Аэродинамика парусного ветроколеса

В отечественной аэродинамике рассматривающих (иногда) вопросы утилизации энергии ветровых потоков, абсолютно необоснованно введено ушлыми (именно так) предпринимателями определение “КИЭВ” – коэффициент использования энергии ветра.

Эта условная единица (для модели плоских ветров) призвана заменить обычный КПД. Данный “показатель”притянут в теорию слабых потоков за уши (по аналогии и методе цикла Карно) – простой подменой температурных величин – скоростями обтекания. Но 1 градус (по любой шкале), и в Африке равен все тому же 1 градусу. А вот скорости обтекания разных объектов (крыло и кирпич) – отличаются.

Математически верная логика термодинамических процессов призвана описывать циклы имеющие конечный (базовый) потенциал располагаемой энергии и позволяет определить следующее: если Вы имеете тепловую машину мощностью 100 л.с. (при КПД 30%), то реально на полезную работу приходится всего – 30 л.с. Иначе: эти 30% и являются полной (100%) – располагаемой (реально имеющейся в наличии) мощности для данной конструкции. Для тепловых машин – лучшего инструментария пока нет.

Иначе все в практической аэродинамике. Для определения разности давлений (над крылом и под крылом) используется количество движения которое определяется как скорость объекта при движении в воздухе, или движение воздуха в котором находится объект. Следовательно, давно постулированное г.Бернулли утверждение о зависимости давления от скорости здесь уместно, а это значит, что в конечном счете аэродинамический К зависит от разности давлений, – именно поэтому объект перемещается из области повышенного давления в область пониженного давления.Заглянем в атлас (любой) авиационных профилей, и обратим внимание на скорость потоков обтекания профиля при которых перепад давлений максимальный. Они (скорости) все без исключения лежат в области расположенной гораздо ВЫШЕ чем скорость имеющегося в наличии повседневного ветра (3м/сек).

Можно ли в здравом уме применять в малом диапазоне ветров (скоростей обтекания) данную методу, не имея результатов реальной продувки? Оказывается “можно” – имея на вооружении модель плоского ветра, “теоретики”разных рангов доказывают, что лопастные ветроколеса более полно утилизируют энергию малых ветров. А будет ли вообще вращаться “лопастник” на слабых ветрах? Разумеется нет, как нет и повода даже думать о применении лопастников на территории СНГ в качестве альтернативных источников энергии утилизирующих слабые потоки, – из практики известно что на повседневных ветрах СНГ лопастники не работают, никогда не работали и работать не будут. Для этого надо принудительно вращать лопастное ветроколесо, или… ждать когда Всевышний ниспошлет сильный ветер.

Парусники работают – во всем диапазоне ветров

Проектировщики (мощных) лопастных быстроходных ветроколес довольно грамотно используют ветра. Начиная со скорости 10м/сек. – комлевая (широкая) часть лопасти движет лопасть (как парус), а при наличии сильного ветра концевые профили (достигая больших скоростей) используют уже появившиеся высокие скорости потоков обтекания. Вполне разумно. Достаточно практично. Именно на больших скоростях обтекания и необходимо профилировать и “закручивать” (по размаху) лопасть. Вот только располагаемая мощность – (энергия воздушного потока) приходящая на ВСЮ ометаемую площадь распределяется так: центральная часть лопастного колеса – двигатель, а периферийная часть – преобразователь энергии (уже высоких) скоростей ветра в крутящий момент на валу генератора.

Двойное преобразование располагаемой энергии позволяет превосходно использовать энергию ветра от 10-12 метров в секунду, решая заодно проблему быстроходности генераторов. Задача парусного ветроколеса, – использовать всю располагаемую мощность приходящую на ометаемую площадь. Поскольку полезную работу могут произвести только реальные силы, рождающиеся при срабатывании ПЕРЕПАДА давлений, то «разбор полетов» необходимо производить инструментами привычными скорее для аэростатики, а не для аэродинамики. 

Согласитесь, стоящий под напором ветра телеграфный столб совершает работу. Работу по ОТКЛОНЕНИЮ приходящего на него потока. Энергию для этой работы поставляет тот же ветер. Если этот столб подпилить, работа совершится в ЯВНОМ виде – столб просто упадет. Если на двух столбах натянуть парус (и подпилить), ЯВНОЙ работы совершится БОЛЬШЕ. Если эти столбы закрепить на ВАЛУ редуктора, работа уже будет производится как по отклонению воздушного потока, так и по вращению вала. А если еще и оптимизировать конструкцию приблизительно так как выполнено парусное ветроколесо – Вы будете иметь ветродвигатель для малых ветров.

Но вернемся к «анализам»парусных ветроколес (блуждающим в Интернете) . Математический аппарат заслуживает внимания, но общая беда кабинетных теоретиков – извращение физической картины процесса. Действительно, применяя к своим рассуждениям вполне корректное (2.1.1)- для неподвижной пластины, и совершая вместе с автором небольшой экскурс в анналы общей аэродинамики, уже в (2.1.4) мы с Вами получаем точную цену – на… дрова.

Дело в том, что пластина (парус) не “как бы убегает” (т.е. движется (с потоком) по потоку), а вполне реально находится в потоке и более того – отклоняет поток за пределы ветроколеса, смещаясь в плоскости перпендикулярной к оси вращения ветроколеса.

Иначе, незадачливые оппоненты не ленятся рассматривать ПРОСТО парус поднятый на лодке которая плывет под воздействием ветра в ту сторону куда он дует. Налицо явно выражена любовь к Н.Е Жуковскому, с его так и не принятой в практической аэродинамике статьёй «Ветряные мельницы типа НЕЖ. Статья 3».

Ветроколесу парусного типа вообще-то присуща иная картина обтекания. Называется она КОНИЧЕСКАЯ. А ветроколесо в целом представляет собой кольцевое бесконечное щелевое крыло которого 95 лет назад (время написания статьи) не существовало даже в больном воображении. Это сейчас совместная работа предкрылка с крылом хорошо описана для больших скоростей обтекания и понятна. Но серьёзных работ по сверхмалым воздушным потокам обтекания нет. И быть не может потому, что физические величины, такие как ДАВЛЕНИЕ (перед парусом скорость ветра упала – давление возросло) рассматриваются также и в АЭРОСТАТИКЕ. Поэтому мне более подходит морская терминология, говоря о тандеме СТАКСЕЛЬ и ГРОТ.

Именно яхтсмены первыми оценили практически то, что зашифровали кабинетчики – КИЭВ (я ничего не имею против “лопастников”- на сильных ветрах эти машины работали и будут работать (не взирая на киэвы) – на благо человека.

На рисунках выше представлены парусное ветроколесо и “пропеллер”. Как видим, диаметры ометаемых площадей равны. А вот рабочие органы различаются не только конструкцией. Они отличаются прежде всего размерами, а значит и рабочей ПЛОЩАДЬЮ. В теории винтов так и озвучивается – площадь рабочих органов. А соотношение ометаемой площади к суммарной площади рабочих органов носит название “коэффициент заполнения винта”. Если уж пояснять совсем просто, то “пропеллер” наложенный на ометаемую площадь (мысленно) укроет приблизительно только 10 процентов всей ометаемой площади. Парусное ветроколесо в аналогичных условиях закроет почти ВСЮ ометаемую площадь. Комментарии нужны?

Если рассмотрим картину обтекания лопастного ветроколеса в конкретном (любом) АЗИМУТАЛЬНОМ положении, то легко догадаемся что элементарная струйка воздуха проходящая МЕЖДУ лопастями НЕ СОВЕРШАЕТ работы даже бесполезной. Струйка проходит сквозь сито… С парусным ветроколесом такой номер (извините) не прокатит – приходя на ометаемую площадь, элементарная струйка воздуха натыкается (да простят меня специалисты) на ПАРУС. Далее все просто – она отклоняется на 90 градусов (если удерживать колесо) и выходит (на периферию) – ЗА ПРЕДЕЛЫ ометаемой площади(ускоряясь). Или, если колесо не удерживать, она отклонится на МЕНЬШИЙ угол, отдав энергию парусу, который в свою очередь передаст ПОЛЕЗНУЮ энергию на вал генератора. А уж если вообще отказаться от псевдоученого анализа и повернуться лицом к практике, то на полигоне часто приходится видеть такую картину: парусное ветроколесо ВЭУ 10.380(сх) при ветре 5м/сек. не могут удержать от вращения целая группа студентов.

Лопастной ветряк при таком ветре не стоит удерживать. Потому как вообще не раскручивается. Но вернемся к нашим оппонентам. Во всевозможных опусах обнаруживаем , что “…если пластина неподвижна, то полезная мощность равна нулю. Если пластина движется со скоростью ветра, то она не испытывает давления и мощность тоже равна нулю…” Это, конечно, от большого ума. По мнению авторов, движущаяся по ветру лодка с поднятым парусом – картина нереальная в силу своей бесполезности. Стоящая же на якоре, но с поднятым парусом, вроде как бы и реальная картина, но полезная мощность – опять равна нулю.

Наивная ошибочность заключается в полном непонимании работы паруса. Дело в том, что парус совершает работу и когда движется и когда стоит, сопротивляясь ветру. В последнем случае, ВСЯ мощность приходящего потока превращается в работа паруса по отклонению воздушного потока приходящего на ометаемую площадь. Требуется немного – эту работу направить в полезное русло (сняться с якоря или снять с тормоза ветряк). Лопасть же, установленная на лодке вместо паруса, потребует для этих целей очень сильного ветра. То же самое – и для лопастного ветряка. А вот парус движет лодку (крутит генератор) и на малых ветрах. На больших ветрах он просто производит БОЛЬШЕ полезной работы. Чтобы убедиться в этом, достаточно укрепить на лодке ЛОПАСТНОЕ ветроколесо и на другой лодке парусное ветроколесо, результаты “эксперимента” понятны… В “научных работах” оппонентов нередко звучит “…т.е. для достижения максимального КИЭВ скорость пластины должна быть в три раза меньше скорости ветра.” – оставляю без комментариев, так как понятно – парус реагирует на ЛЮБОЙ ветер и создает необходимый ПЕРЕПАД давлений. Остальное все от лукавого.

Рассмотрим небольшое «кино»: здесь представлен рабочий образец парусного ветрячка из Прибалтики, созданный специально для проверки возможностей парусного ветряка. Чертежи конструктор не приобретал, пользовался методом ППП (пол, палец, потолок) и интуицией, но говорить о КПД данного ветроколеса все равно стоит. Он выше чем у лопастника (того же диаметра) во всем ДИАПАЗОНЕ ветров, начиная от 0,5 м.сек. Это выводы сравнительного анализа, произведенного самим умельцем. Но нас интересуют все прелести парусного ветроколеса, которую и можно отследить на этом экземплярчике.

Понятно, что подход ветра (к ометаемой площади) осуществляется с тыльной стороны. Паруса наполнены ветром в нашу сторону, и чуть под углом. Для специалиста ясно, что ветер притормаживаясь перед колесом и совершив работу выпускается через щель (задняя неподкрепленная кромка паруса).Через эти щели, согласитесь, уходит уже отработанный воздух (подпираемый вновь прибывающими порциями воздуха ). Более научно это описал г. Бернулли, постулируя следующее: при снижении скорости потока растет давление. В результате мы имеем повышенное давление с НАВЕТРЕННОЙ стороны ветроколеса и РАЗРЯЖЕНИЕ с подветренной стороны. Именно срабатывание энергии этого перепада давлений и определяет количественно работу ветряка. Лопастному ветроколесу такое и не снилось… Вспомните, между лопастями ветер беспрепятственно проникает на противоположную сторону ветроколеса – ВЫРАВНИВАЯ давления. А это плохо.

Если нет разности (перепада) давлений, то о какой РАБОТЕ может идти речь вообще? Следовательно, основной недостаток лопастного ветроколеса (для малых ветров): очерченная концами лопастей площадь (ометаемая) используется до нельзя СКВЕРНО. Данное утверждение может опровергать только глупец. Аргумент: если оппонирующего субъекта принудительно заставить выпрыгнуть из летящего самолета предложив на выбор (вместо парашюта) лопастное и парусное ветроколесо держу пари – несчастный ИНТУИТИВНО выберет парусное спасательное средство.

Кстати, серийный мотодельтаплан МД-20 c «вертушкой» (вместо штатного крыла) успешно отработал сезон на авиахимработах показав превосходные результаты – при ветре 5 м.сек, длина разбега со штатным 100 литровым хим.баком составила 20(!)метров, скороподъёмность – 4м.

Вернемся к нашему кино. Поскольку ветрячок был поднят над землей всего на 1.5 м, турбулизированый приземный слой воздуха (смотрите в каком квадранте ометаемой площади «флатерит»задняя кромка) неважно наполняет парус. Но поднятое над землей (проверено!) на высоту ОДНОГО диаметра, парусное ветроколесо включается в работу полностью. А далее – еще интереснее: уходящий из рабочей зоны отработанный воздух (подпираемый сзади) попадая в конический раструб, вновь ускоряется (вспомним о давлении с наветренной стороны). Отметим немаловажное – вектор ускорения направлен ТАНГЕНЦИАЛЬНО к ветроколесу. Если вспомнить закон сохранения количества движения, то половина энергии кинетического движения воздуха (речь о втором, дополнительном ускорении) достается опять тому же парусному колесу. Ибо щель является ни чем иным как обычным реактивным соплом, создающим пропульсивную силу.

Прирост реактивной составляющей при 10м.сек. равен 40 процентов от всей приходящей на ометаемую площадь энергии ветра. О том что пусковой момент больше рабочего момента (лопастники отдыхают) и говорить теперь уже не надо. Для особо воинствующих оппонентов попробую объяснить суть разницы между парусом и лопастью на основе молекулярно – кинетической теории, не прибегая к мат.аппарату. Часто пишут специалисты, (обидно что именно – специалисты) приводя следующий аргумент: в воздушном потоке конкретного сечения заключена конкретная энергия.

Природа происхождения «аргумента» проста. В известную формулу кинетической энергии подставляется плотность и скорость (относительно чего?) в квадрате. Затем всё это удовольствие разделено на 2. Но пилить дрова все же лучше пилой, чем рубанком… Рекомендую обратиться к процессу ВЫВОДА этой формулы. Для того, чтобы тело куда двигалось (летело, бежало…) необходимо столько же энергии отдать и 2-му телу, с которым то, что движется (летит и прыгает) ВЗАИМОДЕЙСТВОВАЛО для получения необходимого количества движения. Именно поэтому в формуле потенциальной энергии ОТСУТСТВУЕТ дробная черта. А в кинетической – имеется.

В случае с ветроколесом (любого типа) мы работаем с полной энергией потока так, как не МЫ с Вами запускали в движение поток воздуха (ветер). И обратно. Рассматривая крыло самолета (винт вертолета) мы обязаны руководствоваться только КИНЕТИЧЕСКОЙ энергией (делить на 2), поскольку МЫ сами заставляем тело (самолет) двигаться в воздухе и никак не наоборот. И весь запас энергии надо возить с собой в виде топлива. Иначе он просто не полетит.

Дело в том, что энергия ветра, образовавшаяся в результате гравитационных взаимодействий, является для обычных граждан 100 процентной (полной энергией) которую лопасть обязана снять с заданной (конкретной) площади. Обязана. Но не может физически – размеры лопасти несопоставимы с площадью сечения струи. Рассматривая воздушный поток (в свете МКТ), обнаружим, что ветер это – направленный (упорядоченный)поток молекул воздуха. Каждая молекула несет энергию(неважно кто ей придал энергию – важно как ее грамотно снять) – а мы вдруг на ее пути поставили лопасть. Отрикошетив, молекула отдала часть энергии и обогнув препятствие кратковременно изменила направление собственного движения (турбулизировала поток) и подхваченная соседками унеслась дальше, унося и свой импульс – а значит и энергию.

Справка: любое изменение направление движения материальной точки ДРУГИМ субъектом физического мира является ЭНЕРГООБМЕННЫМ процессом. Угол изменения направления движения молекулы определяет КОЛИЧЕСТВО энергии, переданной второму телу. Остановка молекулы препятствием полностью – означает 100 процентную передачи энергии препятствию.

Затормозив, а точнее отклонив большее количество молекул, мы получаем и больше энергии. Догадайтесь какое из двух рассматриваемых ветроколес тормознет больше молекул? Правильно. Но и “лопастники”, если их принудительно вращать, соберут (отклонят) эти самые молекулы. И чем больше угловая скорость вращения лопасти, тем с большим количеством молекул они столкнутся (снимут энергию). А на больших скоростях подключится еще и аэродинамика…

Парусное колесо вообще не нужно вращать для этих целей. Оно сразу контактирует со всеми молекулами приходящими на ометаемую им площадь. А получая энергию от множества молекул одновременно – просто крутится вместе с валом редуктора.

Все ли преимущества парусного колеса представлены здесь? Нет конечно. Открою еще одну «тайну». Парусное ветроколесо не разбрасывает элементарные струйки воздуха в разные стороны, а бережно собирает их в свои гибкие конуса (рабочие органы) и выпускает через реактивные щели за пределы ометаемой площади. И куда бы не попала струйка воздуха – на край паруса или в центр, она будет остановлена, перенаправлена, вновь ускорена (подходящими струями – давлением) и выпущена через реактивную щель, отдав всю первоначальную энергию и половину теперь уже точно кинетической энергии полученной во время ускорения в «желобе»конуса.

Это уже теория построена на ОБЪЕМНОЙ модели воздуха.Откуда взялась эта вторая кинетическая энергия на ускорение? Ну, если ветер не отменили – из давления созданного прибывающими на ометаемую площадь элементарными струйками воздуха.

Ну такие они – струйки.

Gravio (Владимир из Таганрога)