Чем же крыло принципиально отличается от пластины

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.