Определение геометрических размеров воздушного винта
В этой главе мы приступим к самой сложной и противоречивой части расчетов. Крутящий момент, а следовательно, и мощность, отдаваемая воздушным винтом генератору, целиком зависит от скорости ветра, размеров винта и числа лопастей. Если размеры и конструкция винта целиком зависят от нашего желания, то скоростью ветра управлять мы никакие можем. Поэтому придется «подлаживаться» под капризы стихии.
В разных местностях ветры дуют по-разному. Число ветреных дней в году, скорости ветров и их направление — характерная климатическая особенность каждого района. В ежедневные прогнозы погоды или сводки метеосообщений включают сведения о ветрах. За год можно составить общую картину состояния погоды. Эта картина, в основном, повторяется из года в год.
Так, в средней полосе России среднегодовая скорость ветров около 2,6 м/с. Это значит, что в некоторые дни ветер дует со скоростью до 20 м/с, а иногда — полный штиль. Случаются ураганы, когда воздушные массы передвигаются со скоростью до 25 м/с.
Размеры и конструкция нашего винта зависят также от того, насколько полнее и чаще мы хотим пользоваться нашей ВЭС. Если использовать только сильные ветры — размеры выбираются меньше. Если хотим пользоваться практически без перерывов, то воздушный винт надо строить максимальных размеров.
Точный расчет силовых характеристик и размеров воздушного винта достаточно сложен. Поэтому приводить их здесь нет особой необходимости. Все равно теория и практика разойдутся в конечных результатах. Просто воспользуемся накопленным опытом для определения характеристик винта.
Для первоначального расчета винта будем опираться на скорость ветра, равную 4 м/с. Это довольно слабый ветерок. Из опыта известно, что при такой скорости ветра один квадратный метр площади, описываемой одной лопастью винта, может дать примерно 1,6 Вт мощности. Примем это за отправную точку и составим таблицу. В вертикальной колонке слева — мощность в ваттах, в горизонтальной строке вверху — число лопастей винта. В вертикальных колонках под числом лопастей — радиусы винта. Таблица составлена методом экстраполяции.
Из таблицы видно, чтобы получить мощность 0,5 кВт, при скорости ветра около 4 м/с нужен огромный винт. При двухлопастном винте его диаметр должен равняться 14 м!. Но не надо пугаться. Во-первых, мы взяли скорость ветра маленькую, во-вторых — больших 2-лопастных винтов никто не делает. Если изготовить 16-лопастный винт, то его диаметр при той же мощности будет равен 5 м, т. е. почти в 3 раза меньше.
Выбранный нами генератор Г-221 имеет максимальную мощность около 500 Вт. При постройке будем ориентироваться на то, что при скорости ветра 4 м/с генератор будет давать 0,1 мощности, т. е. 50 Вт. Общая длина двухлопастного винта, согласно таблице, около 4,5 м. Это много. Лучше построить шестилопастный винт. Тогда диаметр винта будет равен D = 2,6 м. Это вполне приемлемо. Покрытие лопасти винта примем не более 0,06. Это тоже из практики.
ΔSл < 0,06.
Площадь плоскости вращения:
S = π∙R2 = 3,14∙1,32 = 5,3 м2.
Площадь проекции плоскости:
Sл = ΔSл∙S = 0,06∙5,3 = 0,318 м2.
Значит, ширина лопасти должна быть не более:
L =< Sл/Rл = 0,24 м.
Принимаем L = 0,24 м = 240 мм.
Конструкция и изготовление воздушного винта
Итак, геометрические характеристики нашего воздушного винта определены. Сведем их в табличку:
D = 2,6 м = 2600 мм — диаметр винта.
К = 6 — количество лопастей.
Форма лопастей — прямоугольная.
φ = 12° — угол установки лопастей.
Н = π∙D∙tgφ = 3,14∙2600∙0,2126 = 1736 мм — шаг винта.
ΔSл = 0,06 — покрытие одной лопасти.
ΔSε = К∙ΔSл = 6∙0,06 = 0,36 — покрытие винта.
L = 0,24 м = 240 мм — ширина лопасти.
В = L∙tgφ = 240∙0,2126 = 51 мм — максимальная толщина 1-го винта.
Вращение — правое.
Крепление лопастей — глухое, неподвижное.
Пользуясь этими данными, начертим в масштабе 1:20 наш винт (рис. 8).
Рис. 8
Из чертежа видно, что диаметр ступицы для крепления лопастей должен быть d = 480 мм. Из чертежа же видно, что часть полезной площади лопастей в месте соединения со ступицей не будет принимать участия в создании крутящего момента. Общая величина этой площади Sст = π∙R2 = 3,14∙240 = 180864 мм2 = 0,18 м2, что составляет 3,4 %. Этой потерей можно пренебречь, а можно и компенсировать увеличением диаметра винта миллиметров на 40.
