Аэродинамический расчёт (продолжение)

LONGWIND – это беспилотный автожир. Как воздушный змей, он привязан к земле и удерживается в воздухе благодаря вращающемуся ротору.

Энергию, которая ему нужна на создание необходимого вращения, аппарат может взять только из набегающего потока ветра.

Но в отличии от автожира, LONGWIND должен не просто висеть в воздухе, но ещё и передавать часть полученной от ветра энергии наземным потребителям. Это означает, что ротор LONGWIND должен быть способен «забрать» из воздушного потока больше энергии.

Для начал определим  - какая часть энергии  воздушном потока «доступна» ротору. Назовём её «доступной мощностью».

Очевидно, она равна эффективному напору воздуха,  умноженному на скорость ветра.

Эффективный напор воздуха пропорционален синусу угла наклона плоскости вращения ротора к потоку (синусу угла атаки) и составляет

 Fv  = F (kg) x Sinα , где

Fv  - Эффективный напор ветра (kg)

 F  -  скоростной напор (kg)

α  - угол атаки

Примем для расчётов условия, изложенные раньше. Тогда для напора в 1200 (kg)  и угла атаки в 15^о    получаем

1200 х 0,26 = 312 кг

Доступная мощность воздушного потока, определяемая  путём умножения эффективного напора на скорость ветра , при величине последней в 20м/с будет равна

312 х 9.8 х 20 =  61,2 kWt.

Часть этой мощности пойдёт на вращение ротора. Другая , оставшаяся, может быть превращена в полезную мощность, для последующей передачи её потребителям.

Мощность,  которую должен затрачивать ротор на вращение, достаточное для удержания подъёмно силы  вычисляется по формуле

N = Y(kg) х g x  V(m/s) x  tgα   ,   где

N  - мощность вращения ротора (wt)

Y – подъёмная сила (kg)  

V – скорость ветра (m/s)

α – угол атаки ротора

Для скорости ветра 20m/s, создающем на роторе, наклонённом к потоку под углом 15^о подъёмную силу  в 288 kg,  мощность , отбираемая ротором на вращение должна составлять не меньше чем

288 х 9.8 x 20 х 0,2679 = 15,2 kWt

Таким образом, разница между доступной мощностью ветра и мощностью, затрачиваемой на удержание аппарата в воздухе для данного случая составляет

61,2 – 15,2 = 45 kWt

Это не так уж плохо. Хотя использована будет далеко не вся эта мощность.

КПД воздушных винтов даже самых совершенных конструкций и в самых благоприятных условиях не превышает 50%. Для нашего случая справедливым допустить примерно 40%. Более точные значения можно получить лишь в ходе натурной продувки.

Но при выбранных значения КПД, полезная мощность составит

61,2 х 40% - 15,2 = 9.4  kWt

Ниже я привожу график, построенный на основе расчётов  эффективности работы всего ветрогенратора в целом в зависимости от скорости ветра  и угла атаки.

Здесь видно, что наибольший полезный эффект можно получить в диапазоне  наклона оси винта от 8^о до 15^о . Кроме того, наглядно показано, что при скоростях ветра меньше 20м\с система в целом может работать неустойчиво и даже испытвать дефицит мощности, необходимой для создания подъёмнеой силы.