Нетрадиционная энергетика

Действительно, слона - то я и не заметил.

В любом случае, при средней плотности лопасти выше 0,4-0,5 (засчет пустотелости) увеличения жесткости на изгиб практически не происходит, а вот момент инерции растет почти прямопропорционально.

Т.Е. с точки зрения гироскопического момента - лучше лопасть делать пустотелую. Из стеклопластика - предел прочности 450 МПа и жесткость 20-25 ГПА, дальше не попрешь.

И тогда возникает вопрос - сразу выставить лопасть в положение компенсации аэродинамической и центробежной сил (повернуть на 7-10 град от плоскости), или дождаться, когда аэродинамическая нагрузка выгнет лопасть в положение компенсации.

_________________
С уважением, Дмитрий

Наклонять лопасти навстречу потоку? Нет, не следует этого делать. Если стеклопластик, то лопасть нужно делать с заполнением жёсткой пеной. Это даст громадный выигрыш в смысле жёсткости лопасти, и этот выигрыш будет больше, чем проигрыш от возросшего веса, тем более, что основной вес будет сосредоточен в зоне низкой быстроходности. Концевые же части лопастей выходят лёгкими, поскольку заполнение жёсткой пеной позволяет уменьшить толщину стеклопластика к концам лопастей.
Если же ставится задача сделать надёжный ветряк, нормально работающий в широком диапазоне ветровых нагрузок, то лучше, чем винт регулируемого шага (ВРШ) - ничего не придумано. Оно, конечно, сложнее, но это стоит затраченных усилий.
В этом случае можно делать и принудительный поворот ветряка при наведении на ветер, причём - с достаточно небольшой скоростью, а это сильно уменьшит действие гироскопических сил.
Всё зависит, естественно, от размера предполагаемого ветряка.
Во всяком случае, ещё Фатеев в своей книге говорил, что быстроходные ветряки предпочтительно делать с ВРШ, при этом его основной аргумент состоял именно в значительных гироскопических силах, характерных для быстроходных ветряков.

Нет, не навстречу, а по потоку, т.е. как-бы придать лопасти ту форму, которую бы она приняла под нагрузкой (изгибаясь от плоскости вращения по ветру).

только что закончилась симуляция получилось на трехлопастном винте D 2.5 м Z 7 при скорости 6 м/с прогиб кончика 82 мм по направлению ветра.

при увеличении скорости ветра и сохранении быстроходности прогиб доходит до 180-200 мм и больше не увеличивается, при больших скоростях лопасть работает практически полностью на растяжение.

_________________
С уважением, Дмитрий

Вот так:

_________________
С уважением, Дмитрий

Понятно. Я думаю, что и это не нужно. Винт на 2,5 метра при 6 м/с испытывает осевое давление 95 Ньютонов, при 10-ти м/с - 263,7 Н, тоже немного, а при 20-ти м/с - 1055 Н. Каждая лопасть в трёхлопастнике испытывает треть этой силы. Волноваться особо не о чем. Быстроходность не великовата? Придётся сильно заужать хорду, потеряете в числе Рейнольдса, снизится эффективность винта в диапазоне наиболее распространённых ветров.

Профиль больно хороший. У него максимальное аэродинамическое качество при Су около 0,75-0,8. отсюда хорда шире на треть, да и при низких рейнольдсах он работает неплохо, по крайней мере так в отчете NREL сказано. [/quote]

_________________
С уважением, Дмитрий

Ну тогда нужно пробовать делать винт и проводить натурные испытания его под нагрузкой. На 7 может и не вытянуть, а 6 может получиться.

Вот примерные характеристики винта

e 0,333333333
Z 7
раб. угол 6
V 6
V2 3
D 2,5
Re2 79900
обороты1 320,8658284
обороты2 641,7316569
мощность1 287,3532995
мощность2 34,48397307
K1 61,07
K2 47,8360844
Cy 1 0,8449
Cy 2 0,841475
КИЭВ 0,4555
КИЭВ2 0,4373
b 55,7
Re1 159700

_________________
С уважением, Дмитрий

Посчитал компенсирующую геометрию.

Получилась вот такая лажа:



Винт конусный. конусность 13,5 градусов - это плохо. Но при ветре 12 м/с максимальное отклонение от начального положения всего 8 мм - это хорошо, можно еще геометрию поправить и тогда вообще отклонения не будет. Т.Е. в стационарных режимах лопасть будет работать только на растяжение. масса лопасти 750 гр.
Хотя для расположения винта за мачтой - самое оно, ИМХО.

Что делать? если поставить лопасть в плоскости вращения - она при ветре 9 м/с прогнется по ветру на 170 мм. или сделать её более заполненной и соответственно тяжелее где- то до 1200 гр, тогда компенсирующий угол конусности будет градусов 8. Что думаете?

_________________
С уважением, Дмитрий

Значит надо просто делать лопасти необходимой прочности и жесткости.(вы же еще не учитывали колебаний)

прочности больше не надо - на скорости 12 м/с запас прочности 12.

А жесткость более чем в полтора раза не поднять на стеклопластике, но при этом масса вырастет вдвое, соответственно собственные частоты колебаний понизятся процентов на 20, а это не есть гут.

_________________
С уважением, Дмитрий

Извиняйте. Просчитался я. Взял центробежную нагрузку для 6 м/с, а ветровую для 12 м/с, отсюда и такие бешеные перемещения (в четыре раза!). Буду пересчитывать.

_________________
С уважением, Дмитрий

Но в начале порыва ветра аэродинамические силы максимальны ,а обороты еще не увеличились.Да и на срабатывание бурезащиты тоже время надо. А порывы бывают и больше 12 м/с (зависит от места расположения ветряка)

Да, есть такое дело. Но при резком изменении скорости ветра в два раза - аэродинамическая нагрузка на лопасть увеличивается совсем не в два раза. В случае того винта, который я рассчитываю она увеличится всего на 30%(в самом тяжелом случае), а в среднем - на 20%. - это соответствует отклонению кончика лопасти от штатного положения всего на 1-1,5 градуса.
Про срабатывание бурезащиты - прочности лопасти хватит до 25м/с, так что срабатывание нужно настраивать на 12 м/с и проблем не будет. Правда пока с колебаниями напряг - первая резонансная частота синхронизируется на 6,5 м/с.
Нужно или уменьшать жесткость и выводить резонанс на 4 м/с или поднимать существенно выше 12 м/с.
Для этой лопасти второй вариант скорее всего не получится, возможно придется снизить быстроходность до 6,5-6.

_________________
С уважением, Дмитрий

При резком увеличении скорости ветра(например в 2 раза) Нагрузка возрастает больше чем в 2 раза . За счет увеличения углов атаки в сечениях + за счет кадратичной зависимости аэродинамических сил от полной скорости обтекания.

при TSR=7 и е=0,33333 угол обтекния 5.44 градуса, полная скорость обтекания на 12 м/с =корень((12*2/3)^2+(12*7)^2)=84,4 м/с
если скорость внезапно станет 24 м/с, а ротор не успеет отреагировать, то полная скорость обтекания станет равна корень((12*2/3+12)^2+(12*7)^2)=86.35 м/с, т.е при резком увеличении скорости ветра в 2 раза скорость обтекания увеличится на 2,3%, квадрат скорости обтекания увеличится на 4,7% (в 1,047 раза).

теперь глянем как увеличится коэффициент подъёмной силы.

угол обтекания arctg( (12*2/3+12)/(12*7))=13,392 градуса, т. е на 8 градусов больше, чем в стационарном режиме.
в стационарном режиме Cy=0,85 (угол атаки 6 градусов), в переходном Су=1,09 (угол атаки14 градусов). Т.е. Су возрос в 1,294 раза.

В итоге аэродинамическая нагрузка на лопасть увеличилась всего в 1,294*1,047=1,355 раз.

По мере разгона винта центробежная сила будет расти и компенсация будет возвращаться в норму.

на сечениях, более близких к оси увеличение полной скорости будет более существенно (т.к. меньше местная быстроходность), но там и сама нагрузка меньше.

В общем при резком увеличении скорости в два раза нагрузка на лопасть вырастет никак не более, чем в 1,5 раза, и то это для этого профиля, на CLARKе или NACA4412 - еще меньше.

_________________
С уважением, Дмитрий

Пересчитал, угол компенсации всего 3,2 градуса. Геометрию поправил и собственные частоты колебаний в норму пришли.

_________________
С уважением, Дмитрий

При резком увеличении углов атаки Су не берется с поляры , он при таких режимах выше . На винтах например , по измерениям случался до 3.5 .
именно из-за этого (и ряда других причин) лопасти ветряков делают очень прочными (и достаточно жесткими)на изгиб, посмотрите диаметры заделок и толщины профилей в корне, у ветряков.

На больших рейнольдсах - да, и в большей степени на многолопастных винтах, где лопасти работают в режимах близких к щелевому крылу.где на малых - поток срывается моментально.

Речь не идёт о том, чтобы сделать лопасть как тряпку.
Разумеется всё должно соответствовать нагрузкам с хорошим запасом.

О прочности и жесткости - отдельная тема. максимальная изгибная жесткость слоистого стеклопластика 25ГПа.
если внутрь от профиля увеличивать толщину оболочки, то каждый последующий слой будет увеличивать жесткость лопасти в меньшей степени, чем предыдущий. при этом для сечения лопасти (EJ)/(ro*S) будет уменьшаться у сплошной лопасти это отношение в 2-2,5 раза хуже, чем у пустотелой, что черевато резонансом. Именно поэтому слоеные лопасти стараются делать пустотелыми.

_________________
С уважением, Дмитрий

Я пока не встречал стеклопластика с прочностью выше 1.4 ГПа.
Да и обычно в лопастях пластик работает не на изгиб а на растяжение-сжатие (если лопасть не тонкая сплошная).
Мгновенно поток не срывается никргда.

Прочность слоистого стеклопластика 0,45 ГПа, а жесткость 20-25 ГПа (модуль упругости)
1,4 ГПА прочность, 65 ГПа жесткость - это только пултрузионные профили из непрерывного ровинга. Но нам, такие технологии недоступны.

_________________
С уважением, Дмитрий

правильно спроектированная лопасть в стационарном режиме работает преимущественно на растяжение, в переходных режимах всегда любая лопасть работает как на растяжение так и на изгиб. Чистого растяжения или изгиба в лопасти в принципе не бывает. всегда присутствует сложное напряженно-деформированное состояние. А вот сама оболочка из стеклопластика - работает на растяжение или сжатие. Я Вас правильно понял?








Разумеется, мгновенно не срывается, всё зависит от многих факторов, но для быстроходного винта - это время очень мало.

Кстати, посчитал прогиб кончика лопасти при внезапном увеличении скорости ветра с 12 м/с до 24. (при этом Су взял 3,5) получилось 86 мм. Не много по-моему.

для того, чтобы лопасти прогнуться, винт должен провернуться минимум на 27 градусов, на это . Кроме того при прогибе лопасти уменьшается момент инерции винта, соответственно винт ускоряется.

В общем, даже в таком тяжелом случае прогиб не велик, осталость посчитать прогиб при рулении и тогда станет ясно, можно ли делать эти лопасти для таких режимов.

_________________
С уважением, Дмитрий

Да прогибы в поле центробежных сил , в стационарном режиме , невелики. Но при колебаниях амплитуды достигают и немалых величин (4.5 м лопасть -амплитуда колебаний не менее1.2 м )
Я писал именно про работу пластика ,он то и находится в оболочках.
Время срыва достигало и несколько секунд , немало.

Никогда о таком не слышал, где почитать можно, что за эксперименты?

_________________
С уважением, Дмитрий

Так нужно лопасть сделать так, чтоб в резонанс не попала. Что я и собираюсь сделать.

Кому нужна лопасть, которая подобным образом телепается.

_________________
С уважением, Дмитрий

Лет 20-25 назад ,когда интересовалсь махолетами много смотрели разных исследований нестационарного обтекания крыла.
В "Journal aircraft" тогда часто встречалась разная информация по этой проблеме. И в отчетах NASA.
А насчет резонанса , ВСЕГДА есть возможность иметь обороты резонансные или кратные им в момент ориентации ветряка.

vvv

Спасибо, почитал. Понял откуда дует ветер. про нестационарное обтекание. При резком увеличении угла атаки воздух перед лопастью "встает" - кинетическая энергия потока преобразуется в давление. (типа гидроудара, только сильнорастянутого по времени, ввиду сжимаемости воздуха). Отсюда такие подъёмные силы. Именно об этом говорил один Товарищ, который был причастен к созданию винтов двигателей AH-70. То же самое происходит в регулируемых направляющих аппаратах турбин - там этот эффект еще больше.

Я полагаю, винту ветряка такие режимы не светят, у ветряковского винта очень мало затенение, поэтому продолжительность "пневмоудара" существенно ниже.


С резонансом я разобрался, от каких гармоник и кратностей нужно отстраиваться, чтобы не влететь.

_________________
С уважением, Дмитрий

Хотя бы от второй.
Обтекание совсем не такое , все было очень дозвуковое , и в.т.ч. с малыми Re . Никаких "гидроударов".

Товарищи, Вы сапромат знаете? хочу ступицу расчитать с махами, поможете?

_________________
С уважением, Дмитрий.

Лопасти есть, в чертежах или в реале? Можно посчитать.

_________________
С уважением, Дмитрий