W 1852 r. niemiecki fizyk H. G. Magnus odkrył ciekawe zjawisko: przy opływie obracającego się walca przez strumień (np. powietrze), powstaje siła skierowana prostopadle do kierunku ruchu strumienia, której wartość jest nieporównanie większa (nawet 19 razy) od siły nośnej najdoskonalszego profilu lotniczego o tej samej powierzchni. Zjawisko to nazwano na cześć odkrywcy efektem Magnusa.
Efekt Magnusa jest często wykorzystywany w sporcie; podkręcona piłka skręca z toru lotu myląc przeciwnika. Efekt ten można też wykorzystać w energetyce wiatrowej, projektując inny kształt skrzydeł wiatraków.
Rys. 1 Efekt Magnus’a
Obracający się w strumieniu powietrza walec powodujący zjawisko Magnusa może osiągnąć współczynnik siły nośnej nawet 10. Koniecznym jest jednak dlatego zaopatrzyć końce walca w wystające ponad jego powierzchnię krążki, uniemożliwiające wyrównywanie się ciśnień po obu stronach cylindra (aby zapobiec powstawaniu oporu indukcyjnego) oraz nadanie walcowi szybkości obwodowej około czterokrotnie większej niż szybkość wiatru.
Na rys. 2 przedstawiono krzywą biegunową takiego walca, nazywanego często rotorem Magnusa lub rotorem Flettnera, przy czym zamiast wielkości kątów natarcia przyjęto tutaj za parametr stosunek obwodowej szybkości rotora do szybkości wiatru.
Rys.2 Krzywa biegunowa obracającej się łopaty Magnusa
Porównanie tej krzywej biegunowej z krzywą biegunową profilu opływowego przedstawione jest rysunku obok Z porównania obu krzywych wynika, że współczynnik siły nośnej rotora jest wielokrotnie większy niż współczynnik profilu opływowego. Jednak współczynnik oporu jest w jeszcze znaczniejszym stopniu większy od współczynnika oporu profilu opływowego. Kąt największej doskonałości u rotora jest znacznie większy niż u profilu opływowego, a zatem i aerodynamiczna doskonałość rotora ustępuje znacznie doskonałości profilu opływowego. Rotory w porównaniu ze skrzydłami oprofilowanymi mają prawie trzykrotnie gorsze właściwości aerodynamiczne.
Niemiecki konstruktor Flettner zbudował w r. 1926 wiatrak (rys. 3) oparty o zjawisko Magnusa. Zamiast zwykłych skrzydeł umieszczono na ramionach wiatraka odpowiednio wykonane z blachy stożki ścięte, mogące obracać się wokół ich osi. Do obrotu tych stożków użyto silników elektrycznych. Średnica wiatraka wynosiła 20m, długość każdego ze stożków 5m, średnica stożków po stronie wewnętrznej wirnika 72cm, po zewnętrznej 90cm. Podobno rezultaty nie były zbyt pomyślne.
Rys. 3 Wiatrak Flettnera
W oparciu o ten prototyp konstruktorzy z białoruskiej firmy Acowind wykonali projekt elektrowni ACOWIND A-63 (rys. 3.25) o mocy nominalnej 1MW. Wirnik tego wiatraka powstał w Polsce w Zakładach Remontów i Produkcji Sprzętu Lotniczego z Bielsko-Białej a sama siłownia zamocowana w Pagórkach k. Elbląga (fot. poniżej)
Nowy rodzaj wirnika podobno wykazuje wyższą sprawność przy małych prędkościach wiatru, większą odporność na wiatry o zbyt dużej prędkości, a co najważniejsze wirnik obraca się prawie 3 razy wolniej niż w konwencjonalnych rozwiązaniach. Rozruch elektrowni nastepuje przy wietrze o predkości około 3m/s maksymalna prędkośc obrotowa wirnika nie przekracza 6 obr./min. Mniejsza prędkość obrotowa to oczywiście mniejszy hałas (szczególnie w zakresie infradźwięków) i większe bezpieczeństwo dla ptaków.
Wadę elektrowni wiatrowych z efektem Magnus’a jest dość duży pobór prądu niezbędny do napędu walców.
Źródło:
– instsani.pl