Ротор Савониуса

Башня из трёх ветряков Савониуса в Акихабаре, Япония

Ротор Савониуса представляет собой тип турбин с вертикальной осью вращения, используемых для преобразования силы ветра в крутящий момент на вращающемся валу. Турбина состоит из нескольких аэродинамических крыльев, обычно — но не всегда, — вертикально установленных на вращающемся валу или раме, размещенных на земле или привязанных к ветровым системам.

История

Ветряк Савониуса был изобретен финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом в 1922 году и запатентован в 1926 году. Ранее европейцы уже много десятилетий экспериментировали с изогнутыми лопастями вертикальных ветряных турбин. Самое раннее упоминание принадлежит епископу графства Чанад Фаусто Веранцио, который также был инженером. В своей книге Machinae novae 1616 года он написал о нескольких ветряных турбинах с вертикальной осью и изогнутыми или V-образными лопастями. Ни один из его или каких-либо других более ранних примеров не достиг уровня Савониуса. В его биографии есть упоминание о его намерении разработать ротор турбинного типа, аналогичный ротору Флеттнера, но самовращающийся. Он экспериментировал со своим ротором на различных небольших гребных судах на озерах Финляндии. Результаты его исследований неизвестны, но эффект Магнуса был подтвержден Феликсом ван Кенигом (1978). Два патента на ветряные турбины были поданы в США Савониусом: один в 1925 году и другой в 1928 году.

Работа устройства

Схематический чертеж двухлопастной турбины Савониуса

Турбина Савониуса — одна из самых простых. Аэродинамически это устройство, состоящее из двух или трех черпаков. Глядя на ротор сверху, машина с двумя черпаками может напоминать букву «S» в поперечном сечении . Из-за своей кривизны ковши испытывают меньше сопротивления при движении против ветра, чем при движении по ветру. Дифференциальное сопротивление заставляет турбину Савониуса вращаться. Поскольку они представляют собой устройства тормозного типа, турбины Савониуса извлекают гораздо меньше энергии ветра, чем другие турбины аналогичного размера. На практике большая часть омываемой площади ротора Савониуса может находиться у земли, если он имеет короткую опору без удлиненной стойки, что делает общий отбор энергии менее эффективным из-за более низких скоростей ветра на более низких высотах. Они имеют ряд преимуществ перед ветряными турбинами с горизонтальной осью, в частности, низкий уровень шума, способность работать при низких скоростях ветра и независимость от направления ветра.

Мощность и скорость вращения

Согласно закону Бетца, максимальная мощность, которую можно извлечь из теоретического идеального ротора, равна $P_{\mathrm {max} }={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho \cdot h\cdot d\cdot v^{3}$, куда $\rho$ это плотность воздуха, $h$ а также $d$ — высота и диаметр ротора и $v$ это скорость ветра. Однако на практике извлекаемая мощность примерно вдвое меньше (можно утверждать, что в каждый момент времени работает только половина ротора — черпак, движущийся вместе с ветром) и зависит от КПД данного ротора.

Таким образом, для теоретического идеального ротора получаем $P_{\mathrm {max} }\approx 0.18\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}$, но средний максимальный КПД $Cp$ ветряной турбины Савониуса составляет около 20 % ($Cp=0.2$), делая реальную извлекаемую силу типичного Савониуса $P_{\mathrm {max} }\approx 0.12\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}$ .

Угловая частота ротора определяется выражением $\omega ={\frac {\lambda \cdot v}{r}}$, где $r$ это радиус и $\lambda$ — безразмерный фактор, являющийся характеристикой каждой конкретной ветряной турбины, для ротора Савониуса λ обычно около единицы.

Так, ротор Савониуса размером с бочку с h = 1 m и г = 0,5 m при ветре v = 10 m/s, будет генерировать максимальную мощность 120 W и максимальной угловой скоростью 20 rad/s (190 оборотов в минуту).

Применение

Комбинированный генератор Савониуса-Дарье на парковке в Тайване

Турбины Савониуса используются, когда стоимость или надежность намного важнее эффективности.

По этой причине большинство анемометров представляют собой турбины Савониуса, поскольку эффективность не имеет отношения к применению для измерения скорости ветра. Гораздо более крупные турбины Савониуса использовались для выработки электроэнергии на глубоководных буях, которым требуется небольшое количество энергии и практически не требуется техническое обслуживание. Конструкция упрощена, потому что, в отличие от ветряных турбин с горизонтальной осью (HAWT), не требуется механизма наведения, позволяющего изменять направление ветра, и турбина запускается автоматически. Савониус и другие машины с вертикальной осью подходят для перекачки воды и других приложений с высоким крутящим моментом и низкой скоростью вращения и обычно не подключаются к электрическим сетям. В начале 1980-х годов Ристо Йоутсинеми разработал версию винтового ротора (вики: fi), которая не требует торцевых пластин, имеет более плавный профиль крутящего момента и автоматически запускается так же, как пара скрещенных прямых роторов.

Наиболее распространенным применением ветряной турбины Савониуса является вентилятор Флеттнера, который обычно можно увидеть на крышах фургонов и автобусов. и используется как охлаждающее устройство. Этот ротор был разработан для вентиляции немецким авиаконструктором Антоном Флеттнером в 1920-х годах. Он использует ветряную турбину Савониуса для привода вытяжного вентилятора. Вентиляционные отверстия по-прежнему производятся в Великобритании компанией Flettner Ventilator Limited.

В Европе небольшие ветряные турбины Савониуса иногда можно увидеть в качестве «анимированных» рекламных вывесок, в которых вращательное движение помогает привлечь внимание к рекламируемому товару. Иногда в них используется простая двухкадровая анимация.

Привязные бортовые турбины Савониуса

• Воздушные ветряные турбины
• Вид воздушных змеев
• Когда ось ротора Савониуса установлена горизонтально и привязана, возникает эффект воздушного змея. Существует множество патентов и продуктов, которые используют чистый подъёмный эффект Магнуса, возникающий при авторотации ротора Савониуса. Такое вращение может быть использовано для производства звука, тепла или электричества.

Галерея

• 
  Работа турбины Савониуса
• 
  WECS с лопастным ротором Савониуса

Ссылки

• Собери свою модель ветряка Савониуса
• Ветряные турбины Windside типа Savonius для использования в экстремальных условиях
• Турбины Савониуса для динамических сред www.spinpower.org
• Как построить ветрогенератор Савониуса