Что такое лопасть для ветряка

Оптимальные лопасти для ветрогенератора: вид, форма, материалы и инструкция по изготовлению своими руками

Обновлено: 5 января 2021

Существующие цены на ветрогенераторы и окупаемость не соответствуют возможностям большинства владельцев загородных домов, дачных участков. Жителям отдаленных районов, где сетевой электроэнергии до сих пор никогда не было, приобрести подобное оборудование еще сложнее, поскольку они лишены информации о нем и не могут получить достаточно подробные сведения о качестве, характеристиках и прочих параметрах оборудования для использования энергии ветра.

Приходится изготавливать ветровые устройства самостоятельно, опираясь на экспериментальные результаты или отрывочные сведения, почерпнутые из разных источников. Рассмотрим важный вопрос, возникающий при создании ветряка — устройство лопастей.

Как работает простой ветрогенератор?

Существует два типа ветрогенераторов:

Разница состоит в расположении оси вращения. Наиболее производительными считаются горизонтальные конструкции, напоминающие своими формами самолет с пропеллером. Винт — это крыльчатка ветряка, хвост — устройство наведения на поток ветра, автоматически разворачивающее ось по направлению движения воздуха.

При воздействии ветра на крыльчатку возникает вращающий момент, передающийся на ось генератора. В его обмотках возбуждается электроток, который заряжает аккумуляторные батареи. Они, в свою очередь, отдают заряд на инвертор, изменяющий параметры тока и выдающий на потребляющие приборы стандартное напряжение 220 В 50 Гц.

Существуют более простые комплексы, где с генератора запитываются сразу потребители, но такая система никак не защищена от скачков или пропадания напряжения. Вариант используется только для освещения или привода насосов, качающих воду.

Какая форма лопасти является оптимальной?

Основной элемент горизонтального ветряка — крыльчатка. Она больше всего напоминает пропеллер, хотя выполняет абсолютно противоположные функции. Лопасти принимают на себя энергию воздушного потока, перерабатывая ее во вращательное движение. От их конфигурации напрямую зависит эффективность работы крыльчатки и всего комплекта в целом.

Горизонтальные устройства имеют крыльчатки, снабженные большим количеством лопастей. Обычно их больше 3. В этом вопросе существует зависимость числа лопастей от производительности. Дело в том, что с возрастанием числа принимающих плоскостей падает мощность крыльчатки, а с убыванием — чувствительность. Поэтому выбирают «золотую середину», принимая среднее число лопастей.

Важно! Большое число лопастей увеличивает фронтальную нагрузку на устройство, создавая опрокидывающее усилие на основании мачты и сильное осевое давление на крыльчатку, разрушающее подшипники генератора.

На практике создано большое количество разных устройств, имеющих форму крыльчатки от простых секторов окружности, немного развернутых по радиусной оси, до сложных вариантов с тщательно просчитанной аэродинамикой, испытанных в разных условиях. Результаты испытаний показали, что оптимальной формой является модель, приближенная к пропеллеру. Такая лопасть несколько расширяется от центра (обтекателя) крыльчатки и плавно сужается к концу.

Преимуществом этого вида является равномерное распределение нагрузок на опорный подшипник, поверхность лопасти и всю систему ветряка в целом. Поток ветра воздействует на все участки с одинаковой силой, но, если расширить лопасть к концу, то получится достаточно длинный рычаг, перегружающий подшипник и выламывающий лопасти. Отсюда возникла такая форма, с небольшими изменениями используемая практически на всех ветряках.

Выбор вида

Вариантов или видов лопастей для горизонтальных ветряков существует немного. Причина этого кроется в самой конструкции крыльчатки — создавать сложные формы или конфигурации там попросту негде. Тем не менее, разработки наиболее удачного варианта ведутся постоянно, на сегодня можно выделить несколько видов:

Твердые лопасти изготавливаются из различных материалов сразу в определенной форме, парусные имеют совершенно другую конструкцию. Основой является рамка, на которую натягивается плотное полотно таким образом, чтобы одна из сторон была не прикреплена к рамке. Получается лопасть треугольной формы с одной стороной (от центра к одной из вершин), не закрепленной к основе.

Поток ветра создает давление на парус и придает ему оптимальную форму для схода с плоскости, в результате чего колесо начинает вращаться. Вариант имеет преимущество в массе и весе колеса, но нуждается в постоянном наблюдении за состоянием ткани и крыльчатки в целом.

Для самостоятельного изготовления обычно используют подручные материалы. Учитывая сложный профиль лопастей, хорошим вариантом становится использование листового металла или пластиковых труб.

Расчет лопастей

На практике мало кто вычисляет параметры лопастей, поскольку для этого надо обладать специальной подготовкой и располагать данными. Большинство значений, нужных для расчетов, необходимо сначала отыскать, некоторые из них и вовсе будут известны только после запуска ветряка. Кроме того, для большинства видов до сих пор нет математической модели вращения, что делает расчеты бесполезными.

Чаще всего производится подбор диаметра крыльчатки по требующейся мощности, выполняемый по таблице:

Как вариант, можно использовать онлайн-калькулятор, позволяющий получить готовый результат за секунды, надо только подставить в окошечки программы собственные данные.

Необходимо учитывать, что расчеты такого устройства, как крыльчатка, не будут иметь достаточной точности из-за большого количества тонких эффектов и неизвестных величин, поэтому, чаще всего, прибегают к экспериментальному подбору формы и размера.

Материал для изготовления

Прежде, чем начать работы по созданию крыльчатки, надо определиться с материалом. Выбор производится из того, что имеется в наличии, или из материалов, более знакомых пользователю и доступных для обработки. Требования к материалу для изготовления лопастей:

• прочность
• малый вес
• легкость обработки
• возможность придания нужной формы или наличие ее у заготовки
• доступность

Из всех возможных вариантов опытным путем были выделены несколько наиболее удачных. Рассмотрим их подробнее.

Трубы ПВХ

Использование канализационных труб ПВХ большого диаметра позволяет быстро и недорого получить вполне качественные лопасти. Пластик не боится воздействия влаги, легко обрабатывается. Самым ценным качеством является наличие у заготовки формы ровного желоба, остается лишь правильно отрезать все лишнее.

Простота изготовления и дешевизна материала в сочетании с эксплуатационными качествами пластика сделали трубы ПВХ самым ходовым материалом при изготовлении самодельных ветряков. К недостаткам материала можно отнести его хрупкость при низких температурах.

Алюминий

Лопасти из алюминия долговечны, прочны и не боятся никаких внешних воздействий. При этом, они тяжелее, чем пластиковые и требуют тщательной балансировки колеса. Кроме того, работа с металлом, даже таким податливым, как алюминий, требует наличия навыков и подходящего инструмента.

Затрудняет работу и форма материала — чаще всего используется листовой алюминий, поэтому мало изготовить лопасти, надо придать им соответствующий профиль, для чего придется сделать специальный шаблон. Как вариант, можно сначала изогнуть лист по оправке, затем приступить к разметке и резке деталей. В целом, материал более устойчив к нагрузкам, не боится температурных или погодных воздействий.

Стекловолокно

Такой выбор — для специалистов. Работа со стекловолокном сложна, требует навыков и знания множества тонкостей. Порядок создания лопасти включает в себя несколько операций:

• изготовление деревянного шаблона, покрытие его поверхности воском, мастикой или иным материалом, отталкивающим клей
• изготовление одной половины лопасти. На поверхность шаблона наносится слой эпоксидки, на который тут же укладывается стеклоткань. Затем снова наносится эпоксидка (не дожидаясь засыхания предыдущего слоя) и опять стеклоткань. Таким образом создается одна половина лопасти нужной толщины
• подобным образом изготавливается вторая половина лопасти
• после застывания клея половинки соединяются при помощи эпоксидки. Стыки зашлифовываются, в торец вставляется втулка для присоединения к ступице

Технология сложна, требует времени и умения работать с материалами. Кроме того, эпоксидная смола имеет неприятное свойство закипать в больших объемах, что создает постоянную угрозу испортить всю работу. Поэтому выбирать стеклоткань следует только опытным и подготовленным пользователям.

Древесина

Работа с деревом достаточно хорошо знакома для большинства пользователей, но создание лопастей — задача достаточно сложная. Мало того, что форма изделия сама по себе непроста, так еще и потребуется изготовить несколько одинаковых неотличимых друг от друга образцов.

Решение такой задачи по плечу далеко не всем. Кроме того, готовые изделия надо качественно защитить от воздействия влаги, пропитать олифой или маслом, покрасить и т.д.

Древесина обладает массой отрицательных качеств — она склонна к короблению, растрескиванию, гниению. Впитывает и легко отдает влагу, что изменяет массу и баланс крыльчатки. Все эти свойства делают материал не лучшим вариантом выбора для домашнего мастера, поскольку лишние осложнения никому не нужны.

Создание лопастей поэтапно

Рассмотрим наиболее распространенный вариант изготовления лопастей. В качестве материала используется труба ПВХ диаметром порядка 110-160 мм:

• отрезаются куски трубы по длине лопастей
• вдоль отрезка наносится линия, от которой в обе стороны отмеряются 22 мм. Получится 44 мм — ширина одной лопасти
• с противоположного торца делается то же самое
• крайние точки с одной стороны центральной линии соединяются по прямой. Со второй стороны наносится рисунок формы лопасти
• вырезается лопасть, свободный конец аккуратно закругляется, кромки обрабатываются наждачной бумагой или напильником
• лопасти присоединяются к ступице

Форма лопастей имеет следующее строение:

• торцевые части одинаковы по ширине — 44 мм
• посередине ширина лопасти составляет 55 мм
• на расстоянии 0,15 длины ширина лопасти составляет 88 мм

Полученные точки соединяются прямой линией, затем оформляются более плавными переходами, руководствуясь полученными очертаниями. Изготавливается шаблон, по которому вырезаются все лопасти, имеющие одинаковую форму. Для присоединения к ступице необходимо просверлить пару отверстий под винты (шурупы).

Они должны на всех лопастях находиться в одинаковых точках, чтобы не нарушался баланс крыльчатки. Готовое колесо требуется тщательно отбалансировать, установив его на ось и, свободно вращая, отыскать участок с нарушениями баланса. В этом месте следует понемногу стачивать лопасть до момента полного уравновешивания крыльчатки.

Источник

Лопасти для ветрогенератора

Пост опубликован: 7 ноября, 2017

Ветровой генератор – это техническое устройство, служащее для производства электрической энергии путем преобразования кинетической энергии ветра, посредством передачи вращательного движения лопастей на вал генератора.

Лопасти ветрового генератора являются сложным и основным элементом устройства, определяющим его технические параметры, возможность установки в том или ином месте, а также его геометрические размеры.

Основные характеристики

Производительность ветрового генератора зависит от количества и размера лопастей, установленных на нем, что ясно видно из формулы:

N – мощность воздушного потока, определяющая мощность устройства;

р – плотность воздуха;

S – площадь, ометаемая ветровым генератором;

V- скорость ветра.

Основными характеристиками этого элемента технических устройств данного типа являются:

В соответствии с ниже приведенной схемой:

R — радиус, определяющий ометаемую площадь устройства;

b — ширина, определяет быстроходность конкретной модели;

c — толщина, зависит от материала из которого изготавливается и конструктивных особенностей;

φ — угол установки определяет расположение плоскости вращения лопасти по отношению к своей оси;

r — радиус сечения или внутренний радиус вращения.

• Механическая прочность – определяет способность элемента выдерживать нагрузки, прилагаемые к нему и зависит от материала, использованного при изготовлении и его конструкции.
• Аэродинамическая эффективность – определяет способность преобразовывать поступательное движение энергии ветра во вращательное движение вала ветрового генератора.
• Аэроакустичекие параметры – характеризуют уровень шума, производимого во время работы ветровой установки.

Как рассчитать правильно

На КПД ветрового генератора оказывает значительное влияние аэродинамические характеристики устанавливаемых на него лопастей, поэтому перед их изготовлением, производятся специальные расчеты. В результате проведения таких расчетов, изделия проверяются на соответствие полученных результатов требуемым параметрам и прочим требованиям, предъявляемым к ним.

Ветер оказывает воздействие на лопасти генератора и эта сила, или иными словами – напор, действует по направлению воздушного потока. В свою очередь, перпендикулярно к силе напора действует подъемная сила, именно которая и работает в ветровых генераторах с горизонтальной осью вращения (показано на ниже приведенной схеме).

При расчете геометрических размеров лопасти определяется ширина ее хорды и угол ее установки, на схеме β, на всей протяженности элемента устройства.

При проведении расчетов используется метод конечных элементов, суть которого заключается в том, что лопасть рассматривается как совокупность отдельных элементов, входящих в ее состав.

Сила напора ветровых потоков направлена против движения лопасти (на схеме названа «истинным ветром») и на диаграмме разложена на вектора — «скорость ветра» и «окружная скорость». Окружная скорость обеспечивает движение лопастей в плоскости вращения, при этом подъемная сила оказывает воздействие именно в этом направлении.

Сила напора и подъемная сила, определяют производительность ветрового генератора (формула приведена в разделе «Основные характеристики») и зависят от коэффициента подъемной силы, а также коэффициента лобового сопротивления. Кроме этого, данные коэффициенты, находятся в прямой зависимости от геометрического профиля лопасти и угла между линией ее хорды и направлением воздушного потока.

Линия хорды– самая длинная линия при рассмотрении ее сечения, от носка лопасти до ее задней кромки.

Угол между линией хорды и направлением воздушного потока (набегающий поток) называется углом атаки (угол α).

Коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления определены экспериментальным путем и занесены в специальные журналы (атласы). График зависимости подъемной силы от угла атаки (формы лопасти), выглядит следующим образом:

Наилучшие аэродинамические показатели имеют подобные элементы, обладающие углом α (углом атаки) равным значению – 5.

Еще одним важным параметром, при расположении элементов, является угол их установки (угол β), который определяется по формуле:

R – радиус наружного круга вращения;

r – радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;

Z – быстроходность кончика данного элемента устройства.

Ширина лопасти (размер «b») это также важный параметр, требующий соответствующего расчета. Наиболее важной частью является наружная, что обусловлено кольцом ветра и площадью охвата, с которым эта часть устройства работает.

Расчет выполняется по формуле:

R – наружный радиус вращения;

r – внутренний радиус вращения, без учета комля и и прикомлевой части;

Z – быстроходность кончика.

i – количество лопастей.

Из данной формулы видно, что:

• Ширина обратно пропорциональна внутреннему радиусу ее вращения, и что, в свою очередь говорит о том, что наиболее оптимальной формой, является форма треугольника;
• Ветровой генератор с малым количеством лопастей должен иметь более широкие лопасти;
• Увеличение быстроходности снижает их ширину.

Быстроходность с показателем «5», является наиболее оптимальной, что позволяет снизить потери установки при максимальном количестве лопастей. На приведенном ниже рисунке, указано, как количество однотипных элементов, установленных на ветровом генераторе, влияет на его быстроходность:

Высокая быстроходность позволяет увеличить КПД ветровых генераторов, при этом негативными факторами, при эксплуатации подобных устройств, будут:

• Повышенный уровень производимого шума;
• Вибрация, при использовании одной или двух лопастей;
• Повышенная эрозия кромок;
• Трудности старта при малых потоках ветра.

Для снижения уровня шума кончики лопастей делают заостренной формы, а для облегчения старта, основания изготавливаются несколько шире, чем размер «b».

Виды лопастей

В зависимости от типа ветрового генератора, вид лопастей используемых в каждом конкретном случае, может меняться, но основные конструкции соответствуют следующим типам.

1.Крыльчатого вида – используются в установка с горизонтальной и вертикальной осью вращения и могут изготавливаться из жестких материалов.

2.Парусного вида, могут быть крыльчатой формы и изготавливаться с применением мягких материалов:

3.Плоские – в виде лопастей мельницы, объединяют в себе оба выше приведенных вида, и могут быть изготовлены из легкого и прочного материала (фанера, пластик и т.д.).

Выбор материала

Для изготовления лопастей используются различные материалы, главными требованиями, предъявляемые к ним, являются следующие:

• Прочность – способность выдерживать постоянные нагрузки, обусловленные воздействием ветровых потоков;
• Малый вес – увеличивает срок службы узлов и механизмов аппарата (подшипники, растяжки и т.д.);
• Стойкость по отношению к атмосферным явлениям (осадки, солнечный свет, температура окружающего воздуха).

Всем, выше перечисленными требованиям, соответствуют: стекловолокно, композитные материалы, пластик и легкие металлы (алюминий, титан и прочие).

Выбор материала осуществляет производитель, в соответствии с экономической целесообразностью, наличием материала на соответствующем рынке, а также трудоемкости его обработки в процессе выполнения работ.

Как сделать своими руками

Умея работать с различным ручным инструментом и приняв решение построить ветровой генератор своими силами, лопасти такого устройства, также можно изготовить самостоятельно. В этом случае выбор материала, используемого для изготовления, зависит от имеющегося в наличии, и это могут быть следующие варианты:

Из ПВХ трубы

В этом случае используются трубы, используемые для сетей канализации или водопровода, большого диаметра и обладающие высокой прочностью, что обусловлено их применением в сетях с избыточным давлением.

Расчет формы лопасти произвести самостоятельно довольно таки сложно, поэтому оптимальный вариант, это найти шаблон требуемого размера. Для этого можно воспользоваться специализированной литературой, журналами или интернет ресурсами, в которых приводится большое количество разнообразных по конфигурации и геометрическим размерам изделий.

По шаблону, на поверхности трубы, наносятся размеры, после чего, при помощи режущего инструмента, выполняется выпиливание лопастей, как на ниже приведенном рисунке.

Боковые грани зачищаются, удаляются заусеницы и неровности. После изготовления требуемого количества, лопасти соединяются в единый блок и помещаются на вал ветрового генератора.

Из стеклопластика

При использовании стеклопластика (стекловолокна), вначале из дерева изготавливается шаблон, по которому в дальнейшем, и изготавливаются элементы лопастей. Как правило, в этом случае, они делаются полыми, при необходимости возможна установка усиливающих лонжеронов и заполнении пустот различными компонентами.

При создании шаблона, поверхность лопасти условно делится по горизонтальной оси, после чего получается шаблон нижней и шаблон верхней частей. По изготовленному основанию (шаблону), который можно назвать матрицей, изготавливаются отдельные элементы лопасти. Для этого по матрице, с использованием эпоксидной смолы и отвердителя, наносятся несколько слоев стекловолокна, которое должно затвердеть. После застывания, внутрь поверхности изготавливаемого изделия, устанавливаются лонжероны и уплотнитель (в хвостовую часть). Уплотнитель укладывается в случае необходимости, что должно быть подтверждено соответствующим расчетом или обоснованием, приведенном в технической литературе, где был взят шаблон.

Изготовленные части соединяются между собой при помощи клея, в комлевой части, монтируется хвостовик, с помощью которого лопасть крепится к валу ветрового генератора.

При выполнении работ потребуется следующий инструмент:

• Ножовки различного типа, в зависимости от используемого материала;
• Ножницы по металлу или ручной электрический инструмент (лобзик, «болгарка» и т.д.);
• Маркеры и чертилки, используемые для разметки изготавливаемых деталей;
• Абразивные материалы: наждачная бумага, шлифовальные круги для углошлифовальной машинки, напильники – используемые для обработки поверхностей.

Где купить?

Ветрогенератор и его комплектующие, это специализированный товар, который не реализуется в обычных торговых сетях, что обуславливает не широкий круг фирм его реализующий.

При возникновении потребности в приобретении комплекта лопастей или их отдельных элементов, лучше всего обратиться к фирме выпускающей подобное оборудование. При наличии и эксплуатации генератора определенной марки, следует обращаться к его производителю, что позволит избежать сложностей при монтаже, а также сохранит технические характеристики устройства и не нарушит условий его эксплуатации.

При изготовлении ветрового генератора своими силами, лопасти можно приобрести заводского производства, которые реализуются специализированными торговыми организациями и интернет-магазинами.

Средние цены

Стоимость лопастей зависит от мощности ветрового генератора, на который они устанавливаются, материала из которого они изготовлены, страны и бренда производителя, а также места их приобретения.

Так стоимость комплекта лопастей для ветровых генераторов марки «Exmork» (Zonhan) производства КНР, в зависимости от мощности устройства, составляет:

• Для Р=1,0 кВт – от 13000,00 рублей;
• Для Р=1,5 кВт – от 22000,00 рублей;
• Для Р=2,0 кВт – от 23000,00 рублей.
• Для Р=3,0 кВт – от 34000,00 рублей.

Лопасти для ветрогенератора марки SWG FD2.7-500 (Китай), реализуются по цене от 7500,00 рублей.

Лопасти для генераторов типа «РВ» (Россия), в зависимости от геометрических размеров, реализуются по следующим ценам:

• 1,2 метра – от 4500,00 рублей;
• 2,6 метра – от 12000,00 рублей;
• 3,0 метра – от 15000,00 рублей;
• 4,0 метра – от 29000,00 рублей;
• 6,0 метров – от 75000,00 рублей;
• 7,5 метров – 135000,00 рублей.

Обслуживание и уход

Одним из главных условий безаварийной эксплуатации ветрового генератора, является надежное крепление лопастей. Сроки проверки узлов, прочность их крепления, а также надежность прочих элементов установки, регламентируются предприятием-изготовителем и отражаются в его паспорте и инструкции по эксплуатации.

Если рассматривать общие правила по обслуживанию и уходу, то они, в отношении лопастей установок, выполняются в следующей последовательности:

• Ежемесячно – проводится внешний осмотр и закрепление узлов соединения (по мере необходимости).
• Ежеквартально – подтягивание резьбовых соединений, при их наличии в данном элементе устройства (по мере необходимости).
• Раз в полгода – производится проверка на дисбаланс и выполнении балансировки, если таковая необходима.
• Раз в год – производится проверка общего состояния, выполняется ремонт и покраска (по мере необходимости).

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы: Цены на ветрогенераторы

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на канал, Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

Источник