Расчет хвостового оперения

Существуют разные виды ориентации ветроколеса на ветер. Это может быть размещение ветроколеса за мачтой и установка лопастей под небольшим углом относительно плоскости вращения, подобно волану, что позволит ветроколесу самостоятельно устанавливаться рабочей поверхностью к ветровому потоку, но предпочтительнее устанавливать ветроколесо перед мачтой, тогда на его работу не влияют возмущения ветрового потока создаваемые мачтой. Установка ветроколеса плоскостью к напору ветра в промышленных ветроустановках осуществляется сервоприводами или механически с использованием виндозы, механизма поворота головки ветроколеса при помощи редуктора от вспомогательного многолопастного небольшого ветроколеса, установленного перпендикулярно основному, рабочему ветроколесу. В случае изменении направления ветра, начинает работать ветроколесо виндозы и оно будет вращаться до тех пор, пока не повернет ветроколесо плоскостью к ветру, а само встанет к ветровому потоку перпендикулярно. Но все это довольно сложно, и большинство малых ветроустановок изготавливают с системой ориентации при помощи хвостовой фермы с оперением.

Такой способ мы и будем рассматривать.

С увеличением скорости ветра, пропорционально квадрату его скорости, увеличивается давление на ветроколесо.

F = 0,5 *Q * V2 / 9,81 * S

Где:
F – сила давления ветра ( кгс );
Q - плотность воздуха (1,23 кг/м3);
S - площадь ометания ротора ( м2 );
V - скорость ветра ( м/с );

Но если ветроколесо поставить под неким углом к ветровому потоку, то сила давления ветра на него уменьшится и будет равна:

Fу = F * Sin a

Где: a = угол установки плоскости по отношению к ветру ( град. ).

Следовательно, данную возможность снижения давления, можно использовать для предотвращения выхода их строя ветроустановки при высоких, ураганных ветрах. Для этого необходимо сместить ось вращения головной части ветроустановки по горизонтали относительно оси вращения ветроколеса. А хвостовое устройство сделать шарнирным и снабдить его пружиной для регулировки момента увода из под ветра.


На рисунке показан вариант реализации хвостового устройства. Вторая пружина необходима, чтобы предотвращать повышенные гироскопические нагрузки на ветроколесо в случаях резкого изменения направления ветрового потока.


На рисунке показано как ведет себя ветроустановка по мере увеличения скорости ветра:
позиция 1 - ветер отсутствует или очень слабый;
позиция 2 - рабочее состояние при номинальных параметрах;
позиция 3 - скорость ветра превышает расчетные и происходит увод из под ветра;
позиция 4 - остановка ветроколеса путем увода из под ветра.

Для того, чтобы определить на сколько необходимо сместить ось вращения ветроколеса, необходимо учесть площадь хвостового оперения, расстояние выноса хвостового оперения от мачты.

Вот примерный расчет, выполненный посредством математической таблицы Excel.


По результатам расчета видно, что смещение оси мачты относительно оси вращения ветроколеса равно 2.5 см.. Настройка пружины заключается в достижении момента складывания при усилии на вал 10,2 кгс и неподвижном хвостовом устройстве, либо усилии 0,158 кгс на оперение при неподвижной головной части ветроустановки. Измерение можно сделать при помощи бытовых весов.

Расчет можно скачать здесь: Расчет хвостового оперения.xls

Альтернативная энергетика. Все документы