aerodynamika wirnika

Aerodynamika wirnika

Powstawanie siły nośnej. Powietrze opływające górną część skrzydła ma większą drogę do pokonania, a więc porusza się szybciej, dzięki czemu ciśnienie jest mniejsze niż na dolnej części skrzydła.

Na rysunku powyżej pokazany jest przekrój profilu skrzydła samolotu. Jego specyficzny kształt powoduje, że powietrze ślizgające się wzdłuż górnej powierzchni porusza się szybciej niż wzdłuż powierzchni dolnej. Oznacza to, że ciśnienie na górnej powierzchni będzie niższe niż na dolnej. Tworzy to siłę nośną, która działając na skrzydło utrzymuje samolot w powietrzu. Jest ona prostopadła do kierunku wiatru.

Ta sama siła, która utrzymuje w powietrzu samolot powoduje, że wirnik elektrowni wiatrowej obraca się na wietrze.

Przeciągnięcie. Rozważmy teraz sytuacje, gdy pochylimy skrzydło do tyłu. Okaże się wtedy, że szybkość strumienia powietrza na górze skrzydła wzrośnie, co spowoduje wzrost siły nośnej. Jednak po przekroczeniu pewnego kąta natarcia (umowny kąt zawarty między osią podłużną skrzydła, a kierunkiem strumienia powietrza), zwanego krytycznym, nastąpi oderwanie strug powietrza na górnej części skrzydła, co prowadzi do zaniku siły nośnej. Zjawisko to nosi nazwę przeciągnięcia (stall), czasami używa się też określenia "utknięcie".

Przeciągnięcie może zostać wywołane, kiedy powierzchnia skrzydła samolotu, albo łopaty wirnika turbiny wiatrowej, nie jest wystarczająco równomierna i gładka. Wgłębienie w skrzydle albo łopacie wirników, albo kawałek samoprzylepnej taśmy może wystarczyć, by wywołać turbulencję na grzbiecie skrzydła nawet, jeśli kąt natarcia jest dość mały.

Wielkość siły nośnej. Wypadkowa siła aerodynamiczna ma dwie składowe. Składowa nośna Pz jest prostopadła do wypadkowego kierunku wiatru, natomiast składowa oporowa Px tworzy opór równoległy do wypadkowego kierunku wiatru. Wielkości siły nośnej oraz siły oporu wynoszą:

Pz = 0,5(Cz S rho v²)

Px = 0,5(Cx S rho v²)

gdzie S - powierzchnia łopaty, rho - gęstość powietrza, v - prędkość wiatru. Współczynniki siły nośnej Cz i oporowej Cx zależą od kształtu profilu i są funkcją kąta natarcia wiatru na łopaty.

Zależność współczynników siły nośnej i oporowej od kąta natarcia.

Przepływ powietrza przez łopaty wirnika. Wypadkowy kierunek powietrza uderzający w łopaty jest inny niż kierunek wiatru w terenie, za wyjątkiem sytuacji, gdy wirnik jest nieruchomy. Dzieje się tak, ponieważ łopaty same się poruszają. Większość turbin pracuje ze stałą prędkością obrotową,. Typowa szybkość, z jaką końcówki łopaty przecinają powietrze wynosi 64 m/s, podczas gdy prędkość w środku piasty wynosi zero. W jednej czwartej długości łopaty, prędkość ta będzie wynosić około 16 m/s. Jeżeli łopatę wirnika przyjmiemy za nasz punkt odniesienia, to idąc wzdłuż niej od środka aż do końcówki, zaobserwujemy, że wiatr będzie opływał płat pod coraz większym kątem. Dlatego łopata wirnika musi być skręcona, aby utrzymać optymalne kąty natarcia na całej jej długości.