Значительные трудности при использовании ветровой энергии создаёт неравномерность и колебания параметров ветрового потока. Основной характеристикой потока как носителя энергии является скорость ветра. Даже в небольшой промежуток времени от пяти до десяти минут колебания значения скорости ветра могут происходить в диапазоне от 50 до 150% от среднего значения. Поэтому лопасть ветроэнергетической установки должна эффективно работать в весьма широком диапазоне скоростей vср ≈ 4,5–20 м/с.
В этом диапазоне скоростей турбина ветроэнергетической установки должна обеспечивать максимально возможную выработку электроэнергии и иметь минимальное аэродинамическое сопротивление, чтобы не перегружать элементы конструкции.
Определяющую роль в создании нужных аэродинамических свойств турбины ветроэнергетической установки играет правильный выбор профиля поперечного сечения ветрового колеса [1, 2]. Представленная статья рассматривает аэродинамические характеристики трёх различных аэродинамических профилей, которые могут быть использованы при разработке турбины малой ветроэнергетической установки. В качестве профилей применяемых при конструировании лопасти турбины ветроэнергетической установки рассмотрим два профиля часто используемых в зарубежных ветроустановках NACA63–425 и DU91-W2–250 [3–5], а также профиль «Эсперо», часто используемый в России в отечественных конструкциях [1, 2, 6].
Как правило, для малых ветроэнергетических установок используются двояковыпуклые симметричные и несимметричные аэродинамические профиля, а также могут применять плоско-выпуклые.
Профили вогнуто-выпуклые применяются мало, так как усложняют конструкцию лопасти. Аэродинамические свойства крыловых профилей определяются их геометрическими параметрами и формой. Перечислим важные геометрические характеристики профилей, которые принимаются в расчёт при проектировании лопастей ветроколеса:
- относительная толщина аэродинамического профиля c;
- форма средней линии;
- распределение толщины вдоль хорды;
- радиусы носика и хвостика.
Форма средней линии аэродинамического профиля определяется относительной вогнутостью f и положением максимальной вогнутости относительно носика профиля xf. Изменение формы средней линии или характера распределения толщины профиля вызывает изменения в распределении давления и скорости потока вдоль хорды, а также изменения в структуре пограничного слоя, связанные с процессами перехода ламинарного обтекания в турбулентное и возможным отрывом пограничного слоя с поверхности профиля.
Все эти факторы приводят к значительному изменению аэродинамических свойств профиля.
При профилировании лопастей ветровых колёс обычно применяются аэродинамические профиля с относительной толщиной c = 0,1–0,25, величина относительной вогнутости изменяется в пределах f = 0–0,1 [1]. Для симметричных аэродинамических профилей величина относительной вогнутости равна f = 0.
Применять аэродинамические профиля с большей относительной вогнутостью в ветроэнергетических установках может оказаться невыгодным, так как с ростом величины максимальной величины безразмерного коэффициента аэродинамической подъёмной силы Cymax, как правило, увеличивается коэффициент безразмерного лобового Cx.
Здесь:
где Y — величина аэродинамической подъёмной силы; X — величина аэродинамической силы сопротивления; ρ — плотность воздуха; v — скорость набегающего потока; b — длина хорды.
Рассмотрим выбранные аэродинамические профили, а именно — NACA63–425, DU91-W2–250 и «Эсперо», — с относительной толщиной c = 0,14 при числе Рейнольдса Re = 3,0×106 (рис. 1).
Выполним первичную оценку аэродинамических качеств выбранных профилей по графикам кривых соотношения величины коэффициента подъёмной силы Cy и аэродинамического качества профиля K = Cy/Cx. Основным условием выбора формы аэродинамического профиля в данной работе является максимум величины K. Из этого условия по графику зависимости коэффициента подъёмной силы Cy от угла атаки α определяется величина угла установки профиля в данном сечении ветрового колеса (расчётный аэродинамический коэффициент подъёмной силы Cy). В ветротехнике за расчётный аэродинамический коэффициент подъёмной силы Cy принимают его значение при Kmax [1].
График соотношения величины коэффициента подъёмной силы Cy и величины аэродинамического коэффициента качества K (рис. 2а), а также зависимости величины коэффициента подъёмной силы от угла атаки α (рис. 2б) для аэродинамического профиля NACA63–425 даны на рис. 2. Максимальная величина аэродинамического качества для аэродинамического профиля NACA63–425 составляет примерно K ≈ 124.
При этом величина расчётного аэродинамического коэффициента подъёмной силы Cy ≈ 1,2 при угле атаки потока, набегающего на профиль, α ≈ 12°.
На рис. 3 показан график соотношения величины коэффициента подъёмной силы Cy и величины аэродинамического коэффициента качества K, а также зависимость величины коэффициента подъёмной силы от угла атаки a для аэродинамического профиля DU91-W2–250. Максимальная величина аэродинамического качества для аэродинамического профиля DU91-W2–250 составляет примерно K ≈ 115,4. При этом величина расчётного аэродинамического коэффициента подъёмной силы Cy ≈ 1,06 и при угле атаки потока, набегающего на профиль, α ≈ 8,23°.
Рассмотрим основные аэродинамические характеристики аэродинамического профиля «Эсперо», разработанного в ЦАГИ Б. В. Коростелевым. На рис. 4 представлены графики соотношения величины коэффициента подъёмной силы и величины аэродинамического коэффициента качества Cy, а также зависимость величины коэффициента подъёмной силы от угла атаки a для этого профиля.
Максимальная величина аэродинамического качества для аэродинамического профиля «Эсперо» составляет K ≈ 83,7. При этом величина расчётного аэродинамического коэффициента подъёмной силы Cy ≈ 0,92 и при угле атаки потока, набегающего на профиль, α ≈ 4,18°.
На основе приведённых выше данных можно сделать предварительный вывод о том, что по своим аэродинамическим качествам предпочтение можно отдать аэродинамическому профилю NACA63–425.
