Ортогональный ротор. Ветроустановки с ортогональным ротором: преимущества, проблемы и пути совершенствования

Какие преимущества имеют ветроустановки с ортогональным ротором. Какие основные проблемы существуют у таких установок. Каковы пути совершенствования конструкции ортогональных роторов. Как повысить эффективность использования энергии ветра в ортогональных роторах. Какие конструктивные решения позволяют улучшить характеристики ветроустановок с вертикальной осью вращения.

Преимущества ветроустановок с ортогональным ротором

Ветроустановки с ортогональным ротором имеют ряд важных преимуществ по сравнению с традиционными горизонтально-осевыми ветрогенераторами:

• Независимость от направления ветра. Ортогональный ротор эффективно работает при любом направлении ветрового потока, не требуя устройств ориентации на ветер.
• Простота конструкции. Отсутствие сложных систем управления углом атаки лопастей и ориентации на ветер упрощает и удешевляет конструкцию.
• Низкая шумность. Вертикально-осевые роторы производят меньше шума при работе.
• Безопасность. Вертикальная ось вращения снижает риск разрушения при сильных порывах ветра.
• Компактность. Ортогональные роторы занимают меньшую площадь по сравнению с горизонтально-осевыми ветрогенераторами той же мощности.

Благодаря этим преимуществам, ветроустановки с ортогональным ротором перспективны для использования в городских условиях, на крышах зданий, а также в регионах с часто меняющимся направлением ветра.

Основные типы ортогональных роторов

Существует несколько основных типов ортогональных роторов, различающихся конструкцией лопастей:

• Ротор Савониуса — простейший тип с S-образными лопастями.
• Ротор Дарье — с изогнутыми лопастями аэродинамического профиля.
• Ротор Масгроува — модификация ротора Дарье с прямыми лопастями.
• Ротор с Н-образными лопастями.
• Геликоидный ротор со спиральными лопастями.

Каждый тип имеет свои особенности и области применения. Например, ротор Савониуса отличается простотой, но имеет низкий КПД. Ротор Дарье более эффективен, но сложнее в изготовлении.

Принцип работы ортогонального ротора

Принцип работы ортогонального ротора основан на создании подъемной силы на лопастях при их движении в потоке воздуха. Как это происходит?

1. Ветровой поток обтекает лопасти ротора, создавая на них подъемную силу.
2. Подъемная сила создает вращающий момент относительно оси ротора.
3. Под действием вращающего момента ротор приходит во вращение.
4. Вращение ротора преобразуется в электроэнергию с помощью генератора.

При этом лопасти ротора испытывают циклическое изменение угла атаки в процессе вращения, что создает пульсирующую нагрузку. Это одна из особенностей работы ортогональных роторов.

Проблема низкого КПД ортогональных роторов

Одной из главных проблем ветроустановок с ортогональным ротором является более низкий коэффициент использования энергии ветра по сравнению с горизонтально-осевыми ветрогенераторами. С чем это связано?

• Циклическое изменение угла атаки лопастей приводит к периодическому снижению подъемной силы.
• Часть лопастей всегда движется против потока, создавая сопротивление.
• Возникают значительные концевые потери на лопастях из-за перетекания воздуха.
• Образуется сложная вихревая структура потока в роторе.

В результате КПД ортогональных роторов обычно не превышает 35-40%, в то время как у лучших горизонтально-осевых ветрогенераторов он может достигать 50% и более.

Пути повышения эффективности ортогональных роторов

Для повышения эффективности ветроустановок с ортогональным ротором применяются различные конструктивные и технологические решения:

• Оптимизация геометрии лопастей с помощью компьютерного моделирования.
• Применение адаптивных лопастей, изменяющих форму при вращении.
• Использование многоярусных роторов для увеличения рабочей площади.
• Установка направляющих аппаратов для оптимизации потока.
• Применение композитных материалов для снижения веса.
• Разработка эффективных систем регулирования скорости вращения.

Эти меры позволяют повысить КПД ортогональных роторов до 45% и более, приближая их эффективность к горизонтально-осевым ветрогенераторам.

Проблема запуска ортогональных роторов

Еще одной важной проблемой ветроустановок с ортогональным ротором является сложность их запуска при низких скоростях ветра. Почему возникает эта проблема?

• Малый начальный крутящий момент из-за неоптимального положения лопастей.
• Высокое лобовое сопротивление неподвижного ротора.
• Инерционность конструкции, особенно у роторов большого диаметра.

Для решения проблемы запуска применяются следующие методы:

1. Использование вспомогательного электропривода для начальной раскрутки.
2. Применение роторов Савониуса в качестве стартера.
3. Установка специальных пусковых лопастей.
4. Оптимизация аэродинамики лопастей для улучшения пусковых характеристик.

Правильный выбор метода запуска позволяет обеспечить работу ортогонального ротора даже при слабых ветрах.

Многоярусные ортогональные роторы

Одним из перспективных направлений совершенствования ветроустановок с ортогональным ротором является применение многоярусных конструкций. В чем их преимущества?

• Увеличение рабочей площади ротора без увеличения его диаметра.
• Снижение нагрузок на опорную конструкцию.
• Улучшение самозапуска за счет разнесения лопастей по высоте.
• Возможность оптимизации каждого яруса под определенный диапазон скоростей ветра.

Исследования показывают, что двухъярусные и трехъярусные роторы могут иметь на 15-20% более высокий КПД по сравнению с одноярусными при тех же габаритах. Однако увеличение числа ярусов усложняет конструкцию и повышает ее стоимость.

Применение ускорителей потока

Для повышения эффективности ортогональных роторов при низких скоростях ветра используются различные ускорители потока. Как они работают?

• Конфузоры сужают поток воздуха, увеличивая его скорость перед ротором.
• Диффузоры создают область пониженного давления за ротором, усиливая поток.
• Направляющие аппараты оптимизируют угол атаки потока на лопасти.

Применение ускорителей потока позволяет увеличить мощность ветроустановки на 20-30% при тех же размерах ротора. Однако они усложняют конструкцию и увеличивают ее стоимость.

Перспективы развития ветроустановок с ортогональным ротором

Несмотря на имеющиеся проблемы, ветроустановки с ортогональным ротором имеют хорошие перспективы развития. Каковы основные направления их совершенствования?

• Разработка новых аэродинамических профилей лопастей.
• Применение «умных» материалов для адаптивных конструкций.
• Создание гибридных ветро-солнечных установок.
• Интеграция в архитектуру зданий и сооружений.
• Разработка малошумных конструкций для городских условий.

Развитие этих направлений позволит расширить области применения ортогональных роторов и повысить их конкурентоспособность по сравнению с традиционными ветрогенераторами.

Ветроустановки с ортогональным ротором: обзор основных проблем, целесообразность применения в условиях слабого ветрового потока и пути совершенствования их конструкции



Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8

Рассмотрены ветроустановки с ортогональным ротором, основные проблемы, такие как неравномерность вращения и проблема запуска. Описаны наиболее рациональные пути решения геометрии конструкции.

Ключевые слова: ортогональные роторы, ветроэнергетика, двухъярусный ротор, решетчатые крылья.

В настоящее время все большее внимание уделяют вопросу возобновляемых источников энергии (ВЭУ) и их месту в энергосистеме государства. Одной из перспективных ветвей развития данной области является применение установок, преобразующих ветровую энергию в электрическую. По использованию, эксплуатации и проектированию данных установок накоплен богатый опыт. Вопросы по проблемам энергетики и экологии регулярно обсуждаются на заседаниях правительств государств и решение этих вопросов не представляется без широкого применения экологически чистых ВЭУ. Так, с течением времени ветроустановки получают все более широкое распространение для получения электроэнергии.

В данной статье хотелось бы объективно представить проблему, осветить картину в целом, чего на сегодняшний день достигли в области ветроустановок и обосновать их актуальность применения также и в областях малых ветровых потоков.

Лидирующее положение занимают конструкции пропеллерного типа, – горизонтально-осевые ветроэнергетические установки (ВЭУ). Дальнейшее совершенствование конструкции пропеллерного типа проблемно и необходимо задуматься об альтернативных типах установок для развития ветроэнергетики. По мнению специалистов [1, 2], разработка ВЭУ с вертикальной осью вращения является наиболее перспективным решением.

Установки в основном рассчитаны на территории со значительными скоростями ветрового потока, и, как правило, не предназначались для работы на малых скоростях. В связи с этим стоит задача выбора иной структуры и параметров установки, для возможности работы при небольших скоростях ветрового потока.

Еще в 1929 г. Савониус разработал ротор с S-образными лопастями, позже Дарье – с изогнутыми. В 1975 г. после, Масгроув предложил изогнутые лопасти ротора Дарье заменить прямыми. Вращающий момент на S-образном роторе возникает вследствие разности сил сопротивлений лопастей. Для такого типа ротора коэффициент использования энергии не больше 20%, что тормозит широкое применение на практике. На роторах Дарье — Масгроува принцип несколько иной. Так была приведена аналогия между машущим крылом и ветроколесом. На лопасти данного ротора действуют пульсирующий поток, подобно потоку машущего крыла [3].

Данный поток вращает ротор за счет создаваемых им сил тяг. И для данного типа ротора коэффициент использования ветровой энергии уже может достигать свыше 40%, что не уступает горизонтально-осевым ветроустановкам пропеллерного типа.

а)б)в)

Рис. 1. a) Ротор Савониуса, б) Ротор Дарье в) Ротор Дарье с прямыми лопастями

Особенностью ортогонального ротора является одинаковое совершение работы, вне зависимости от направления подачи ветрового потока. При этом не нужно ориентировать систему, устанавливая дополнительные механизмы, что существенно упрощает конструкцию.

Но вместе с преимуществами, есть и ряд проблем, для которых необходимо найти решение. Для более эффективного использования энергии ветрового потока требуется выбрать лучшие параметры конструкции и для роторов с прямыми лопастями решить проблему запуска.

Рассмотрим ортогональный ротор с прямыми лопастями. У него сравнительно низкая быстроходность по сравнению с пропеллерными ВЭУ, приблизительно в 2-3 раза ниже. Следовательно, роторы данного типа существенно расширяют диапазон ветровых потоков, при которых установки будут работать с максимальным использованием ветровой энергии. Также положительным моментом данных ВЭУ является возможность установки генератора и ротора на одном валу, что уменьшает потери и повышает надежность конструкции.

Как говорилось выше, была выдвинута гипотеза между машущим крылом и ротором Дарье. При рабочем режиме, лопасти ротора обтекаются нестационарным потоком, так же как и машущее крыло – основной двигатель в природе. Сила тяги, создаваемая потоком зависит от геометрии лопасти(крыла), пульсации потока и амплитуды. Она действует на лопасти, создавая аэродинамический момент, который заставляет вращать ротор. Сравнивая ротор данного типа с машущим крылом, можно предположить, что его КПД может достигать значения, близкого к единице, т. к. в период миграции насекомые и птицы преодолевают большие расстояния с минимальной затратой своего «биологического топлива».

Эксперимент показал, что сила тяги, колеблющегося крыла, зависит от его относительной толщины [4]. При испытании использовались симметричные крылья с разной относительной толщиной c = 0,06; 0,09; 0,12; 0,15; 0,18; 0,21, удлинением λ = 2, и хордой b = 0,15 м. Крылья выполняли поступательные колебания перпендикулярно хорде по гармоническому закону с амплитудой A = b и A = 0,7b. При увеличении относительной толщины с 6 до 21 %, увеличивалась сила тяги в четыре раза, что можно объясняется нестационарным обтеканием крыльев. Максимального значения достигли при относительной толщине крыла c = 0,21. Обратим внимание, что данную относительную толщину (18–20 %) имеет хвостовой плавник дельфина [5].

Аналогия между машущим крылом и лопастями ортогонального ротора также не осталась без внимания при учете воздействия внешней среды на ротор Савониуса, а именно набегающего потока, со значительной пульсацией скорости по величине и направлению. С целью повышения эффективности использования ветровой энергии, синтезирована конструкция ВЭУ с дополнительными поворотными элементами, которые образуют профиль решетчатой лопасти, защищенную патентом РФ [6]. Преимущество данной схемы заключается в том, что наряду с силой сопротивления используется подъемная сила – подобная лопасть взаимодействует с набегающим потоком аналогично решетчатому крылу [7].

В зависимости от расположения лопастей ротора, их количества и геометрии зависят плавность и равномерность его вращения. Они в свою очередь оказывают воздействие на эффективность работы. Например, при использовании установки с двумя лопастями (ротора Савониуса) (Рисунок 2), возникает значительная разница мощности, снимаемой в 2 момента времени: когда лопасти перпендикулярны направлению ветрового потока и когда они расположены вдоль него. Это приводит к неравномерности хода ротора. При увеличении лопастей возникает их взаимное затенение, в результате чего энергия ветрового потока используется неэффективно [8].

Так, предложена конструкция ВЭУ, ротор которой состоит из решетчатых лопастей.

Рис. 2.Схемы ротора Саваониуса (а) и ветроустановки с решетчатыми лопастями (б)

В работе [8], при постоянной скорости ветрового потока и некоторых допущениях, расчеты показали, что использование в ветроустановке решетчатых крыльев дает коэффициент неравномерности вращения равный 0,03, без внесения изменений в конструкцию. А для получения в роторе Савониуса такого же коэффициента вращения необходимо было бы применять маховик, момент инерции которого превышал бы в 9,5 раз момент инерции всего ротора.

Коэффициент использования энергии ветра для ротора Савониуса сравнительно не большой, поэтому для увеличения скорости набегающего потока целесообразно использовать ускорители, которые делятся конфузоры дифузоры и системы, объединяющие эти два типа ускорителей. Одним из примета таких конструкций является ВЭУ с вихреобразующими концентрационно-направляющими элементами.

Концентрационно-направляющие элементы представляют собой цилиндрическое кольцо с шестью равномерно расположенными вертикальными прорезями (воздушными щелями) и шестью вертикально примыкающими к кольцу в зоне прорезей плоских аэродинамических экранов щитов, причем щиты монтируются в плоскости, совпадающей с касательной к окружности кольца, а прорезь располагается в вершине фигуры (угла), образованной щитом и кольцом [9].

Рис. 3. Ветроустановка с концентрационно-направляющими элементами

В данном примере, рассмотрена установка со шнековой турбиной, разработанная для повышения эффективности преобразования энергии ветра.

Предлагаемая модель, за счет применения воздухозаборных каналов и улучшенной аэродинамики обеспечивает высокую эффективность и большую единичную мощность [10].

Рис. 4. Ветросиловая установка со шнековой турбиной

В воздухозаборные каналы 3 поступает поток воздуха. Решетки клапанов 4 открываются и пропускают воздушный поток, который поступает в воздухопроводы 5 и 6. Из воздухопровода 6 (нижнего яруса), поток поступает в полость башни через торцевое башенное отверстие 9 и из воздухопровода 5 (верхнего яруса) через воздушные каналы 7. При данной комбинации увеличивается мощность подаваемого потока, действующего на шнековую турбину. В настоящее время количество патентов по установкам с концентраторами перевалил за 300 штук. Проблемой является то, что применение из них нашли только единицы.

Еще одной проблемой корректной работы ВЭУ является ее запуск. При вращении ортогонального ротора, на его лопасти действует пульсирующий ветровой поток, создаются силы тяги, и в итоге вращающий аэродинамический момент поддерживающий его движение. Но для выхода на рабочий режим ротор необходимо раскрутить. Применение устройства принудительной раскрутки малопривлекательна, т. к. усложняется конструкция ВЭУ, требуются дополнительные затраты. Для самостоятельной раскрутки ротора одним из оптимальных решений является переход к двухъярусной конструкции (Рисунок 5).

Рис. 5. Исследуемые двухъярусные роторы. 1 – 6-лопастной, 2 – 4-лопастной

Так, в работе [11] были проведены экспериментальные исследования роторов с двумя и тремя лопастями в каждом ярусе. В ходе работы авторы меняли частоту вращения и ширину лопастей, получив в итоге вывод о том, что с увеличением ширины рабочей лопасти аэродинамический момент возрастает.

Большое внимание так же уделяется влиянию траверс на аэродинамику конструкций ветроколес.

Потери мощности потока, возникающие из-за вращения траверс, были определены для всех моделей, они достигали высоких значений (до 40%), и имели одинаковый порядок для каждой установки. Основными причинами, вызывающими эти потери, являются отрывное обтекание траверс и силы вязкого трения. Эти потери по-разному ведут себя при различной геометрии конструкций. В модельных испытаниях и натурных условиях характеристики они будут различны, так что для реальных конструкций можно ожидать потери, в следствии вращения траверс, несколько меньше лабораторных.

Вывод. Проведенные исследования показывают большие перспективы ветроэнергетических установок с ортогональным ротором. Эти установки работают при любом направлении ветрового потока и не требуют устройств ориентации. При определенных конструкционных доработках могут иметь высокий уровень энергетических характеристик, не уступающий лучшим образцам ВЭУ пропеллерного типа. Основными направлениями улучшения характеристик является применение многоярусности, совершенствование конструкций траверс и применение ускорителей потока.

Литература:

1. Галась М. И., Дымковец Ю. П., Акаев Н. А. и др. О целесообразности создания вертикально-осевых ветроэлектрических установок мегаваттного класса // Энерг. стр-во. – 1991. – № 3. – С. 33–37.
2. Турян К. Дж., Стрикленд Дж. Х., Берг Д. Э. Мощность ветроэлектрических агрегатов с вертикальной осью вращения // Аэрокосм. техника. – 1988. – № 8. – С. 105–121.
3. 3.Горелов Д. Н. Проблемы аэродинамики ветроколеса Дарье// Теплофизика и аэромеханика. Т. 10. – 2003. – №1. – С. 47-51.
4. Гребешов Э. П.,Сагоян О. А. Гидродинамические характеристики колеблющегося крыла, выполняющего функции несущего элемента и двигателя // Тр. центр. аэрогидродинам. ин-та. Вып. 1725. – 1976. – С. 3–30.
5. Горелов Д. Н. Аналогия между машущим крылом и ветроколесом с вертикальной осью вращения// Прикладная механика и техническая физика. Т. 10 – 2009. – № 2. – С. 152−155.
6. Пат. на полезную модель 90850 РФ, МПК F03D 7/06. Ротор ветродвигателя / Д. А. Морозов, А. Э. Пушкарев. – № 2009128668/22 ; Заявлено 24. 07.2009. – Опубл. 20.01.2010. – Бюл. № 2. – 2 с.
7. Решетчатые крылья / под ред. С. М. Белоцерковского. – М.: Машиностроение, 1985. – 320 с.
8. Пушкарев А. Э, Пушкарева Л. А. Динамический синтез ветроустановки, работающей в области малых скоростных потоков // Современное машиностроение. Наука и образование. – 2011 – №1. –С. 347-351.
9. Пат. на полезную модель 2043536 РФ / Ветроэнергетическая установка / В. Ф. Раковский; Заявлено 07.05.1990.
10. Пат. на полезную модель 2024781 РФ / Ветросиловая установка / В. С. Боцвин; Заявлено 28.03.1991.
11. Горелов Д. Н., Вьюгов В. В., Кривоспицкий В. П. Экспериментальное исследование двухъярусного ротора Дарье // Теплофизика и аэромеханика. Т.12. – 2005. – № 2. С. 243–248.

Основные термины (генерируются автоматически): ветровый поток, ротор, машущее крыло, ортогональный ротор, ветровая энергия, лопасть, относительная толщина, пропеллерный тип, сила тяги, шнековая турбина.

Создаем ветрогенератор Савониуса своими руками

Содержание

1. Что представляет собой ротор Савониуса
2. Особенности вертикально-осевых роторов
3. Использование автомобильного генератора
4. Изготовление ротора Савониуса
5. Рекомендуемые товары

Применение ветрогенераторов становится все более распространенным способом производства электроэнергии. Они довольно просты, не требуют слишком значительного ухода и частых ремонтов, позволяют обеспечить электроэнергией частный дом или служат источником дополнительного питания для освещения и т.д. Стоимость готового комплекта слишком высока, что служит поводом проявить свои конструкторские способности и заняться изготовлением ветряка своими руками. Рассмотрим одну из наиболее известных и распространенных конструкций ветрогенераторов.

Что представляет собой ротор Савониуса

Ветрогенератор или, точнее, ротор Савониуса — это конструкция с вертикальной осью вращения. Лопасти такого ротора представляют собой изогнутые плоскости, объединенные обычно по 2 шт. Это вызвано тем, что большая площадь лопастей вызывает сильные противодействующие нагрузки, когда потоком ветра создается давление на тыльные стороны. Создается компенсирующее давление, уравновешивающее воздействие на обе стороны лопаток, что создает трудности при запуске.

Существуют и конструкции с большим количеством лопастей, но они немного изменены — разнесены в стороны и имеют относительно небольшую площадь. Такой вариант применяется при использовании тяжелых роторов, нуждающихся в сильном крутящем моменте для работы, и разнос лопастей относительно оси создает рычаг, увеличивающий усилие вращения.

На первый взгляд, ротор Савониуса неработоспособен, поскольку задняя сторона лопастей создает сильное сопротивление вращению оси. Но это не так. Потоки ветра, попадающие на заднюю часть лопатки, благодаря ее закругленной форме мягко омывают ее и делятся на две части. Одна уходит в сторону, а другая соскальзывает на рабочую сторону второй лопасти и способствует усилению ее вращения.

Этот эффект хорошо проявляется только при 2 лопастях, расположенных диаметрально, поэтому для увеличения крутящего момента используют пары лопастей, установленных друг под другом с поворотом относительно вертикальной оси на 90°.

Особенности вертикально-осевых роторов

Вертикальные конструкции имеют меньшую эффективность по сравнению с горизонтальными. Это их основной и общепризнанный недостаток. При этом, вертикальные конструкции намного удобнее в самостоятельном изготовлении. Они не нуждаются в системе наведения на ветер, что является обязательным для горизонтальных роторов. Кроме того, независимость от угла атаки ветра позволяет существенно снизить вес вращающейся части, что облегчает запуск при относительно слабых ветрах.

Помимо уже известного нам ротора Савониуса распространены другие типы вертикально-осевых конструкций:

• ротор Дарье
• ротор Ленца ортогональный
• геликоидный

Обилие конструкций позволяет выбрать наиболее доступную для самостоятельного изготовления. Основная задача мастера — понять специфику избранной для повторения системы, усвоить принцип ее действия. Все допущенные ошибки обычно выражаются трудностями при запуске вращения и большим весом ротора, который создает чрезмерную нагрузку на опорные конструкции и обладает большой инерцией покоя. В сети имеется множество роликов с описаниями самодельных ветрогенераторов. Вот, например, репортаж о создании ротора Ленца:

Особенностью конструкции является сочетание подъемной силы лопастей, имеющих в сечении форму крыла самолета, с дополнительными уступами на внешней части лопастей, увеличивающими ветровое давление на них и усиливающими крутящий момент.

Подобных конструкций имеется немало, что подтверждает возможность создания своими руками ветрогенератора без крупных денежных вложений.

Использование автомобильного генератора

Одним из необходимых элементов ветрогенератора является собственно генератор, устройство, преобразующее энергию вращения в электрический ток.

Существуют разные пути решения вопроса, от самодельных конструкций, до использования мотор-колеса или иных готовых устройств. Одним из эффективных вариантов является автомобильный генератор. Это готовая конструкция, не нуждающаяся в каких-либо существенных изменениях или переделках.

Применение автомобильных генераторов сокращает время изготовления ветрогенератора, снимает заботу о создании генератора своими руками (часто с неясным результатом).

Приведенный видеоролик достаточно подробно и наглядно демонстрирует процесс доработки, установки и прочих действий с автомобильным генератором при создании ветряка.

Изготовление ротора Савониуса

Конструкция Савониуса, при всех своих недостатках, наиболее удобна для создания своими руками. Она не требует создания лопастей со сложными криволинейными поверхностями или сечением, способствующим созданию подъемной силы. Для изготовления лопастей Савониуса подойдут любые криволинейные элементы из продольно разрезанных пластиковых труб, металлических бочек, загнутых самостоятельно металлических листов.

Для изготовления ротора достаточной величины прежде всего потребуется ось вращения, установленная на подшипники. Наиболее распространена конструкция, когда часть вала, на которой будут закреплены лопасти, выходит из проходной ступицы с подшипником и остается свободной, чтобы не создавать препятствий для движения лопаток. Нижняя часть вала проходит через второй подшипник и оснащается шкивом для передачи вращения на мультипликатор (устройство, увеличивающее скорость вращения) или непосредственно на генератор.

Изготовление лопаток требует наличия материала. Как уже говорилось, используются изначально загнутые элементы, или применяются стальные листы (например, из оцинкованной стали), профиль которым придается самостоятельно. Выбор того или иного варианта — вопрос доступности или возможностей мастера, но если лопатки делаются полностью самостоятельно, то не возникает зависимости от размеров труб, бочек или иных цилиндров.

Установка лопаток производится на прямой линии, проходящей через ось вращения. При монтаже большого количества лопаток может получиться ситуация, когда ротор находит устойчивое положение и не запускается даже при относительно большой скорости ветра, что требует приложения к нему стартового импульса. Необходимо также следить за весом конструкции и стремиться всячески снизить его, но не в ущерб прочности. Легкая вращающаяся часть начинает движение при меньших скоростях ветра, поэтому чрезмерно увеличивать массу ротора нецелесообразно.

Рекомендуемые товары

 

 

Как вам статья?

аэродинамика — Каковы преимущества неортогонального (ножничного) рулевого винта?

спросил 5 лет, 6 месяцев назад

Изменено 3 года, 5 месяцев назад

Просмотрено 8к раз

$\begingroup$

Почему хвостовой винт некоторых вертолетов (например, Boeing AH-64 Apache) сделан из неортогональных (ножничных) лопастей?

Каковы аэродинамические преимущества (или любые другие преимущества) по сравнению с ортогональным крестообразным вариантом?

(Источник)

• аэродинамика
• вертолет
• хвост
• конфигурация
• хвостовой винт

$\endgroup$

3

$\begingroup$

(Источник)

В комментариях и ответах уже сказано, что это для шумоподавления. Что более интригующе, так это как:

Лопасти не компланарны (изображение).

Хвостовой винт Apache вращается по часовой стрелке (видео), если смотреть с левого борта. Ближайшие к зрителю лопасти (ближайшая плоскость) являются ведущими лопастями каждой группы. Группа — это две сближенные лопатки независимо от плоскости, например, 1 и 2, как указано выше, — это группа, 1 — ведущая.

Тяга рулевого винта направлена ​​от наблюдателя (слева направо), что означает, что наблюдатель смотрит на напорную сторону винта.

Ниже слева показано, как это выглядит из-за Apache. Такое расположение позволяет задним лопастям (2 и 4) пропускать след от лопастей впереди (и ближе всего к ним).

(собственная работа) Слева: Apache; Справа: компланарное нормальное расстояние. Вид сзади, тяга слева направо.

Эта ножничная конфигурация L, известная как , в которой нижняя лопасть является ведущей, обеспечивает большую тягу благодаря лучшему взаимодействию.

---

На основании экстраполяции результатов испытаний и расчетов увеличение тяги по сравнению с обычным четырехлопастным винтом тех же размеров составляет около 10 %. Рождественский объясняет неспособность Белла прийти к подобным выводам тем, что они использовали очень маленькую модель.

И тише

Измерения шума во время пролета проводились с помощью Havoc с четырехлопастным хвостовым винтом типа «ножницы» и трехлопастным рулевым винтом от Hind. Два ротора издавали примерно одинаковый шум на низкой скорости, но на высокой скорости ножничный ротор был тише. Основное снижение было в «широкополосном» диапазоне частот от 600 Гц до 2000 Гц. Большая часть шума на этих частотах связана с эффектами работы хвостового винта в спутанном следе несущего винта. В этой ситуации ножничный ротор, по-видимому, больше похож на двухлопастной ротор.

(Вертолетная аэродинамика, том II, стр. 72.)

$\endgroup$

5

$\begingroup$

Источник изображения

Хвостовой винт Apache состоит из двух 2-лопастных качающихся винтов, называемых ножничными винтами. Эта необычная конфигурация была впервые реализована компанией Hughes Helicopters в конце 1960-х годов для снижения шума вертолета OH-6. У OH-6 был одиночный двухлопастный качающийся хвостовой винт, который Хьюз хотел вращать медленнее для снижения уровня шума.

Для сохранения той же тяги был установлен второй идентичный ротор, который не мог быть установлен под углом 90 градусов из-за помех. Получившийся в результате двойной качающийся ножничный ротор имел хороший шумовой профиль — наши уши менее чувствительны к более низким частотам, а доминирующая частота ножничного ротора составляет два на оборот вместо 4 на оборот для 90°.

Команда Hughes минимизировала новые изобретения и реализовала это решение для конкурса Advanced Attack Helicopter из 1972, который они выиграли. Лопасти хвостового винта Apache установлены под углом 55 градусов, что уменьшает гармоники и уровни давления в звуковом профиле.

Источник (стр. 69)

Из этой ссылки:

Четырехлопастной хвостовой винт необычен тем, что лопасти расположены не равномерно с интервалом в 90°, а под углом 55° и 125°. Это позволяет значительно снизить уровень шума.

В этом справочнике Mindef описывается опыт использования оригинальной конфигурации AH-64 с Т-образным хвостовым оперением.

$\endgroup$

$\begingroup$

Я думаю, что это для снижения шума, вот частичная информация взаимодействия, которые могут возникнуть во время эксплуатации винтокрылого аппарата. Эти взаимодействия могут вызвать нежелательный шум и привести к неприемлемому снижению производительности,

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Асимметричная хореография в парах ортогональных роторов

. 31 января 2018 г.; 3(1):1293-1297.

doi: 10.1021/acsomega.7b01580. Epub 2018 30 января.

Антонио Родригес-Фортеа ¹ , Йиржи Калета ² , Сесиль Мезьер ³ , Магали Аллен ³ , Энрик Канаделл ⁴ , Павел Взитек ⁵ , Йозеф Михл ^{2 6} , Патрик Бэйтейл ³

Принадлежности

• ¹ Кафедра физической и неорганической химии, Университет Ровира-и-Вирджили, Марсель-ли-Доминго 1, 43007 Таррагона, Испания.
• ² Институт органической химии и биохимии Академии наук Чешской Республики, Флемингово нам, 2, Прага 6, 16610 Прага, Чешская Республика.
• ³ Laboratoire MOLTECH-Anjou, CNRS UMR 6200, Université d’Angers, 49045 Angers, Франция.
• ⁴ Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), Campus de la UAB, 08193 Беллатерра, Испания.
• ⁵ Laboratoire de Physique des Solides, CNRS & Université de Paris-Sud, 91405 Орсе, Франция.
• ⁶ Кафедра химии и биохимии, Колорадский университет в Боулдере, Боулдер, Колорадо 80309-0215, США.

• PMID: 29399655
• PMCID: PMC5793037
• DOI: 10. 1021/acsomega.7b01580

Бесплатная статья ЧВК

Антонио Родригес-Фортеа и др. АСУ Омега. 2018 .

Бесплатная статья ЧВК

. 31 января 2018 г.; 3(1):1293-1297.

doi: 10.1021/acsomega.7b01580. Epub 2018 30 января.

Авторы

Антонио Родригес-Фортеа ¹ , Йиржи Калета ² , Сесиль Мезьер ³ , Магали Аллен ³ , Энрик Канаделл ⁴ , Павел Взитек ⁵ , Йозеф Михл ^{2 6} , Патрик Бэтэйл ³

Принадлежности

• ¹ Кафедра физической и неорганической химии, Университет Ровира-и-Вирджили, Марсель-ли-Доминго 1, 43007 Таррагона, Испания.
• ² Институт органической химии и биохимии Академии наук Чешской Республики, Флемингово нам, 2, Прага 6, 16610 Прага, Чешская Республика.
• ³ Laboratoire MOLTECH-Anjou, CNRS UMR 6200, Université d’Angers, 49045 Angers, Франция.
• ⁴ Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), Campus de la UAB, 08193 Беллатерра, Испания.
• ⁵ Laboratoire de Physique des Solides, CNRS & Université de Paris-Sud, 91405 Орсе, Франция.
• ⁶ Кафедра химии и биохимии, Колорадский университет в Боулдере, Боулдер, Колорадо 80309-0215, США.

• PMID: 29399655
• PMCID: PMC5793037
• DOI: 10. 1021/acsomega.7b01580

Абстрактный

Асимметричный механизм коррелированного движения, происходящего в невзаимодействующих парах соседних ортогональных 1,4-бис(карбоксиэтинил)бицикло[1.1.1]пентановых (BCP) ротаторов 1 в твердом состоянии распущен, и показано, что он играет важную роль в понимании динамики кристаллического ротора, Bu ₄ N ⁺ [ 1 ^— ]·H ₂ O. Монокристалл Рентгеновская дифракция и расчет энергий взаимодействия ротор-ротор в сочетании с экспериментами по спин-решеточной релаксации при переменной температуре и переменном поле ¹ H привели к идентификации и микроскопическому обоснованию двух различных процессов релаксации.

Заявление о конфликте интересов

gov/pub-one»> Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Цифры

Рисунок 1

(A) Пара слоев…

Рисунок 1

(A) Пара слоев цепочек анионов с водородными связями 1 , которые укладываются друг на друга…

Рисунок 1

(А) А пара слоев цепочек анионов с водородными связями 1 , уложенных друг на друга вдоль c в Bu ₄ N ⁺ [ 1 ^– ]·H _{273 O (2 4} N ⁺ опущены для ясности). Молекулы воды, связанные водородными связями, имеют ортогональную конфигурацию. из двух слоев в паре; (Б) С–Н···Н–С (синие пунктирные линии) и C–H···O (красные пунктирные линии) линии) водородные связи, определяющие ротор-ротор и ротор-карбоксилат взаимодействия соответственно. И большинство (0,71), и меньшинство (0,29) позиции заполнения (более темные и более светлые атомы и линии соответственно) представлены вращатели BCP, находящиеся в динамическом равновесии в решетке.

Рисунок 2

Переменная температура ¹ H спин-решеточная релаксация…

Рисунок 2

Переменная температура ¹ H время спин-решеточной релаксации, Т ₁ ^–1 , в 57 и…

фигура 2

С переменной температурой ¹ H спин-решетка расслабление время, T ₁ ^–1 , в 57 и 209 МГц для статического кристаллического образца Bu ₄ N ⁺ [ 1 ^– ]·H ₂ O. Красный а синие сплошные линии представляют соответствие данных шкале Кубо-Томита. формула, τ _c = τ ₀ EXP ( E _A / KT ), давая E _A1 = 823 K (1,63 KCAL ^{— 1} ) и K (1,63 KCAL ^{— 1} ) и E (1,63 KCAL ^{— 1} ) и E (1,63 ккал ^{— 1} ) и . ^–1 ) соответственно, а время корреляции попыток τ ₁ = 5,6 × 10 ^–13 с и τ ₂ = 4,4 × 10 ^–13 с соответственно.

Рисунок 3

Большинство-большинство (ма-ма), большинство-меньшинство (ма-ми) и…

Рисунок 3

Конфигурации большинство-большинство (ма-ма), большинство-меньшинство (ма-ми) и меньшинство-меньшинство (ми-ми), заданные кристаллической структурой…

Рисунок 3

Большинство-большинство (ма-ма), большинство-меньшинство (ma-mi) и конфигурации меньшинство-меньшинство (mi-mi) определяется кристаллической структурой (рис. 1).

Схема 1

Схема 1

Схема 1

Рисунок 4

(A) Два протокола для…

Рисунок 4

(A) Два протокола для оптимизации геометрии: Либо (i) θ ₁ дано…

Рисунок 4

(А) Два протоколы для оптимизации геометрии: Либо (i) θ ₁ задается заданное значение и геометрия трех лопаток каждого ротора оптимизирован или (ii) θ ₁ и θ ₂ заданы заданные значения, чтобы вызвать движение обоих роторов (см. текст), а геометрия оптимизирована. Расчетные энергетические профили для пар ma-ma (B) и ma-mi (C) ротаторов BCP (подробное объяснение см. в тексте).

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Кристаллические массивы пар молекулярных роторов: коррелированное движение, вращательные барьеры и нарушение симметрии пространственной инверсии из-за конформационных мутаций.

  Лемучи К., Илиопулос К., Зорина Л., Симонов С., Взиетек П., Коши Т., Родригес-Фортеа А., Канаделл Э., Калета Дж., Михл Дж., Джиндре Д., Хрисос М., Батайл П. Лемучи С. и соавт. J Am Chem Soc. 2013 26 июня;135(25):9366-76. дои: 10.1021/ja4044517. Epub 2013 14 июня. J Am Chem Soc. 2013. PMID: 23725407

• Дизайн и оценка кристаллического гибрида молекулярных проводников и молекулярных роторов.

  Лемучи С., Мезьер С., Зорина Л., Симонов С., Родригес-Фортеа А., Канаделл Э., Взитек П., Обан-Сензье П., Паскье С., Джамарчи Т., Гарсия-Гарибай М.А., Батайл П. Лемучи С. и соавт. J Am Chem Soc. 2012 9 мая;134(18):7880-91. дои: 10.1021/ja301484b. Epub 2012, 25 апреля. J Am Chem Soc. 2012. PMID: 22500581

• Наноразмерная динамика вращения четырех независимых вращателей, заключенных в тесных кристаллических слоях.

  Родригес-Фортеа А., Канаделл Э., Взиетек П., Лемучи С., Аллен М., Зорина Л., Батайл П. Родригес-Фортеа А. и др. Наномасштаб. 2020 21 апр;12(15):8294-8302. doi: 10.1039/d0nr00858c. Epub 2020 1 апр. Наномасштаб. 2020. PMID: 32236227

• Сверхбыстрые роторы для молекулярных машин и функциональных материалов с помощью галогенной связи: кристаллы 1,4-бис(иодоэтинил)бицикло[2. 2.2]октана с отчетливым гигагерцовым вращением в двух точках.

  Лемучи С., Фогельсберг С.С., Зорина Л., Симонов С., Батайл П., Браун С., Гарсия-Гарибай М.А. Лемучи С. и соавт. J Am Chem Soc. 2011 27 апреля; 133 (16): 6371-9. doi: 10.1021/ja200503j. Epub 2011 6 апр. J Am Chem Soc. 2011. PMID: 21469644

• Поляризация, индуцированная квантовым ротором.

  Мейер Б. Мейер Б. Magn Reson Chem. 2018 июль; 56 (7): 610-618. doi: 10.1002/mrc.4725. Epub 2018 15 апр. Magn Reson Chem. 2018. PMID: 29460384 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Каскадная динамика нескольких молекулярных роторов в MOF: эталонная мобильность при температуре в несколько градусов Кельвина и управление динамикой с помощью CO ₂ .

  Перего Дж., Безуиденхаут К.С., Бракко С., Прандо Г., Маркио Л., Негрони М., Карретта П., Соццани П., Комотти А. Перего Дж. и др. J Am Chem Soc. 2021 25 августа; 143(33):13082-13090. doi: 10.1021/jacs.1c03801. Epub 2021 13 августа. J Am Chem Soc. 2021. PMID: 34388339Бесплатная статья ЧВК.

• Взгляд на нековалентные взаимодействия на каркасе бицикло[1.1.1]пентана.

  Гровер Н., Фланаган К.Дж., Трухильо К., Кингсбери К.Дж., Сенге М.О. Гровер Н. и соавт. Европейский J Org Chem. 2021 19 февраля; 2021(7):1113-1122. doi: 10.1002/ejoc.202001564. Epub 2020 22 декабря. Европейский J Org Chem. 2021. PMID: 33776556 Бесплатная статья ЧВК.

• Связывание и конформационный контроль порфириновых звеньев с помощью нетрадиционных жестких каркасов.

  Гровер Н., Локк Г.М., Фланаган К.Дж., Бех М.Х.Р., Томпсон А., Сенге М.О. Гровер Н. и соавт. Химия. 2020 21 февраля; 26 (11): 2405-2416. doi: 10.1002/chem.201

  9. Epub 2020 21 января. Химия. 2020. PMID: 31697426 Бесплатная статья ЧВК.

• Происхождение изотропного движения в кристаллических молекулярных роторах с карбазольными статорами.

  Колин-Молина А., Йеллен М.Дж., Гарсия-Кесада Э., Сифуэнтес-Кинталь М.Е., Мурильо Ф., Барросо Х., Перес-Эстрада С., Тоскано Р.А., Мерино Г., Родригес-Молина Б. Колин-Молина А. и соавт. хим. наук. 2019 20 марта; 10 (16): 4422-4429. doi: 10.1039/c8sc04398a. Электронная коллекция 2019 28 апр. хим. наук. 2019. PMID: 31057769 Бесплатная статья ЧВК.

Рекомендации

1. 1. Лемучи С. ; Мезьер К.; Зорина Л.; Симонов С.; Родригес-Фортеа А.; Канаделл Э.; Взитек П.; Обан-Сензье П.; Паскье К.; Джамарчи Т.; Гарсия-Гарибай М.А.; Батайл П. Дизайн и оценка кристаллического гибрида молекулярных проводников и молекулярных роторов. Варенье. хим. соц. 2012, 134, 7880–7891. 10.1021/ja301484b. — DOI — пабмед
2. 1. Калета Дж.; Нечас М.; Mazal C. 1,3-диэтинилбицикло[1.1.1]пентан, полезный молекулярный строительный блок. Евро. Дж. Орг. хим. 2012, 4783–4796. 10.1002/ejoc.201200351. — DOI
   2. Калета Дж. ; Михл Дж.; Мазал С. Т-образные молекулярные строительные блоки путем комбинированного замещения мостика и мостика на бицикло[1.1.1]пентанах. Дж. Орг. хим. 2010, 75, 2350–2356. 10.1021/jo100169б. — DOI — пабмед
   3. Калета Дж.; Янушек З.; Нечас М.; Мазал С. Молекулярные стержни, объединяющие о-карборановую и бицикло[1.1.1]пентановую клетки: вставка тройной связи, расположенная рядом с сильно натянутой клеткой. Металлоорганика 2015, 34, 967–972. 10.1021/ацс.органомет.5б00002. — DOI
   4. Чиполлони М. ; Калета Дж.; Машат М.; Дрон П.И.; Шен Ю.; Чжао К.; Роджерс CT; Шумейкер Р.К.; Михл Дж. Анизотропия флуоресценции с временным разрешением молекулярных стержней на основе бицикло[1.1.1]пентана/толана, включенных в трис(о-фенилендиокси)циклотрифосфазен (ТФП). Дж. Физ. хим. С 2015, 119, 8805–8820. 10.1021/acs.jpcc.5b01960. — DOI — ЧВК — пабмед
3. 1. Ивамура Х.; Мислоу К. Стереохимические последствия динамического зацепления. Акк. хим. Рез. 1988, 21, 175–182. 10.1021/ar00148a007. — DOI
   2. Накамура М.; Кисимото К.; Кобори Ю.; Абэ Т.; Йоза К.; Кобаяши К. Самособирающийся молекулярный механизм: комплекс тетраарилпорфирина Rh(III)Cl и тетра(п-пиридил)кавитанда в соотношении 4:1. Варенье. хим. соц. 2016, 138, 12564–12577. 10.1021/jacs.6b07284. — DOI — пабмед
   3. Цзян Х.; О’Брайен З. Дж.; Ян С. ; Лай Л. Х.; Буэнафлор Дж.; Тан С.; Хан С.; Хоук К.Н.; Гарсия-Гарибай М. А. Текучесть кристаллов, отражаемая быстрым вращательным движением в ядре, ветвях и периферических ароматических группах дендримерного молекулярного ротора. Варенье. хим. соц. 2016, 138, 4650–4656. 10.1021/jacs.6b01398. — DOI — ЧВК — пабмед
   4. Санада К.; Убе Х.; Шионоя М. Вращательный контроль надмолекулярной четырехступенчатой ​​​​системы с дирродием в центре путем обмена лигандами. Варенье. хим. соц. 2016, 138, 2945–2948. 10.1021/jacs.5b13515. — DOI — пабмед
   5. Франц Д.К.; Линден А .; Болдридж К.К.; Сигель Дж. С. Молекулярные цилиндрические зубчатые колеса, содержащие вращатели из триптицена и статоры на основе бибензимидазола. Варенье. хим. соц. 2012, 134, 1528–1535. 10.1021/ja2063346. — DOI — пабмед
4. 1. Лемучи С. ; Илиопулос К.; Зорина Л.; Симонов С.; Взитек П.; Коши Т.; Родригес-Фортеа А.; Канаделл Э.; Калета Дж.; Михл Дж.; Джиндре Д.; Хрисос М.; Батайл П. Кристаллические массивы пар молекулярных роторов: коррелированное движение, вращательные барьеры и нарушение пространственной инверсионной симметрии из-за конформационных мутаций. Варенье. хим. соц. 2013, 135, 9366–9376. 10.1021/ja4044517. — DOI — пабмед
   2. Бастьен Г.; Лемучи С.; Аллен М.; Взитек П.; Родригес-Фортеа А.; Канаделл Э.; Илиопулос К.; Джиндре Д.; Хрисос М.; Батайл П. Переключение передач на нейтраль в полиморфе одномерных массивов зубчатых пар молекулярного ротора.