microbik.ru
1
ЛОПАТКА-КРЫЛО

Чем же крыло принципиально отличается от пластины ?

Конечно же, кривизной профиля ! ! !

Почему это так важно ? Потому, что двигаясь по криволинейной траектории, жидкость (газ) либо прижимается к крыльевому профилю (на “наветренной” стороне), либо отжимается от него (на “подветренной” стороне) под действием сил инерции. Там, где жидкость прижимается, давление под напором жидкости возрастает, а там, где отжимается, давление падает и возникает разряжение относительно давления в потоке. Согласитесь, что это – естественным образом объясняет возникновение подъёмной силы на крыле.

Правда, объясняет качественно, а не количественно. Дело в том, что величина прижимного давления достаточно хорошо соответствует модели центробежного ускорения. Но вот величина “разряжения” несколько выпадает из классической инерционной модели, поскольку сила разряжения на крыле, обычно, больше, чем сила напора.

.
На приведённом рисунке парусное крыло обтекается потоком воздуха на скорости 10 м/сек. Эпюры давления и разряжения – результат аэродинамической продувки, взят из книги Чеслава Мархая “Теория плавания под парусами”. Угол атаки ветра (угол между направлением ветра и хордой крыльевого профиля) равен 20 градусам. Нельзя не заметить, что разряжение, возникающее при обтекании выпуклой поверхности в среднем раза в два больше, чем давление (напор) на вогнутой поверхности. Особенно большая разница – на первой трети крыла (от передней кромки).

Другими словами, разряжение заметно больше, чем ему положено быть, исходя из закона сохранения импульса. Именно этим и привлекательно крыло.

К тому же, разряжение мало зависит от толщины слоя потока на подветренной стороне, в то время, как сила давления на наветренной стороне снижается, если толщина слоя потока оказывается меньше радиуса профиля крыла.

На втором рисунке то же самое крыло и та же самая скорость ветра, только на попутном курсе. Как видим, вся “магия” разряжения на подветренной стороне исчезла.

Это значит, что мы вправе ожидать “чудес” от крыльевых лопастей, только в том случае, когда лопасть обтекается потоком с острым углом атаки. В данном случае термин “острый” означает угол меньше 45 градусов.

Вот поэтому, само по себе, наличие крыльевидных лопаток в турбине ещё не означает, что эта турбина “крылатая”.

Например, турбина Банки (поперечно-струйная). Есть у неё крылья ? В современном исполнении, формально есть. Хотя, в авторском исполнении самого Ричарда Банки, лопасти турбины были плоскими. Подача воды осуществляется по касательной к рабочему колесу, тем самым, обрекая лопатки на “попутный” режим работы. Убегая от потока воды, лопатки, как водится в мельничных колёсах, понижают скорость встречи воды с лопаткой. Следствием этого является малое давление и малое разряжение на лопатке. Кроме того, низкая окружная скорость лопаток (обычно вдвое меньшая, чем у потока воды) понижает снимаемую с колеса мощность, которая прямо пропорциональна скорости вращения лопаток.

Несколько спасает ситуацию повторное взаимодействие воды с лопатками при выходе потока из турбины.

Прежде, чем переключится на турбину Банки в её современном исполнении, бросим беглый взгляд на традиционную водяную мельницу с верхнебойным колесом.


Первый и очень важный момент – верхнебойное колесо – один в один – колесо венгра Банки.

Но есть и отличия. Причём – существенные. Первое отличие состоит в том, что вода на верхнебойное колесо подаётся, практически, без напора. Она “лениво” стекает на колесо с деревянного жёлоба, потому что уровень воды в пруду лишь чуть-чуть выше верхней кромки колеса. Казалось бы, при такой скорости подачи воды на лопатки, нечего и рассчитывать на тягу лопаток в верхнем их положении.

Но, не будем спешить с выводами. Ясно, что окружная скорость лопаток намного больше скорости водяной струи на выходе из жёлоба. Следовательно, вода заметно отстаёт в своём движении от лопасти. Получается, что “стоячая” вода “бежит” относительно лопасти в обратную сторону относительно вращающейся лопасти. Ну, точно, как в архимедовом винте из моей новогодней сказки. Если лопатка не совсем плоская, то это обеспечивает тягу лопасти в сторону вращения колеса. Даже на плоской лопатке небольшая тяга возникнет, благодаря отрицательному углу атаки струи относительно внешней поверхности лопатки.

Не странно ли, вода – почти неподвижна, а тяга есть.

Вот такие чудеса нам и нужны. Вода стоит относительно внешнего наблюдателя, а относительно колеса «бежит». Но на этот «бег» энергия не потрачена (трение не в счёт).

Попав внутрь колеса, вода падает, набирая скорость, пока не натолкнётся на нижние лопасти, которые уже работают с разогнанной водой в обычном режиме.

Обратите внимание на ещё одну интересную деталь на фотографии водяной мельницы: колесо мельницы слегка погружено в воду. Интересно – зачем ?

Глупо предполагать, что умельцы позапрошлого века не понимали нежелательность торможения колеса об воду. Значит, подтопив немного колесо, они рассчитывали на какой-то выигрыш. И правильно рассчитывали. При окружной скорости колеса 5 м/сек разряжение на выходе из слегка подтопленных лопаток составит 0,1 атм. Это дополнительный бонус, почти бесплатный.

Ни в одной научной монографии вы об этом не прочитаете, а умельцы владели этими секретами, не имея никакого образования.
Возвращаемся к турбине Банки в её современном исполнении. Главное отличие от авторской модели - профилированные лопасти. Они дают дополнительные проценты КПД, но при сохранении попутного режима (вода подаётся по касательной к колесу), эффективность турбины не так хороша, как хотелось бы.
Отмечу, что упорное стремление почти всех изобретателей турбин направить поток вслед движению лопатки вытекает из многовекового опыта эксплуатации водяных мельниц, в которых вода толкает колесо. А как же иначе ?

Схожая ситуация имела место и в кораблестроении, когда парусное вооружение было преимущественно ориентированно на попутный ветер. Однако, посещение европейскими колонистами Китая и Индии раскрыло глаза мореходам на совершенно другой принцип работы паруса у китайских джонок, благодаря которому не только увеличивается скорость лодки, но и появляется реальная возможность двигаться навстречу ветру.
В той же турбине Банки можно было бы направить поток не по касательной к рабочему колесу, а перпендикулярно ему. Естественно, и лопатки пришлось бы сориентировать несколько иначе. Примерно так, как ориентирован парус на первом рисунке. Это изменение не только обеспечит повышенную тягу на лопатках, но и даст возможность вдвое увеличить скорость движения лопаток. Но тогда возникает проблема с выходом струи из центра колеса. При жестко закрепленных лопатках выходная струя станет бить по лопаткам самым невыгодным образом и тормозить колесо, что сведёт выигрыш входного обтекания на нет.

Вот поэтому конструкторы новой приливно-отливной ГЭС (Шполянский, Историк и др.) изменили конструкцию поперечно струйной турбины, подвесив лопатки на торсионах, с таким расчётом, чтобы их угол отклонения автоматически менялся бы в зависимости от направления движения потока воды (в центр колеса или из центра).


Внутри красного кожуха можно разглядеть две узкие крыльевые лопатки (всего их в данной турбине шесть). Вода прилива или отлива входит в кожух сплошным потоком и выходит через такое же сечение наружу. При таком малом числе лопаток КПД турбины – под 80%.

Самое интересное, что поток воды, проходя через рабочее колесо, не теряет своей скорости, а значит, и кинетической энергии. И тем не менее, на лопатках вырабатывается ещё 80 % от располагаемой энергии потока. Как это может быть ?
Если считать, что лопатки могут извлекать энергию, только забирая её у воды, то тогда турбина Историка и Шполянского – абсурд. Но её реальная работа показывает, что нет – не абсурд, а просто другая модель генерации энергии.

Кстати, скорость лопаток-крыльев в 1,4 раза превышает скорость потока. Эти крылья работают преимущественно в режиме “галфинд”. Это, как раз, то, что надо.

В данной конструкции можно было бы разогнать крылья и до больших скоростей, повышая эффективность генерации мощности, но на больших скоростях возникают кавитационные эффекты при проходе лопасти вплотную к кожуху. По этой причине скорость лопаток ограничена.
Но ведь есть другая схема крыльевой турбины, в которой лопатки работают в более комфортных условиях, - это турбина Фурнейрона.

О ней будет следующая страничка.