Первый этап расчета

I. Число лопастей Z

Основании [2] оптимальная густота решетки профилей (лопастей),

=0,2...0,3. Выбрав , определяем

условия равенства , где

и

находим

.

Тогда число лопастей

.

При этом Z должно быть целым числом, что достигается корректировкой принятой .

2. Угол установки лопасти β.

рис.3 следует

tg( =

где

U= [ ;

Тогда

.

3. Подъемная сила и сопротивление одной лопасти

где относительная скорость Ẃ=V-U или (рис.3)

W=

Площадь лопасти

S=B ,

где длина лопасти

L=(

4. Окружная сила одной лопасти

5. Крутящий (вращающий) момент ветряного колеса

6. Мощность ветряного двигателя

где угловая скорость

Идя расчета характеристик и β (рис.5)

следует, принимая ряд значений начиная с с шагом последовательно, по приведенному выше алгоритму, определить и для каждого из принятых . По результатам расчета построить графики и β ,

аналогичные приведенным на (рис.5). Частота вращения , соответ­ствующая является оптимальной. Правая ветвь зависимо­сти ограничена такими , которые соответствуют , ибо при (т.е. отрицательном ) окружная сила тоже отрицательная, т.е. направлена в сторону противоположную вращению, что не должно иметь места. В заключение следует иметь в виду следующее замечание к алгоритму расчета характеристик ветряного двигателя, при заданных и неизменных V; c изменением изменяются скорость W, угол и силы и , т.е.

и сила , создающая вращающий момент. Но силы и каждая в отдельности создают противоположные крутящие моменты: сила - положительный (рис.3), в то время как сила - отрицательный момент. При этом, начиная с некоторого значения , близкой к и соответствующего значения угла сила резко

возрастает, в то время как сила изменяется незначительно. В результате кривая имеет оптимум , которому соответствует . Величина зависит также и от скорости ветра V : большей V соответствует и большая . Поскольку с изменением изменяется и угол установки лопасти то из сказанного выше следует, что для работы двигателя на опти­мальном режиме при различной скорости ветра V колесо двигателя должно иметь аппарат регулирования угла .

Второй этап расчета

7. На втором, уточняющем, этапе расчета вначале делается разбивка лопасти на два равновеликих, по площади ометания

,

где

отрезка и находятся соответствующие средние

радиусы (рис.2). В итоге получим:

; ; ;

; ; [M],

где -заданные радиусы.

Площади отдельных участков лопасти , используемые п.3 при определении ; и , находятся по следующим формулам (рис.2) :

Где B - для обоих участков одинакова и равна заданной B……

Для найденных средних радиусов и площадей

повторяем пп.(2-6) первого этапа. При этом число лопастей Z(n.1) и угловая скорость (п.6) для каждого из участков одинаковы и равны Z и первого этапа. Расчет на втором этапе проводится не для всех от , а только для 3-4 значений , где определяется по графику

первого этапа расчета (рис.5 - сплошная кривая).

В результате выполнения второго этапа расчета (пп.8-13) для площадей получим два значения момента и и соот­ветствующих мощностей и (при этом и , а также и несколько отличаются друг от друга).

Крутящий момент и мощность всего двигателя по вто­рому, уточненному, этапу расчета очевидно равны сумме моментов и мощностей, создаваемых отдельными участками лопасти, т.е.

и .

На рис.5 пунктиром показаны, зависимости и и , полученные расчетом на втором этапе. Как видно из рис.5, суммарная по второму этапу заметно (на 10%) меньше чем в приближенном первом этапе расчета. Это объясняется тем, что на первом этапе искусственно завышен участков лопасти с малыми r (прикорневые участки), ибо для них приняты . Отмечается, что по первому и второму этапам расчета практически совпадают. Что же касается зависимости , то на втором этапе их две: и , либо они отличаются друг от друга (при одинаковых , в сравнении с β, при ). Иначе говоря, уточненному расчету получается, что лопасть должна быть с переменным углом установки β: прикорневые сечения должны иметь β корн, большие, чем периферийные, т.е. . Таким образом лопасть ветряного двигателя, как и винт (пропеллер) авиадвигателя, должна быть "закрученной", с уменьшением β от корня к периферии.

КПД редуктора, Кпд электро двигателя.

Ветроколесо имеет определенный коэффициент использования (преобразования) энергии ветра. Максимальное значение теоретического использования энергии ветра у идеальных быстроходных крыльчатых ветроколес равно 0,593. Для лучших образцов быстроходных ветроколес с аэродинамическим профилем этот показатель составляет от 0,42 до 0,46. Для многолопастных тихоходных ветроколес этот показатель колеблется от 0,27 до 0,35 в зависимости от качества исполнения и в расчетах обозначается символом Cp. Для согласования оборотов тихоходного ветроколеса и генератора необходимо использовать повышающий редуктор и его КПД колеблется от 0,7 до 0,9 в зависимости от коэффициента передачи и исполнения.

Преобразовывая механическую энергию в электрическую, также несем потери. Поэтому отражаем их в КПД генератора Ng от 0,6 ( для автотракторных генераторов с обмоткой возбуждения ) до 0,8 (для генераторов с возбуждением от постоянных магнитов).

P = 0,5 *Q * S * V³ * Cp * Ng * Nb ;

P - мощность (Вт); Q - плотность воздуха (1,23 кг/м³); S - площадь ометания ротора ( м² ); V - скорость ветра, ( м/с) ; CP - коэффициент использования энергии ветра (0,35 хороший конструктив); Ng - КПД генератора (автомобильного 0,6, на постоянных магнитах 0,8); Nb - КПД повышающего редуктора (0,7 - 0,9).

Подставим данные для 6-ти лопастного 3 метрового ветроколеса и узнаем, какую мощность можно получить на ветроустановке с генератором на постоянных магнитах и редуктором имеющим КПД = 0.9 при средней скорости 5 м/с.: