Aerodynamika wirnika

Siła nośna. Nowoczesne elektrownie wiatrowe wykorzystują zaawansowane technologie, niektóre znane z przemysłu

lotniczego, ponieważ muszą pracować w bardzo różnym środowisku, przy zmiennych prędkościach i kierunkach wiatru.

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".

Zjawisko przeciągnięcia. Kiedy kąt natarcia staje się zbyt duży dochodzi do oderwania strug powietrza na grzbiecie płata

i zaniku siły nośnej.

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

1

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 v

2

)

Px = 0,5(Cx S rho v

2

)

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.

Zmiany kierunku strumienia powietrza w łopatach wirnika.

2

3