Щит-концентратор воздушного потока

Первая оценка эффективности щита-концентратора

Ветроконцентратор, преграждая поток, создает повышенное давление на наветренной стороне. Задача об истечении жидкости эквивалентна плоскому щиту-концентратору в выходную трубу которого вставлена турбина. Поэтому ветровая плотина имеет ограниченную скорость свободного истечения, определяемую разностью давлений на наветренной и подветренной сторонах.

В технике известны сопла Лаваля, в которых скорость газа в самом узком месте достигает скорости звука, и на выходе разгоняется даже до сверхзвуковых скоростей. Но такой любопытный эффект достигается лишь при отношении давлений по разные стороны устройства превышающего 1,9. В ветроустановках отношение давлений до установки и после составляет величину около 1,01 -1,001. Поэтому рассчитывать на околозвуковые скорости в концентраторах нереально.

Если разместить в выходном отверстии турбину, то скорость потока уменьшится, следовательно, расчет скорости дает предельную, завышенную оценку для ветряка, дает результат для свободного истечения.

Сила, воздействующая на плоскую пластинку, поставленную перпендикулярно потоку, равна

где сx – аэродинамический коэффициент, достигающий максимально 1,3

Разность давлений между передней и задней стороной пластины

Эта формула дает усредненную разность давлений по площади пластины. На самом же деле на передней стороне пластины в центре пластины давление больше, чем по краям. Форма распределения давления близка к круговой. На задней стороне пластины давление отрицательно и примерно одинаково по величине по всей площади пластины. Поэтому разность давлений в центре пластины, где расположено выходное отверстие, будет примерно в 1,2 раза больше среднего давления.

Подставляем полученное выражение в формулу для скорости истечения

Если отверстие мало по сравнению с размером ветроплотины, то струя может достичь максимальной скорости на 21% превышающей скорость потока. Передельное увеличение энергии струи с помощью щита-концентратора составит 78%.

Если допустить, что турбина сможет использовать энергию потока с кпд 90%, то КИЭВ пропеллера, отнесенный к его площади достигнет 1,78*0,9*0,593 = 0,95. Обычные ветряки пропеллерного типа имеют КИЭВ равный 0,42. Поэтому верхняя оценка эффективности концентратора равна 0,95/0,42 = 2,26 раза. Это значит, что концентратор, какого бы большого размера он не был, дает уменьшение площади ветряка равной мощности в 2,3 раза. В 1,5 раза по диаметру.

Рабочий канал с установленным ветряком, скорее всего, должен иметь внутренний канал примерно такой формы, как показано на рисунке. Длина канала сравнима по величине с размерами переднего щита. Разряжение, созданное щитом концентратора, уменьшается по мере удаления от щита. Для создания на заднем срезе канала разряжения необходимо установить еще один расширящийся турбулизатор на заднем срезе.

8 июня 2007г.

Розин М.Н.