířenou proti vektoru rychlosti, tzv táhnout

Tlaková síla byla používána v prvních větrných turbínách.
Je snadné si představit, jak tato síla působí
pohybovat štíty, ale takové větrné mlýny velmi pomalu se pohybující a čepele,
které se pohybují proti větru, proti rotaci. V aerodynamice se správně nazývá tlaková síla síla podle rychlosti letu.
Síla tlaku se často nazývá odporová síla. Při používání tohoto termínu nesmíme zapomínat, že odporová síla je ve skutečnosti směrována opačným směrem, proti větru.

Tlak je síla větru směrovaná ve směru proudění.
Ale je tu další tzv. síla „zdvihací síla“ který je vždy nasměrován v pravém úhlu ke směru větru

Lopatky větrného mlýna s horizontální osou se nemohou pohybovat ve směru větru, takže nemohou těžit ze síly větru. Místo toho používají výtah.

Strana 2

na výpočet čepele nutný
identifikovat šířka tětivy и úhel ostří β v několika sekce po délce čepele.
V každé sekci je nutné určit správný tvar lopatky, abychom získali nejlepší sílu (vztlak) z každé části větru, kterou se tato sekce bude zabývat.

Proces výpočtu nejlepšího zatížení a jeho odpovídajícího nejlepšího profilu, známý jako metoda konečných prvků. považuje čepel za soubor jednotlivých prvků.

Lopatkový prvek, umístěný ve vzdálenosti r od středu, pracuje v úzkém prstenci z celé zametané plochy a vykonává práci na zpomalení své části vzduchu s maximální účinností v souladu s Betz kritériem.

Oblast prstenu foukaná větrem

Jeho obvodová rychlost bude (r/R)ZV, kde Z je rychlost, kterou jsme zvolili

Rychlost volného toku, které čepel ‚cítí‘, budeme nazývat pravý vítr. Je určena rychlostí (velikost a směr) setkání lopatky s molekulami vzduchu.

Obvodová rychlost lopatky musí být přidány k rychlosti větru, aby se získala rychlost volného proudění, skutečný vítr, který určuje obvodovou rychlost platnost Působím na čepel v rovině otáčení.

Tlaková síla namířeno proti pohybu čepele.

Zvedací síla napomáhá pohybu čepele.
Obě síly působí na čepel a naopak zpomalují vítr

Strana 3

Výpočet vztlakových a tlakových sil.

Kde:
ρ – hustota vzduchu 1,29 kg/m 3 Při 0 o C na hladině moře.
S – plocha čepele m2,
V je vstupní rychlost proudění m/s.

Zvedací a tažné síly závisí na vztlakové koeficienty s _y a koeficient odporu c _x , které zase závisí na použitém v čepeli profil и úhel náběhu α, pod kterým proudění naráží na čepel.

Jsme zvyklí spíše na mapy letectva, které jsou tady všude.

Akordová linie nejdelší čára v profilové části spojující špičku a odtokovou hranu.

Úhel náběhu α je úhel mezi vektorem příchozího proudění a tětivou lopatky.

Nemůžeš vypočítat koeficienty vztlaku a odporu. Jsou měřeny experimentálně v aerodynamické tunely a součástí profilových atlasů.

Zde je typický graf součinitele vztlaku s _y , v závislosti na úhlu náběhu α.

S rostoucím úhlem náběhu se zvyšuje také zdvihací síla, dokud nedosáhne bodu zastavení toku.

Proud vzduchu se odtrhává od povrchu profilu v zadní části křídla.

Vztlak klesá a brzdná síla se rychle zvyšuje.

Většina rovinných těles poskytne podobný typ grafu _y (a). Ale zakřivené profily poskytnou větší poměr с _y /c _x .

Strana 4

Při návrhu rotoru vzduchové turbíny bude úhel α záviset na skutečném úhlu větru ψ, a tedy úhlu lopatek β.

Při změně α tedy řídíme zdvihovou a tažnou sílu listu.

Musíme optimalizovat zdvih, ale čepel nebude fungovat dobře, pokud nebude brzdná síla minimalizována.

Pro každý profil křídla je nutné určit úhel náběhu, pro který je poměr Cy/Cx, nazývaný v aerodynamike aerodynamická kvalita, nejvyšší.

Nalezení přesné hodnoty optimálního úhlu α může být matoucí proces, protože síly vztlaku a odporu závisí na řezu a na Reynoldsově čísle (které zase závisí na velikosti tětivy a rychlosti čepele).

REYNOLDS ČÍSLO = 68 500 x DÉLKA TĚNU (m) x SKUTEČNÁ RYCHLOST (m/s)
Pokud b = 0,07 ma Z = 5 a V = 5 m/s, pak je skutečná rychlost 25 m/s a Re = 120 000

Vlevo jsou dva grafy profilu NACA 4412 pořízené pro různá Reynoldsova čísla.

Levý graf ukazuje závislost Cy(α).

Pravý graf ukazuje závislost Cy(Cx).

Tangenta úhlu sklonu přímky procházející počátkem souřadnic se rovná poměru zdvihu a tažení (poměr Cy/Cx).

Pokud nakreslíme tečnu ke křivce odpovídající libovolnému Reynoldsovu číslu, pak tato tečna ukáže maximální možný poměr zdvihu a tažení pro dané Re.

Pro NACA 4412 tento tečný bod odpovídá Cy přibližně 1 a a 6.

Všimněte si, že nízká čísla Re mají za následek nízké hodnoty Cy a nízký poměr zdvihu a odporu, což vysvětluje problémy vrtulí s úzkými listy při slabém větru.

Existují další profily (ClarkY a K2), které fungují lépe při nízkých Reynoldsových číslech.

Téměř všechny profily mají nejvyšší aerodynamickou kvalitu při úhlu náběhu 5 stupňů. Pokud jsou charakteristiky profilu neznámé, můžeme předpokládat, že instalační úhel lze vypočítat jako

β = ψ – 5

Strana 4a

Strana 4b

POLAR VYROBENÝ VE VĚTRNÉM TUNELU

Strana 4c

Strana 5

Pro výpočet instalačního úhlu B musíme znát úhel proudění, při kterém se skutečný vítr blíží k rovině větrného kola.

VÝPOČET ÚHLU INSTALACE KOTOUČE β

Tedy úhel instalace

Kde α je přibližně 5

Další stránka bude ještě bohatší na užitečné vzorce.

Strana 6

Když jsme skončili s výpočty β, musíme vypočítat šířku čepele. Uvažujme takto:

Každý prvek lopatky spolupracuje se specifickým větrným kroužkem.

Jak se poloměr ve středu zmenšuje, plocha prstence se zmenšuje. Vnější části čepele proto produkují více energie. Středové části čepele jsou méně důležité a liší se tvarem od koncových částí čepele.

Rychlost větru po větrném kole se zpomalí na 1/3 oproti originálu. Toto zpomalení pochází z účinku axiální síly, která úzce souvisí se zdvihem.

ZABUDOVÁNÍ SÍLY PŘEDNÍHO TAHU (kvůli maličkosti chyby)

AXIÁLNÍ SÍLA = ZDVIHACÍ SÍLA cos(ψ)

BETZ AXIÁLNÍ SÍLA

JAK VÍME, ZVEDÁCÍ SÍLA

=C_y(ρ/2)ibΔr(PRAVÁ RYCHLOST) 2

To dává hrubý vzorec pro šířka tětivy b , která vytvoří osovou sílu odpovídající Betzově podmínce.

Jestliže i je počet lopatek, Cy je součinitel vztlaku, b je šířka tětivy v sekci r a V je rychlost větru, pak se součin ibΔr rovná celkové ploše lopatky produkující vztlak v tomto prstenci.

PRO JEDNODUCHOST PŘEDPOKLADÁME, ŽE Cy A COS(ψ) JSOU OBA PŘIBLIŽNĚ = 1

TATO ROVNICE NEJLEPŠÍ FUNGUJE PRO VNĚJŠÍ ČÁSTI ČEPELE

ZÁVĚRY:

VELIKOST b ZVYŠUJE SE V INVERZNÍM PROPORCI RADIUS r

těch. tvar čepele by měl být v půdorysu trojúhelníkový

b INVERZNÍ PROPORCE POČET NOŽEK i

těch. malá lopatková vrtule bude mít široké listy

b INVERZNÍ PROPORCE SQUARE SQUARE

těch. zdvojnásobení rychlosti způsobí, že se šířka nožů zmenší 4krát

Strana 7

<strong>Vraťme se k výpočtu lopatek.</strong>

1. Vyberte průměr rotoru, abyste získali požadovaný výkon

1000 – 2000
2000 – 3000

2. Zvolte rychlost Z. Můžete jít cestou pokusů a omylů. Doporučuji zvolit rychlost mezi 5 a 8.

Rychlost určuje rychlost větrného mlýna. RPM = 60 ZV/πD ot/min

3. Rozhodněte, kolik lopatek bude na větrném mlýně. i = 3 je nejlepší možnost.

Nebo zkus spočítat i = 80/Z2

4. Šířka tětivy na konci čepele bude: b = 4 D/Z2 i

Pokud například D = 2 m, Z = 7 a i = 2, pak b = 4×2/49×2 = 0,08 m (nebo 8 cm). Koncová část je nejdůležitější, ale vnitřní část musí být širší, aby produkovala větší rozběhový moment.

5. Chcete-li najít nejlepší úhel ostří, použijte tento graf.

TOTO JE IDEÁLNÍ ÚHEL PRO BOD A, BLÍZKO KE KONCI NOŽE

V PRAXI JE MNOHO VĚTRNÝCH OBRÁBĚČŮ KONSTRUOVÁNO POMOCÍ NEZKOUCENÝCH NOŽEK S KONSTANTNÍ RADIÁLNÍ ŠÍŘKOU A KONSTANTNÍM INSTALAČNÍM ÚHLEM. TOTO ZJEDNODUŠENÍ MÁ KUpodivu MALÝ VLIV NA ÚČINNOST VĚTRNÍKU

EXISTUJÍ VŠAK VÁŽNÉ DŮVODY PRO TO, ŽE SE ČEPEŽ ZKOUŠUJE KE HROTCE A ZATOČUJE SE NOŽE:

1. LEPŠÍ ZAČÁTEK

2. MASIVNĚJŠÍ A SILNĚJŠÍ NÁBOJE

Strana 8

Faktory ovlivňující KYJEV (koeficient využití větrné energie)

(Kde se ztrácí energie?)

1 důvodem je proudění kolem větrného mlýna. Betz zjistil, že maximální KIEV, kterou můžeme získat, je 0,593 ze síly proudění větru. Abychom získali takový výkon, musíme zpomalit průtok na 1/3 původní rychlosti.

3. důvod – kvůli tomu, že nestíháme se vším. U větrných mlýnů s malým počtem lopatek je zatížení vyšší a vítr raději prochází za hroty lopatek. Toto je známé jako konečná ztráta.

Důvod 2 – ztráta výkonu v rotujícím válci odpadního vzduchu. Glauert zjistil, že ztráty způsobené rotací odpadního vzduchu budou největší u nízkorychlostních větrných turbín.

HNACÍ KRUHOVÁ SÍLA
= Ysin(ph)(1 – (3 r/2 R) Z/K)
kde K = Y/ X – aerodynamická kvalita (strana 5)
TAK MUSÍ BÝT AERODYNAMICKÁ KVALITA VĚTŠÍ, POKUD MÁTE ZÍSKAT VĚTŠÍ RYCHLOST.
TAŽNÁ SÍLA SI VYBERÁ VYSOKOU MÝTU

4. důvod – pokles hnací obvodové síly, který závisí na aerodynamické kvalitě. To má silnější vliv na rychloběžné vrtule, kde se vektor vztlaku nejvíce odchyluje od směru pohybu listu.

Strana 9

Jaká je nejlepší varianta větrného mlýna?

Z grafu vyplývá, že optimální je rychlost okolo 5 a počet lopatek by měl být co největší.

Problém s velkým počtem čepelí je ten, že musí být velmi úzké nebo velmi pomalé (nebo obojí), aby splnily Betz podmínku.

Dokonalý rotor větrné turbíny má nekonečný počet nekonečně úzkých lopatek.

Klaus Niebroe z Windmission vytvořil rotor „windflower“ podle této logiky.

Vzhledem k nízkému Reynoldsovu číslu musí být použité profily pečlivě vybrány a velmi úzké. K dosažení pevnosti a torzní tuhosti vyžaduje prvotřídní kompozitní materiály a skvělé řemeslné zpracování.

Zde je zobrazena 12-listá větrná turbína „WINDFLOWER“ navržená s rychlostí 3,6. Toto je možná nejúčinnější tvar rotoru.

V praxi se tento přístup používá jen zřídka, protože taková větrná turbína je příliš pomalá. 3-listý větrný mlýn pracující při vyšší rychlosti funguje navzdory ztrátám lépe.

Zde je méně ambiciózní tvar čepele.

POKUD ŠÍŘKA Hrotu b = (7/100)R TAK

TOTO PRAVIDLO JE VHODNÉ POUZE PRO KOTOUČ NA FOTOGRAFII S TĚNOVOU TĚNU NA HROTU ROVNÉM 3,5 % PRŮMĚRU VRTULE.

Jakmile zvolíte planform čepele, počet čepelí bude dán rychlostí Z.

Strana 10

Vysokorychlostní větrné turbíny <br />(pro a proti)

Graf vpravo ukazuje rychlost a výkon vrtulí s rychlostí 5 při větru 5 m/s

V tomto grafu je výkon vypočítán z podmínky KIEV 0,25 a ztrát obecně rovných 40 %, které jsou dosažitelné pro malé větrné turbíny.

(Ztráty se skládají ze ztrát třením, ztrát v železe, mědi a usměrňovači)

Výběr velikosti větrného mlýna (průměru) v závislosti na požadovaném výkonu.

STARTOVNÍ MOMENT LZE ODHADOVAT PODLE VZORCE

NAPŘÍKLAD VĚTRNÝ MLÝN O PRŮMĚRU 2 M S RYCHLOSTÍ Z = 5 BUDE MÍT STARTOVACÍ MOMENT PŘI 4 M/S

POZN. TOTO JE VELMI PŘIBLIŽNÝ VZOREC

Volba rychlosti Z závisí na mnoha faktorech.

Vysoká rychlost má za následek vysokou rychlost hřídele, která je nezbytná pro efektivní výrobu energie a převažuje tyto nevýhody:

1. Hluk kotouče je vyšší
2. Vibrace v případě 2-listého nebo 1-listého větrného mlýnu.
3. Okraje lopatek se při vysokých rychlostech obrousí.
4. Snížená účinnost rotoru v důsledku zvýšeného odporu a ztrát na špičce.
5. Obtížné startování

HROTY NOŽEK POHYBUJÍCÍ SE RYCHLOSTÍ PŘES 80 M/S JSOU SILNĚ VYSTAVENÉ EROZII ZPŮSOBENÉ MALÝMI ČÁSTICEMI POHYBUJÍCÍMI SE VĚtrem. TYTO POŠKOZENÍ LZE VÝRAZNĚ SNÍŽIT POUŽITÍM SPECIÁLNÍCH NÁTĚRŮ.

ROTOR O PRŮMĚRU 5 M S RYCHLOSTÍ 7 X 12 M/S BUDE DĚLAT 350 OTÁČEK A BUDE VYSTAVEN ERROZI.

ÚČINEK SE VÝRAZNĚ ZVYŠUJE SE ZVYŠUJÍCÍ RYCHLOSTÍ

Před nákupem nebo výrobou větrného generátoru je třeba určit jeho výkon, vlastní energetickou potřebu a další parametry zařízení. To má při nákupu větrné turbíny zásadní význam, protože ceny jsou tak vysoké, že si musíte pořídit zařízení, které si uživatel může dovolit. V některých případech jsou příležitosti tak nízké, že nákup již nedává smysl.

Výpočet výkonu větrných generátorů

Vlastní výroba větrné turbíny také vyžaduje předběžné výpočty.. Nikdo nechce ztrácet čas a materiály na výrobu něčeho neznámého, chce mít předem představu o možnostech a očekávané síle instalace. Zkušenosti ukazují, že očekávání a realita spolu špatně souvisí;

Je poměrně obtížné provést přesný výpočet s ohledem na všechny faktory ovlivňující větrnou turbínu. Pro ty, kdo nejsou teoreticky připraveni, je takový výpočet příliš komplikovaný a vyžaduje držení velkého množství dat, která jsou bez speciálních měření nebo výpočtů nedostupná.

Obvykle se proto používají zjednodušené výpočetní metody, které dávají výsledky dostatečně blízké pravdě a nevyžadují použití velkého množství dat.

Jak vyrábět?

Chcete-li vypočítat větrný generátor, musíte provést následující:

• určit spotřebu elektřiny v domě. K tomu je nutné vypočítat celkový výkon všech zařízení, zařízení, osvětlení a dalších spotřebitelů. Výsledná částka ukáže množství energie potřebné k napájení domu.
• Získaná hodnota musí být zvýšena o 15-20%, aby byla pro každý případ nějaká výkonová rezerva. Není pochyb o tom, že tato rezerva je potřebná. Naopak se může ukázat jako nedostatečná, i když ve většině případů nebude energie plně využita.
• Znáte-li požadovaný výkon, můžete odhadnout, jaký druh generátoru lze použít nebo vyrobit k vyřešení zadaných úkolů. Konečný výsledek použití větrné turbíny závisí na schopnostech generátoru, pokud nesplňují potřeby domu, budete muset buď změnit zařízení, nebo postavit další sadu.
• výpočet větrného kola. Ve skutečnosti je tento okamžik nejtěžší a nejkontroverznější v celém postupu. Používají se vzorce pro stanovení průtokového výkonu

Podívejme se na to jako příklad výpočet jednoduché varianty. Vzorec vypadá takto:

Kde P je výkon toku.

K — koeficient využití větrné energie (hodnota, která se v podstatě blíží účinnosti) se bere v rozmezí 0,2-0,5.

R je hustota vzduchu. Má různé hodnoty, pro jednoduchost to budeme brát rovnou 1,2 kg/m3.

V je rychlost větru.

S je oblast pokrytí větrného kola (krytá rotujícími lopatkami).

Počítáme: s poloměrem větrného kola 1 m a rychlostí větru 4 m/s

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57 = 36,2 W

Výsledek ukazuje, že tok energie je 36 W. To je velmi málo, ale metr dlouhé oběžné kolo je také příliš malé. V praxi se používají větrná kola s rozpětím lopatek 3-4 metry, jinak bude produktivita příliš nízká.

Co je třeba zvážit?

Při výpočtu větrné turbíny je třeba vzít v úvahu konstrukční vlastnosti rotoru. Existují oběžná kola s vertikálním a horizontálním rotačním typem, která mají různou účinnost a výkon. Vodorovné konstrukce jsou považovány za nejúčinnější, ale vyžadují vysoké instalační body.

Stavba stožáru může stát spoustu peněz a práce. Kromě toho je servis větrné turbíny umístěné ve výšce asi 10 m nad zemí extrémně obtížný a nebezpečný.

Stejně důležité bude zajistit, aby oběžné kolo mělo dostatečný výkon pro otáčení rotoru generátoru. Zařízení s těsnými rotory, které umožňují dobrý energetický výkon, vyžadují značný výkon na hřídeli, který může zajistit pouze oběžné kolo s velkou plochou a průměrem lopatek.

Neméně důležité jsou parametry zdroje rotace – větru. Před provedením výpočtů byste si měli zjistit co nejvíce o síle a převládajícím směru větru v dané oblasti. Počítejte s možností hurikánů nebo poryvů větru a zjistěte, jak často se mohou vyskytovat. Neočekávané zvýšení rychlosti proudění je nebezpečné z důvodu zničení větrné turbíny a selhání převodní elektroniky.

Skutečná síla domácího větrného generátoru

Zvláštností domácích zařízení je použití dostupných materiálů a zařízení. V takových podmínkách není vždy možné zajistit plnou shodu s konstrukčními údaji. Navíc rozdíl mezi vypočtenými a skutečnými ukazateli může být záporný nebo kladný.

Hodnoty, které určují schopnosti stavebnice, jsou výkon větrného kola a generátoru. Míra, do jaké si navzájem odpovídají, určí celkový výkon větrného generátoru, který bude výsledkem toho.

Pokud například generátor vyžaduje rychlost otáčení 2000 ot./min. pro nominální výkon, žádná větrná turbína nebude schopna poskytnout požadované hodnoty.

Proto je v první řadě nutné vybrat nízkootáčkové generátory schopné produkovat velké množství energie při nízkých otáčkách. Za tímto účelem jsou modernizována hotová zařízení (například neodymové magnety jsou instalovány na rotor automobilových generátorů) a naše vlastní konstrukce jsou vyráběny na základě stejných neodymových magnetů s předem vypočítaným výkonem a výkonem.

Výpočet parametrů větrného kola

Výpočet větrného kola má velký význam při vytváření větrného generátoru. Je to oběžné kolo, které odebírá proudění větru a přenáší jeho energii ve formě rotačního pohybu na rotor generátoru. Výpočet bude vyžadovat především znalost parametrů generátoru – výkon, jmenovité otáčky rotoru atd.

Je třeba vzít v úvahu, že zvýšením počtu lopatek se sníží rychlost otáčení, ale zvýší se výkon otáčivého pohybu. V souladu s tím by měl být malý počet lopatek použit na vysokorychlostních generátorech a velký počet na tori, které vyžadují velkou rotační sílu.

Vzorec pro rychlost větrného kola je následující:

Kde Z je požadovaná hodnota (rychlost),

L je délka kruhu popsaného lopatkami.

W — frekvence (rychlost) otáčení oběžného kola.

V je rychlost větru.

Odborníci doporučují zvolit pro vlastní výrobu vícečepelové modely s počtem čepelí od 5 kusů. Nejsou náročné na vyvážení, mají stabilnější aerodynamiku a aktivněji pohlcují energii proudícího vzduchu.

Kolik energie ušetří větrná turbína?

Výše úspor získaných použitím větrného generátoru je vypočítána na základě našich vlastních dat. Skládá se na jedné straně z nákladů na nákup a montáž větrné turbíny nebo jejích částí a nákladů na servis soupravy. Na druhou stranu jsou zohledněny náklady na elektřinu ze sítě v daném regionu, případně cena připojení a další náklady s tím spojené.

Rozdíl mezi získanými hodnotami bude výše úspor. Je také nutné vzít v úvahu nedostatek možností připojení v některých oblastech, kdy se větrný generátor stává jedinou dostupnou možností. V takových případech se mluvit o úsporách stává nevhodným.

Kolik elektřiny vyrábí?

Množství vyrobené energie závisí na parametrech oběžného kola a samotného generátoru.. Za maximální možné množství je třeba považovat jmenovité údaje generátoru, snížené o hodnotu KIEV oběžného kola. V praxi jsou čísla mnohem nižší, protože rychlost větru, kterou nelze předem předvídat, hraje hlavní roli při získávání výsledku.

Kromě toho existují různé jemné efekty, které při kombinaci mají významný vliv na konečný výkon větrné turbíny. Nejdůležitějšími hodnotami jsou průměr oběžného kola a rychlost větru, protože na nich přímo závisí množství získané energie.

Minimální rychlost větru pro větrnou turbínu

Minimální rychlost větru – v tomto případě je to hodnota, při které se začnou otáčet lopatky větrné turbíny. Tato hodnota ukazuje míru citlivosti oběžného kola, ale má malý vliv na konečný výsledek. Generátor má své vlastní potřeby a rotace sama o sobě nevyřeší všechny problémy.

Vyžaduje se určitá rychlost a stabilita pohybu, bez náhlých trhnutí. Minimální rychlost otáčení by měla být uvažována pouze z hlediska celkové účinnosti oběžného kola, která umožňuje vyhodnotit jeho schopnost zajistit výrobu energie při nízkých průtokech.