Vrtule, jak známo, je součástí pohonné jednotky a jejím posláním je co nejlépe proměnit energii dodávanou motorem na sílu, zvanou tah. Ta umožňuje letadlům létat, ne se jenom vznášet v povětří. Mnozí stoupenci letectví toho o vrtulích vědí poměrně dost.

Jsou však také, a to mnohem déle, stroje, které mají rotory, jež využívají energii proudícího vzduchu a při tom stojí na místě. Tyto rotory  se nepohybují, pouze se na místě otáčejí. Jsou to po mnoho staletí známé větrné mlýny, později větrná čerpadla a dnes větrné elektrárny.

Vrtulové pohonné jednotky pro letadla by měly s co možná největší účinností urychlovat svými tvary a rozměry vzduch k nim nabíhající a vytvářet tak reakční sílu, která je pohání kupředu. Ne jenom „rozhánět“ za dost velkého hluku vzduch ve svém okolí, jak to ještě stále mnohé z nich vykonávají. Jak to asi vypadá na vrtuli pohybujícího se letadla je zachyceno schematicky na následujícím obrázku.

Vrtule koná za letu dvojí pohyb – rotační a posuvný(dopředný). Když obě z toho vznikající rychlosti geometricky sečteme, dostaneme výsledný směr a velikost rychlosti vzduchu přicházejícího na vrtuli. Směr této rychlosti by měl svírat s tětivou profilu v každé vzdálenosti od osy otáčení takový úhel náběhu, aby umožňoval vytvářet co největší vztlak a zároveň co nejmenší odpor. Tak to má být za letu a proto se se změnou rychlostí letu mají měnit i otáčky vrtule. To jsou vrtule se stavitelnými listy. Pokud tomu tak není a vrtule se například otáčí na hřídeli motoru nebo reduktoru pomaleji než odpovídá její největší účinnosti při dané rychlosti letu, tak vrtule začne let zpomalovat-brzdit. To se ihned projeví změnou hladiny tím vytvářeného hluku.

Pokud letoun stojí na místě a vrtule se pouze  otáčí, pak se na tento stav spotřebovává určitá energie, kterou musí dodat motor. Vzduch nabíhá k listům vrtule pod velkým úhlem náběhu a její účinnost přeměny energie dodávané motorem je nízká. Hluk je zase poměrně velký, protože obtékání jejich listů je provázeno intenzivním vířením.

Při posuzování vlastností té které vrtule používají stále mnozí jejich výrobci údajů sil, který získají na nepohyblivém  zkušebním zařízení  v závislosti na otáčkách. Je to tak zvaný statický tah, který sice napoví něco o tom jak by měla vrtule vypadat, ale není pro posouzení jejich vlastností a výkonů vyčerpávající. Neboť zkušenější vědí, že vrtule se za letu, při původně stejných otáčkách „odlehčí“ a její otáčky se zvýší.   Takže pracuje pod jinými úhly náběhu než na Zemi, kdy se nepohybuje. Způsobil to dynamický proud vzduchu, procházející průřezem rotačního disku vrtule, jakožto účinek nedokonalého obtékání jejich listů.

Mnohého tedy napadne a došlo k tomu již v dávné minulosti lidstva, kdy o letadlech s vrtulemi nebylo ještě ani ponětí, že by se tento účinek proudu vzduchu na předmět, který se může otáčet( například vzdušný šroub, jímž vrtule v podstatě je), mohl nějak využít. A tak se postupně začaly objevovat větrné mlýny, vodní čerpadla a v poslední době i větrné elektrárny. A o jejich rotorech se pokusíme v tomto článku podat velmi stručně a populárně podaný výklad, protože to jsou vzdálení příbuzní vrtulí i rotorů helikoptér a vírníků.

Odkud, ale začít, aby to nebylo příliš nesrozumitelné?

Zkusme to následujícím obrázkem, kde je zachycen průběh součinitele vztlaku  profilu NACA 0012.  Na jeho postavení vůči proudu vzduchu  přicházejícímu k němu zleva. Není to tedy úhel náběhu na jaký jsme zvyklí z vztlakových a momentových křivek měřených nebo počítaných profilů. Zkuste to brát jako profil listu rotoru, k němuž přichází vzduch vodorovně a postupně ze všech stran.

V levé čtvrtině je to, mnoha zasvěcenějším, známá vztlaková křívka, kterou dokázal zachytit před koncem 19. století již O.Lilienthal. Znázorňuje jak se mění veliost součinitele vztlaku při úhlů náběhu od 0° do 90°. Všimněte si hlavně toho, že při 90° není vztlakový součinitel rovný nule, jak by ledaskdo přepokládal?! Stejná situace nastává,když je profil pootočen o dalších necelých  180°. V rozmezích poloh mezi 90° a 180° a mezi necelými 270°  a 360° vykazuje profil záporný vztlak. Posuzováno k výchozí pozici při 0°. Je třeba zapojit trochu představivost a pamatovat si, která strana byla horní a která dolní a to až do 360°. Je to dost důležité pro pochopení toho co je v následujícím obrázku a vůbec o fungování větrných strojů. Informace o výsledcích měření v tunelu je převzata ze Sandia Report-autoři W.P.Wolfe a St.S.Ocks-Albuquerque , New Mexico.

V předchozím obrázku je pokus zjednodušeně zachytit rychlostní poměry a síly na profilu listu rotoru, jestliže k němu přitéká vzduch z jednoho směru. Zde jakoby shora. Zpočátku se list rotoru nepohybuje(nerotuje). Jeho unášivá rychlost  U = 0. Přesto na něm vznikne vztlak, zde označný jako P i odpor. Ten je nyní mnohonáseobně větší. Jejich výsledná síla je zde značena jako R. Vztlak, jak známo, působí vždy kolmo na směr nabíhajícího proudu a  zde se snaží pootočit listem rotoru zleva doprava. Některé rotory větrných strojů, například větrných mlýnů, mají vlivem složitých převodových mechanizmů velké počáteční odpory a proto jim musí obsluha požadovaný počáteční impuls k otáčení dodat,  a to obvykle lidskou silou. Podívejte se na některá internetová videa.

Jakmile se začne rotor otáčet, změní se jak rychlostní poměry, tak i síly působící na jeho profily. K rychlosti větru je připočtena rychlost otáčení a úhel náběhu relativního (to jest nyní pozměněného směru) proudu vzduchu se změní. Vztlak naroste a rychlost otáčení také. To by mohlo být patrné z obou prostředních skic předchozího obrázku. A to všechno se děje za nezměněného postavení listu rotoru vůči přicházejícímu větru.

Jestliže však natočíme rotor z jeho původní pozice vstříc  nabíhajícímu větru, tak se poměry na něm změní výrazně. Vztlak i otáčky stoupnou významně. To je spodní část obrázku.

Jako rotor může být použit půdorysný tvar obdélníkový se dvěma, obvykle však například u mlýnů, se  čtyřmi listy. Ty navíc mají v příčných řezech tvar rovné desky. To sice není z hlediska účinnosti stroje příliš výhodné, ale je to jednoduché a hlavně funkční. Obtíže nastávají jestliže se  mění rychlosti větru. Pak je nutné plochy listů(ramen) rotoru buď povlékat vhodnými potahy nebo je rychle stahovat (jako plachty na lodi). Protože by snadno mohlo dojít k zastavení nebo naopak při prudkém vzrůstu otáček a k destrukci celého stroje. Některé novější konstrukce mají ramena rotoru opatřena mnoha klapkami, které se buď otevírají nebo zavírají podle rychlosti větru.  Nikdo z obsluhy nemusí pak šplhat po příčlích ramen a oblékat je nebo svlékat.

A jak to může vypadat u rotorů, které mají ve svých listech jak profily nám známých nebo podobných tvarů, tak vhodné úhly nastavení po délce ramen a ještě správné půdorysné tvary ? Takovéto stroje dosahují mnohem vyšších účínností při získávání energie  bržděním větru. To je zachyceno v následujícím obrázku  pro dva případy. A sice pro vítr přicházející zpředu, horní část obrázku nebo ze zadu, dolní část obrázku.

Zaznamenejte, prosím, pokud o to budete stát, že smysl otáčení, díváme-li na rotor a máme vítr v zádech, jev obou případech  vždy ve směru zprava doleva. To jest proti směru hodinových ručiček. Kdo nevěří ať to zkusí sám.

Takže to by asi mohlo být všechno čím jsme chtěli přispět k neprofesionálnímu šíření znalostí o tom jak mohou fungovat větrné stroje, neboť v mnohém připomínají jak vrtule pohonných jednotek tak i nosné plochy letounů.

V dalším obrázku je jakési schema zachycující neúplný přehled druhů a velikostí větrných elektráren vyráběných a provozovaných v USA. Některé z nich byly po nepříliš dlouhých provozních dobách demontovány a jiné zase poničeny nezvládnutými nápory větrů. Nebo produkovaly hluk v nízkých frekvenčních hladinách, který okolním obyvatelům vadil.

Z následujícího obrázku můžete získat informaci o příkladu jednoho novějšího řešení větrných turbin z USA.

Další obrázek představuje starý holandský obilní mlýn, Zřejmě v době pořizování fotografie již trvale mimo provoz, protože by v tomto „bezpotahovém“ uspořádání stěží mohl vykazovat nějaký vztlak.

A pak je tu ještě příklad vodního čerpadla poháněného energií získanou zbržděním větru na mnohalisté větrné turbině.

A nakonec ještě ukázky tvarů dou profilů speciálně vyvinutých pro větrné stroje v USA.

 

Pokud na internetu zadáte heslo „Windmils“ nebo „Wind Turbines“ můžete, mimo jiné, poznat s jakými obtížemi se tyto stroje setkávají, když příroda uplatní svoje některé možnosti, v těchto případech poněkud více rozfouká vzduch.

21.11.2011 © Jaroslav Lněnička