Для крильчастих роторів поверхня обмаху складає

 

,

 

а потужність вітроустановки складе ( в кВт):

 

 

Діаметр ротора буде становити

 

 

Для інших значень температур та тиску вводять поправку в рівняння потужності:

 

 

де В_О – 760 мм рт.ст.;

В – поточне значення тиску.

Тоді діаметр ротора буде дорівнювати:

 

.

 

Швидкість вітру, при якій ротор повинен розвивати задану для розрахунку потужність, приймається за метеоданими місцевості та умов, що обумовлені в п.2.2.

Наступник кроком розрахунку є вибір профілю лопатей.

Профіль встановлюється під потрібний кут атаки a до результуючої швидкості с. Кут, що утворюється хордою профілю з віссю ротора складається a + b. Для кута атаки також наводяться коефіцієнти підйомної сили С_a ( за полярами Лілієнталя , рис.2.4), що отримані експериментальним шляхом для кожного виду профілю.

 

 

 

v’– швидкість вітру, що проходить через ротор; u₁ – відносна швидкість лопаті; с – результуюча швидкість лопаті; А – підйомна сила; S₁,S₂ – складові осьової сили; Т₁, – складова підйомної сили; Т₂ – складова сили опору; a – кут атаки; b – кут між направленням швидкості с та віссю обертання ротора.

Рис.2.3 Швидкості та сили на лопаті вітряного двигуна.

 

Послідовність визначення параметрів лопаті наступна:

1. Визначення “робочого” діаметру D’ вітроустановки:

 

,

 

де Р – потужність вітроустановки;

h_F – ККД лопатей (приблизно 0,9).

 

 

 

2. Визначення швидкості на кінцях лопатей:

– приймається (задається) швидкість вітру (v);

– визначається швидкість вітру, що протікає через ротор:

– приймається (задається) число модулів ротора:

u/v = z

– визначається кругова швидкість:

u = v× z

– визначається кут b (між вектором результуючої швидкості с та направленням осі):

– визначення результуючої швидкості

(для швидкохідних вітроустановок с» u).

3. Визначення дійсного діаметру D:

– відстань між лопатями:

де m – кількість лопатей;

– ширина повітряної полоси між лопатями:

b = a cosb

– діаметр:

– довжина кола pD;

– кутова швидкість:

	Рис. 2.4 Поляри Лілієнталя для лопатей нескінченної довжини.

 

 

– число обертів:

– доцільна ширина лопаті

4. Визначення ширини та кута установки лопаті на 2/3 радіуса ротора:

– визначається довжина кола на 2/3 радіуса;

– визначається число модулів на 2/3 радіуса;

– для вибраного профілю за атласом (за полярами Лілієнталя) приймається доцільний кут атаки та визначається коефіцієнт підйомної сили (с_а);

– доцільна ширина лопаті на 2/3 радіуса становить:

 

 

– визначається кут b:

 

– кут установки лопаті складає b+a..

5. Визначення ширини та кута установки лопаті на зовнішнім кінці:

– визначається довжина кола, що описує зовнішній кінець;

– визначається число модулів;

– приймається кут атаки та визначається коефіцієнт підйомної сили;

– визначається доцільна ширина лопаті:

 

– визначається кут b:

– кут установки лопаті складає b+a..

6. Визначення ширини та кута установки лопаті на внутрішньому кінці лопаті (1/3 радіуса):

– визначається довжина кола на 1/3 радіуса;

– визначається число модулів;

– приймається кут атаки та визначається кут підйомної сили;

– визначається кут b та кут установки лопаті b+a..

7. Визначення коефіцієнта якості лопаті:

– для прийнятого профілю та кута атаки за полярами визначаються коефіцієнти підйомної сили с_a та опору с_w;

– визначається коефіцієнт (зворотній) якості:

 

 

 

2.4 Визначення навантажень на елементи систем регулювання вітроустановок.

а) регулювання хвостом, що складається.

Розрахунок проводиться з умов пружини. Рівняння балансу моментів складає:

Рхв

де r_x - перпендикуляр із точки повороту хвоста на направлення сили Р_пр.

 

Максимальне напруження в хвостовому стержні від сили Р_хв:

,

 

де W_зг – момент опору згинанню.

б) регулювання боковою лопатою.

Площа бокової лопати регулювання береться в межах (0,01…0,03) F,

де F – поверхня обмаху ротора.

в) регулювання хвостом, що не складається.

Ферма цього хвоста розраховується на згинання від бокової сили Р_хв, що визначається рівнянням:

,

 

де С_у = 1,0…1,2 – коефіцієнт підйомної сили;

f – площа хвоста (з виробничого досвіду приймається 3…6% від площі поверхні обмаху ротора).

Напруження від аеродинамічної сили Р_хв:

 

Напруження від конструкційних мас хвоста G:

 

 

г) регулювання при встановленні ротора на вітер віндрозами.

Гондола вітродвигуна повертається з кутовою швидкістю:

,

де - синхронне число модулів віндроз, що знаходиться за довідковими характеристиками;

i – передаточне число трансмісії від віндроз до шестерень на опорі (башті);

R₀ – радіус віндроз;

w₀ – кутова швидкість віндроз;

v – швидкість вітру.

Напруження маху лопаті віндрози:

 

,

 

де I – момент інерції маху;

W – момент опору маху згинанню в перерізі біля маточини;

D – діаметр віндроз;

n – кількість обертів ротора віндроз.

 

2.5 Опори вітроустановок.

Перешкоди, що розташовані навколо вітроустановки, порушують лінійність вітрового потоку і створюють його завихрення. За допомогою опори ротор виноситься на таку висоту, де вплив цих вихорів дещо знижується. Крім того, з висотою зростає величина відбору потужності від вітрового потоку, яку можна оцінити за виразом:

де N₀ – потужність на висоті H₀;

N – потужність на висоті H.

Так, наприклад, якщо висоту опори збільшити в 2 рази, то потужність зросте в 1,5 рази.

Мінімальна висота опори повинна становити:

 

H = h + c + R ,

де h – висота перешкоди біля вітроустановки;

c – відстань від верхівки перешкоди до нижньої точки кола обмаху ротора (приймається 1,5…2м);

R – радіус ротора.

Якщо опора прийнята ферменної конструкції, то відстань між ногами при її основі складає:

– для опор нижче 10м 30% її висоти;

– для опор більше 10м – 22…25% її висоти.

Відстань між вітроустановками з однаковими за висотою опорами та діаметром роторів, приймається 15 кратній величині діаметра.

В залежності від матеріалу та конструкції башти поділяють на:

– стальні – ферменні, трубчасті;

– бетонні – кільцевого перетину або монолітні.

При невеликих статичних і динамічних навантаженнях (вітроустановки малої потужності – до 20 кВт) застосовують опори з розтяжками.

При відносно невеликій вартості стальних ферменних опор, вони вимагають застосування підвищених заходів безпеки при експлуатації та ремонті (наявність відкритої драбини). Трубчасті мають підвищені естетичні та ергодинамічні параметри (сходи або ліфт розташовується в середині опори), але вони дорогі.

Опори вітроустановок не повинні генерувати інфразвукові коливання (негативний вплив на біооб’єкти) та вібрацію. Залізобетонні опори добре гасять вібрацію, але вимагають розташування ротора в робочому стані в навітровому положенні. При підвітровому положенні розташування ротора, вібрація та інфразвук можуть виникнути і при використанні стальних опор.

Вітрове навантаження на опору вітроустановки визначається за рівнянням:

,

де v_бур – швидкість вітру під час бурі (для районів із середньою швидкістю вітру до 5,5м/с – v_бур = 40м/с);

R_x – коефіцієнт лобового тиску приймається за таблицею 2.2;

Н – висота натурної опори, м;

Н_мод – висота моделі опори, м.