2.6. Шнекові вітродвигуни, їх особливості та геометричні характеристики.

На рис.2.6.1 показаний трьохзаходовий шнековий ротор довжиною L, яка дорівнює кроку гвинтової лінії S. Лопаті 1,2,3 з’єднані з маточиною 4. Маточина порожньотіла. Лопасті та маточина виконані з тонкого листового матеріалу. Ротор має можливість обертатись в підшипниках 5. Через ведему шестерню 6 або шків здійснюється відбір потужності електрогенератором 7 [3].

Гвинтова поверхня лопаті в радіальному напрямку складається з ряду гвинтових ліній. Гвинтова лінія являється найбільш короткою лінією, яка з’єднує дві точки на циліндричній поверхні. Будь-яка бокова деформація лопасті сполучена зі збільшенням довжини гвинтових ліній, тобто з їх розтягненням. Тому гвинтова лопать на вітрове навантаження буде працювати на розтяг і її можна виконати тонкою.

Рис.2.6.1 Трьохзаходовий шнековий вітродвигун.

1,2,3- гвинтові лопасті; 4- маточина; 5- підшипникові опори; 6- передача; 7- електрогенератор;

Рис.2.6.2 Шнековий вітроротор при боковому вітрі.

а – неорієнтований(ділянки лопатей розвернуті:1 – ребром до вітру,2 – площиною до вітру); б – орієнтований (1 – верхній опір, 2 – нижній опір).

При осьовому направленні вітру ротор працює як звичайне вітрове колесо. Тиск вітру, який діє на лопаті 1,2,3, які нахилені під кутом α до нього, створює момент обертання. За рахунок багаторазового перекриття омітаємої поверхні невикористана енергія вітру на початковій ділянці ротора використовується на наступних

При боковому вітрі, який направлений під середнім кутом φ=+α_c (див.рис.2.6.2) верхні частини лопатей 1 встановлюються ребром до вітру і вітрове навантаження сприймають тільки частини лопатей 2. Як наслідок цього постійно існує момент обертання, який створює обертання ротора.

Якщо кут нахилу φ<α_c, то момент обертання створюють також і лопаті 1. Якщо кут нахилу φ>α_c, то лопаті 1 будуть створювати протидіючий момент, а при α=90˚ протидіючий момент лопатей 1 урівноважать момент обертання лопатей 2. Тому непрацюючим являється тільки положення при φ=+90˚, а інші направлення вітру являються робочими. Але ефективність роботи при збільшенні φ від α_c до 90˚ знижується, тому оптимальна робота ротора буде в діапазоні 0≤ φ ≤α_c. При боковому вітрі потужність ротора збільшується пропорційно до його довжини.

При певній довжині потужність ротора в широкому діапазоні зміни напрямку вітру буду змінюватися несуттєво. Тому в місцевостях з переважним напрямків вітрів ротор з гвинтовими лопатями може бути неорієнтованим.

В місцевостях з симетричною розою вітрів можна встановлювати орієнтований по вітру ротор.(рис.2.6.2б). При зміні напрямку вітру за рахунок парусності ротора з’являється момент сил, в результаті якого ротор, обертаючись в верхній опорі відносно вертикальної осі, орієнтується на вітер.

Ротор з гвинтовими лопатями можна також використовувати в гідроенергетиці. Оскільки порожньотіла маточина забезпечує плавучість ротора, то він може знаходитись на поверхні води, і за рахунок дії води тільки на нижні частини лопатей буде обертатись навіть при перпендикулярному до вісі направленні потоку води.Таким способом можна використовувати енергію гірських річок, морських течій, припливів та енергію хвиль.

Шнековий ротор внаслідок безприривності лопатей на протязі одного обертання в меншій мірі генерує акустичні коливання і обертається плавно. Такій ротор буде також менше модулювати електромагнітне випромінювання.Тому він в порівнянні зі звичайними вітродвигунами в меншій мірі буде створювати шум та теле- і радіоперешкод.

Кут α (див.рис. 2.6.1) між гвинтовою лінією і твірною циліндра з радіусом R₁, визначається із співвідношення:

, (2.6.1)

де S – крок гвинтової лінії (див. рис. 2.6.1)

Цей кут α змінюється по радіусу лопаті від α₁ на маточині до α₂ на ометаємій поверхні. Тому за характеристику нахилу лопаті може бути обраний середній кут нахилу α_с, якій визначається відповідно до виразу:

, (2.6.2)

де .

При розкроюванні гвинтових лопатів із плоского листа важливою характеристикою являється радіус кривизни гвинтової лінії. Для його визначення використаємо рівняння гвинтової лінії в декартовій системі координат x, y, z, в наступному вигляді:

, (2.6.3)

де вісь z напрямлена вздовж вісі гвинта, ψ – полярний кут в площині x,y. Радіус кривизни просторової кривої визначається так:

. (2.6.4)

Відповідно до (2.6.3) похідні можна записати в такому вигляді:

. (2.6.5)

Після їх підстановки в (2.6.4) отримаємо радіус ρ_сл кривизни гвинтової лінії у вигляді:

. (2.6.6)

Завдяки своїм міцностним якостям шнековий ротор може бути використаний як конструктивний елемент. Це дозволяє компонувати різні конструкції вітроагрегатів. Однією із простих компоновок є однороторний самоорієнтовний вітроагрегат відповідно до схеми на рис. 2.6.2б, але припіднятий над землею на мачті. Самоорієнтовні вітроагрегати дуже ефективно можна використовувати на малі потужності (наприклад, на декілька кВт.), коли габарити роторів невеликі. Установка їх на щоглі в області великих швидкостей вітру збільшує потужність в порівнянні з наземним розташуванням.

На рис. 2.6.3 показана багатороторна вітроустановка [3]. В ній обертання від усіх роторів передається на один вихідний вал 6. Вона містить нахилені до горизонтальної площини шнекові вітроротори 1. Внизу вітроротори через підшипниковий вузол сполучені з опорами 2, а зверху – з опорою 3. Обертання віт-ророторів через вузол з обгінними муфтами 4, які підключені зустрічно між собою, передається конусному редуктору 5, із якого загальний трансмісійний вал 6 передає обертання до електрогенератора 7.

При напрямку вітру V₁ навітряні ротори обертаються в один бік, а підвітряні – в другий. При напрямку вітру V₂ ротори обертаються в протилежний бік. Пристрій з обгінними муфтами містить дві муфти, які підключені зустрічно між собою, та забезпечують обертання вихідного вала в одному напрямку при різних напрямках обертання роторів. Багатороторні вітроустановки доцільно виконувати з потужністю десятки кіловат і більше. Вони можуть бути установлені у вигляді вітроплотин вздовж берегів або поперек гірських долин. В місцевостях з симетричною розою вітрів вітроустановка може компонуватися з трьох або більше роторів, розташованих по колу. В цьому випадку загальний трансмісійний вал може бути встановлений в центрі вітроустановки і розташований вертикально. Така установка була спроектована, побудована і забезпечує потужність 1 кВт.

Розглянуті вітроустановки розташовані з нахилом відносно вітру. На рис. 2.6.4 показаний шнековий вітроротор з лійковидними гвинтовими лопатями, який може працювати у вертикальному положенні і не залежить від напрямку вітру [3]. Координата z воронкоподібної гвинтової поверхні може бути визначена так:

, (2.6.7)

де f (r) – монотонна функція радіуса.

Рис. 2.6.3. Багатороторна установка.

а – фронтальний вигляд; б – вигляд зверху; 1- шнековий ротор; 2 і 3 – нижня та верхня опори; 4 – вузол з зустрічно включиними обгонними муфтами; 5 – конічний редуктор; 6 – трансмісійний вал; 7 – електрогенератор.

При напрямку вітру V велике навантаження приймають вигнуті ділянки лопатей, які розташовані зліва від вісі. Внаслідок цього з’являється момент обертання, який має лівий напрямок. Вертикальний шнековий ротор стійко обертається при змінних поривчатих вітрах. Його потужність може досягати де-кілька сотень кіловат. Такі вітроустановки можна будувати в різних районах, в тому числі і в містах, наприклад, на дахах будинків.

Вертикальний шнековий ротор в порівнянні з швидкохідними вітророторами типу Дар’є, які мають малий початковий момент обертання, більше виробляє енергії при малих швидкостях та має менші прогинаючі та центробіжні навантаження. В порівнянні з ротором Савоніуса він має більший коефіцієнт використання енергії вітру.

Рис.2.6.4 Лійковидний шнековий вітродвгун.

1-маточина; 2-лійковидні гвинтові лопаті; 3-щогла; 4,5-верхня та нижня підшипникові опори; 6-шарнір; 7-розтяжки; 8-передача; 9-мультипликатор; 10-електрогенератор; 11 – вітроротор в нахилиному положенні.

Аеродинамічні властивості ротора можна досліджувати, використовуючи силу впливу потоку на плоску площадку.

Розглянемо елементарну площадку довжиною BC = dl вздовж гвинтової лінії на радіусі r, шириною dr і площею df = dl∙dr (див. рис.2.6.1), яка розташована під кутом α до напрямку вітру V. При обертанні ротора з кутовою швидкістю ω площадка буде мати тангенціальну швидкість V_τ=ω∙r. При обертанні ротора другі ділянки, які розташовані вздовж гвинтової лопаті будуть ставати під таким же кутом α. Тому в нерухомій системі координат виконується рух площадки df вздовж осі ротора з осьовою швидкістю:

(2.6.8)

Якщо осьова швидкість U площадки df буде дорівнювати швидкості вітру V, то площадка не буде взаємодіяти з вітром. Якщо U>V, то площадка підсилює натиск вітру і ротор працює як вентилятор. Якщо U<V, то вітер діє на площадку, і ротор працює як вітровий двигун. Із виразу (2.6.8) видно, що для гвинтової лопаті швидкість U не залежить від радіуса. Тому, якщо яка-небудь площадка працює в оптимальному режимі, то і всі частини ротора працюють в оптимальному режимі. Таким чином, гвинтова поверхня лопатей є оптимальною для використання енергії вітру.

З врахуванням площі вітрового потоку R₂∙L∙sinφ, де φ – кут між вітром і віссю ротора (див. рис. 2.6.1), коефіцієнт використання енергії вітру нахиленого шнекового ротора довжиною L=690мм при φ=45% відносно результатів випробувань дорівнює 27%.

Таким чином шнекові вітроустановки характеризуються високою плавністю роботи, відсутністю вібрацій і утомлюванного навантаження, які обумовлюються циклічним обертанням ротора, значно меншими акустичними та електромагнітними завадами та пониженими екологічними впливами. Різноманітні компоновки дозволяють оптимально приспособлювати їх до умов користувача. Сполучення тихохідності та помірного коефіцієнта використання енергії вітру забезпечує високе вироблення енергії на протязі року навіть в місцевостях з невеликими вітрами. При умові створення дешевої технології виготовлення шнека такий вітродвигун може стати доступним для широких верств населення.

На рис. 2.6.5 приведена фотографія установки американського винаходу. Структура цього вітродвигуна подібна до шнекової структури, але момент може бути значно вищим ніж у шнекового двигуна. Крім того, в цій структурі має місце аеродинамічний ефект ротора Дар’є, який зменшує силовий вплив з боку повітря при переміщені (див. рис. 2.5.2). До того ж спіралевидна структура забезпечує суттєву підйомну силу, а це значно зменшує силу тертя в опорному підшипнику вітроустановки і підвищує її коефіцієнт корисної дії.

Рис.2.6.5 Спіралевидний вітродвигун американської вітроустановки.

ІІІ. СПОСОБИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВІТРОВОЇ ЕНЕРГІЇ В ЕЛЕКТРИЧНУ