>>Гидроэнергетика
Теория пропеллерной микро ГЭС
Все нижесказанное относится к свободнопоточным установкам, т.е. таким установкам, размеры которых малы по сравнению с сечением русла реки. Для гидроколеса занимающего весь канал или встроенного в плотину соотношения совсем другие.
Пропеллер движется не за счет давления воды, как предыдущая установка из багажников, а за счет возникновения подъемной силы. Так же как крыло самолета. Лопасти пропеллера движутся поперек потока, а не увлекаются потоком в направлении течения.
Мощность в Вт, получаемая от водного потока:
N = η393D2Vв3
Где:
η - КИЭВ, коэффициент использования энергии воды
D - диаметр в [м]
Vв - скорость воды в [м/с]
Коэффициент использования энергии воды η пропеллерной установки домашнего тщательного исполнения лежит в пределах 0,25 - 0,35. Даже самые лучшие промышленные установки дают не более 0,43.
Какое количество лопастей оптимально для гидроустановки? Главное требование, которое накладывают устройства, подключенные к гидроколесу, - частота вращения. Мощность установки задана речкой. Центробежному насосу и генератору нужна максимально высокая частота вращения. С уменьшением частоты их габариты растут. Насосы есть и других типов. С малой частотой. Но они резко сложнее по конструкции, чем центробежный насос и менее надежны. Для увеличения частоты вращения надо уменьшать количество лопастей. До двух, а, возможно, и до одной лопасти. На мощности это почти не скажется. Частота вращения однолопастного пропеллера в 1,5 раза выше, чем у двухлопастного. Переход к одной лопасти дает двукратное увеличение высоты подъема воды насосом. Но при одной лопасти давление на ось получается несимметричное. Возникают знакопеременные нагрузки частотой единицы герц на саму установку и на ее крепление к земле. Это обстоятельство надо учитывать при конструировании.
Частота вращения переменна, она напрямую зависит от скорости реки. Поэтому пользуются относительной величиной - быстроходностью пропеллера, которая вычисляется как отношение окружной скорости лопасти к скорости потока. Лопасти имеют окружную скорость в несколько раз большую, чем скорость набегающего потока. Внутренние части пропеллера 0.0R - 0,75R дают половину мощности. Вторая половина мощности получается от наружных частей пропеллера 0,75R - 1,0R. Лопасть должна иметь наилучшие характеристики примерно в сечении 0,75R. Поэтому часто в отечественной литературе коэффициент быстроходности часто дается именно по сечению 0,75R. В мире устоялось другое определние быстроходности по отношению к концу лопасти. (tsr - tip spid ratio), Мы тоже будет говорить о быстроходности по отношению к кончику лопасти.
Однолопастной пропеллер имеет окружную скорость в среднем в 9 раз выше при рабочей нагрузке, чем скорость набегающего потока Z1 = 9 для хорошо выполненных профилей. Двухлопастной - в шесть раз выше Z = 6. (За рубежом для обозначения быстроходности применяется буква λ, в отечественной аэродинамике она обозначает удлинение крыла) Для другого количества лопастей i, быстроходность можно определить по примерному соотношению
Z = Z1(3+6/i)/9
где Z1 - быстроходность для однолопастного пропеллера.
Число оборотов пропеллера в минуту:
n = 19,1ZVв/D
Скорость воды надо подставлять в м/с, а диаметр в метрах.
На практике, как всегда, все намного сложнее, чем в выше приведенной идеализации. Быстроходность может получиться в 1,5 - 2 раза меньше, чем приведенная выше. Шероховатости, вмятины, облупившаяся краска снижают быстроходность. Причем, чем быстроходнее запроектирован пропеллер, тем сильнее сказываются дефекты поверхности. Профили лопастей для домашнего изготовления предподчтительней брать не самолетные, а обычные желобки. Желобки можно довольно просто сделать из обычной трубы. А вот как выполнить крутку для авиационного профиля в домашних условиях? Но и при использовании самого совершенного профиля быстроходность Z1 вряд ли удастся поднять выше 12. Поэтому для домашнего изготовления лучше остановиться на желобках.
По формуле вычисляем угол установки для разных сечений лопасти. Угол атаки α, который входит в формулу, можно принять равным 9 градусам. Наиболее точно в пределах плюс-минус одного градуса надо выдерживать угол установки на конце лопасти. В середине лопасти отклонение может составлять 2 градуса.
В формуле R - радиус пропеллера в метрах, а r - расстояние от оси до выбранного сечения в метрах.
Стрелка прогиба - есть отношение глубины желобка к хорде. Желобки можно применять со стрелкой от 5 до 15%. Чем меньше стрелка, тем колесо будет вращаться быстрее. Для однолопастного гидряка Z1 по расчету равно 9 при 5% стрелке. При стрелке в 8% Z1 равно 8. При стрелке 15% Z1 около 6.
Ширину хорды можно приблизительно посчитать по формуле:
b = 5,6R²/(Z²ri)
где:
R - радиус пропеллера;
r - расстояние от оси до выбранного сечения в метрах;
Z - быстроходность по кончику лопасти;
i - количество лопастей.
Ширина хорды по результатам моих испытаний пропеллерной гидротурбины должна быть на конце 5 - 7% от диаметра пропеллера. К оси вращения лопасть должна расширяться. Трудно сказать что-то конкретное. Раза в полтора - два.
Необходимо заметить, что я не встречал однозначной и абсолютно достоверной методики расчета. Окончательный вердикт выносит опытная эксплуатация.
Если делать колесо без обода, то металл лопастей должен быть достаточно толстым. Для метрового в диаметре пропеллера минимум 2 мм.
Диаметр ступицы может быть очень большим. Ступица диаметром, составляющим третью часть от диаметра всего пропеллера занимать площадь всего 11% от ометаемой площади. Потери мощности будут невелики, а величина крутки лопастей значительно уменьшится.
Розин МН
7 июля 2007 г
