Бонусы крыльевой решетки. Статья №52. 15.08.17.


В статье “Энергия крыла” уже отмечалась парадоксальность поведения крыла при уменьшении угла атаки. Полная аэродинамическая сила, действующая на крыло, достигает своего максимума вовсе не при поперечном расположении крыла относительно потока.


На рис. 1, для сравнения, представлена зависимость коэффициентов подъёмной силы (Су) и силы лобового сопротивления (Сх) для жёлоба с полнотой профиля 1/10 и для плоской пластины. При угле атаки α = 15º суммарная аэродинамическая сила на жёлобе максимальна. При столь малом угле атаки живое сечение потока, непосредственно взаимодействующее с крылом, составляет всего лишь четверть (26 %) от полного сечения потока. Получается, что четвёртая часть движущихся частиц воздуха создаёт, при взаимодействии с полого установленным крылом, бóльшую силу, чем весь поток, налетающий на поперечно стоящее крыло.

Но, быть может, в силовое взаимодействие с крылом активно вступают дополнительные слои воздушного потока, непосредственно примыкающие к рабочему ядру струи ? Крыло на малых углах атаки, как бы, подсасывает соседние струйки и за счёт этого получает от потока больший импульс силы, чем можно было бы ожидать.

Ответ на этот вопрос может дать аэродинамическая продувка нескольких одинаковых крыльев, установленных в потоке с равным шагом.


Комбинация из нескольких крыльев, расположенных в ряд, получила в аэродинамике название ”крыльевая решётка”.

В отличие от одиночного крыла, при обтекании крыльевой решётки всё сечение потока вступает в силовое взаимодействие с крыльевыми профилями. При этом на долю каждого отдельного крыла приходится строго определённая часть всего потока. При таком взаимодействии с потоком уже неоткуда взяться дополнительным струйкам, добавляющим свою долю силового действия (импульса). Логично было бы ожидать, что удельная аэродинамическая сила, действующая на единицу площади крыла в составе крыльевой решётки, окажется меньше удельной силы, действующей на одиночное крыло. Именно такое объяснение дают аэродинамики, для оправдания пониженной эффективности работы лопасти ветряка при большом количестве лопастей.

Однако, первые же аэродинамические продувки крыльевых решёток полностью опровергли вполне логичное предположение.

Удельная аэродинамическая сила, возникающая при обтекании крыльевой решётки, оказалась не меньше, а напротив, заметно больше удельной силы на одиночном крыле.

На малых углах атаки подъёмная сила у крыльевой решётки примерно вдвое превышает эту же силу на одиночном крыле (рис. 3).

Столь неожиданное удвоение аэродинамической силы не укладывается в физическую модель обмена импульсами между потоком и крылом: сила на крыльевой решётке оказывается больше силы, отклоняющей поток.

Крыло, в очередной раз, щедро предоставляет инженерам бесплатный бонус, способствуя более успешному конструированию турбин.


Даже при нулевом угле атаки коэффициент подъёмной силы Сп превышает единицу (динамический напор ρV2/2), а при угле атаки 10 градусов Сп превышает три единицы.

Выходит, что плотное соседство крыльев друг с другом не ухудшает, а даже улучшает их аэродинамические параметры.

Приведённая на рис. 3 диаграмма взята из вузовского учебника по гидравлике Френкеля Н.З., изданного в 1956 г.

Таким образом, крыльевая решётка с полого установленными крыльями, разогнанная до скорости, в разы превышающей скорость потока, - это тот идеал турбины, который способен извлекать из потока газа или жидкости максимум энергии.

Самое удивительное, что этот максимум может значительно превышать кинетическую энергию самого потока.

Разумеется, избыточная энергия откуда-то черпается. В нашем случае источником дополнительной энергии является поле земного тяготения, обеспечивающее сжатие воздушных или водяных масс, используемых в турбине.

Дело в том, что движущая сила, толкающая лопасть, состоит из двух частей: напора на вогнутой поверхности лопасти и разрежения на её выпуклой поверхности.

Сумма напора и разряжения определяет результирующую силу на лопасти. При этом, величина разрежения на, так называемой, подветренной стороне крыла-лопасти обычно вдвое, а то и втрое превышает величину напора на наветренной стороне. В случае крыльевой решётки, вклад разрежения может в целых пять раз превышать вклад напорной составляющей.

Именно это парадоксальное превышение разрежения над напором делает крыло-лопасть чудесным инструментом извлечения энергии из окружающей среды.

Чем выше статическое давление потока, тем более высокая степень разрежения может быть достигнута на подветренной поверхности крыла.

Надо сказать, что с позиции термодинамики, само по себе давление жидкости не связано напрямую с её внутренней энергией.

Давление несжимаемой жидкости, например, воды формально не имеет к её внутренней энергии никакого отношения, в силу исключительно малой сжимаемости воды. Поэтому придание статическому давлению воды статуса энергетического потенциала (в уравнении Бернулли), мягко говоря, не корректно.

Давление сжимаемой жидкости, например, воздуха может рассматриваться в качестве показателя уровня внутренней энергии, только в паре с параметром плотности. Энергетическим потенциалом для газа является давление, делённое на плотность (Р/ρ), что эквивалентно параметру температура. При простом увеличении давления газа без увеличения его температуры параметр Р/ρ остаётся неизменным, что означает неизменность внутренней энергии газа.

Стало быть, извлечение внутренней энергии из потока воздуха в ветрогенераторе или извлечение внутренней энергии из потока воды в гидротурбине – практически нереально.

Высокая степень разрежения на подветренной стороне крыла-лопасти обеспечивает доступ не к внутренней энергии жидкости, а к внешней энергии окружающей среды, например, к энергии земной атмосферы, которая подобна огромному неиссякаемому энергетическому аккумулятору.

Явное запаздывание технологий, обеспечивающих прямое извлечение энергии, рассеянной в окружающем пространстве, объясняется, в частности, тем, что природа возникновения разрежения на выпуклой стороне лопасти до сих пор не раскрыта.

Впрочем, отсутствие научного объяснения того или иного природного явления не всегда является барьером на пути полезного использования этого явления. Изобретатели первых самолётов очень смутно представляли себе механизм возникновения подъёмной силы на крыле, но сумели поднять в воздух свои аэропланы.

Для инженера-изобретателя важно не объяснение физического эффекта, а его достоверная фиксация в опытах и возможность управления им в действующих механизмах.

Необычный эффект крыльевой решётки имеет более чем достаточное экспериментальное подтверждение, позволяющее успешно задействовать его, как в воздушных, так и в гидро турбинах нового поколения, которым не нужен ветер и не нужен перепад уровня воды.


Не думайте о том, КАК зарегистрировать
изобретение. Мы сделаем это за вас.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 4020
Надежда Станиславовна Ковальчук.



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку