В чем отличия многолопастных винтов и малолопастных
Очень часто люди заблуждаются в том что многолопастные винты для слабого ветра, а трех-двух лопастные для сильного. И многие считают что для слабых ветров более эффективен именно многолопастной винт, ведь много лопастей, от этого тяга выше, больше ветра охватывают лопасти, крутящий момент выше, и следовательно мощность, но это не так. Из за большего количества лопастей выше стартовый момент, поэтому если генератор имеет сильное магнитное залипание, то приходится что-то делать чтобы увеличить стартовый момент, и обычно это добавление лопастей.
Давайте представим сначала одну лопасть и действующие на нее физические факторы. Лопасть имеет крутку, углы относительно потока ветра, и ветер налегая на нее, заставляет лопасть под давлением двигаться (выдавливаться вперед по оси вращения). Но лопасть двигаясь в своей плоскости преодолевает лобовое (фронтальное) сопротивление плотного воздушного потока. Этот поток и тормозит лопасть не давая ей набрать больше оборотов, и чем выше обороты, тем выше аэродинамическое сопротивление.
Если же лопастей больше чем одна, две-три, или 12 штук, то аэродинамическое сопротивление всех лопастей не остается равным одной, оно складывается, потери складываются в общие и обороты винта падают. Много энергии тратится просто на вращение. Плюс проходящие лопасти сильно возмущают поток закручивая его, от этого позади идущие лопасти получают еще большее лобовое сопротивление и снова тратится отнимаемая у ветра мощность и падают обороты. Именно на обороты тратится много мощности отбираемой у ветра.
Так же когда по кругу целый лес из лопастей, то ветру становится труднее проваливаться сквозь винт. Ветроколесо задерживает поток ветра, спереди винта образуется воздушная «шапка», и новые порции ветра натыкаясь на эту «шапку» рассеиваются в стороны. Знаете как ветер огибает препятствия, вот так и винт для ветра как сплошной щит.
Но многие подумают что чем больше лопастей тем больше энергии можно отнять у ветра за единицу времени, но это тоже не так, здесь важно не количество лопастей, а обороты и быстроходность винта. Например 6 лопастей скажем при 60об/м сделают один оборот пропустив куб ветра и отняв у него некую порцию энергии, а 3 лопасти сделают два оборота за это же время, и отнимут столько же энергии. Если поднять быстроходность еще, то отнимется больше энергии. Не важно сколько лопастей, одна или десять, так как одна лопасть вращаясь в десять раз быстрее отнимет столько же энергии, сколько и десять медленно вращающихся лопастей.
Быстроходность ветроколеса.
Так же чем быстрее движется лопасть тем сильнее изменяется угол атаки ветра на лопасть. Давайте представим что вы сидите в машине и вам в боковое стекло бьет снег, но когда вы начнете ехать, то снег уже будет бить и в лобовое, а когда вы наберете скорость, то снег уже будет бить напрямую в лобовое стекло, хотя когда вы остановитесь снег снова будет бить сбоку. Так и лопасть когда наберет скорость, то ветер будет налегать на нее под другим углом. Поэтому кончик лопасти делают всего 2-5 градусов, так как разогнавшись она выйдет на оптимальный угол атаки ветра и будет отнимать максимум возможной энергии. В середине лопасти быстроходность в два раза меньше, поэтому и угол в два раза больше, 8-12градусов, а у корня еще больше, ведь там быстроходность в разы меньше.
Подробнее про расчет углов можно прочитать здесь Расчет лопастей ветрогенератора
Для быстроходных малолопастных винтов углы делаются меньше. Например для трехлопастных винтов обычная быстроходность около Z5, то-есть винт имеет максимальную мощность вращаясь со скоростью в пять раз выше скорости ветра. В этом случае кончик лопасти имеет около 4 градуса, середина 12 градусов, а у корня около 24 градуса.Если лопастей шесть, то быстроходность в два раза ниже, значит и углы в два раза больше. Ну и еще чем тоньше лопасть и меньше ее площадь, тем она быстроходнее, и меньше ее аэродинамическое сопротивление, поэтому и три лопасти если они широкие будут иметь низкую быстроходность, а шесть или двенадцать тонких, узких лопастей будут иметь большую быстроходность.
В итоге например трехлопастной и шестилопастной винт будут иметь равную мощность на малом ветру, потому что три лопасти быстроходностью Z5 сделают в два раза больше оборотов чем шесть лопастей быстроходностью Z2,5 за тоже время , а значит отнимут у ветра тоже количество энергии. Но на более сильном ветру шестилопастной винт проиграет и сильно трехлопастному, так как три лопасти имеют меньшее аэродинамическое сопротивление и смогут набрать большие обороты, и следовательно отработать за единицу времени с большим количеством ветра, ведь чем быстрее лопасть движется, тем больше мощности у ветра она отберет.
Единственный плюс что чем больше лопастей, тем лучше стартовый момент, и если генератор имеет магнитное залипание, то многолопастной винт будет стартовать раньше, но крутящий момент и мощность будут выше у малолопастных винтов.
Да, и крутящий момент, так как скоростной винт наберет обороты, углы лопасти станут оптимальны для реально набегающего на лопасть потока ветра, а мы знаем что реальный угол меняется в зависимости от скорости движения самой лопасти и крутящий момент будет выше, так как меньше потери энергии на лобовое сопротивление лопастей.
Так-же многолопастные винты более тяжелые, а значит работают как маховик. Если колесо набрало обороты, то сам винт запасает энергию и его труднее резко остановить, но и когда ветер подует сильнее этот маховик надо еще раскрутить, поэтому многолопастные винты хуже реагируют на изменение силы ветра, и кратковременные порывы ветра могут даже не заметь. А легкие винты могут дать энергию даже с короткого порыва ветра. Это хорошо заметно по амперметру когда наблюдаешь за силой тока. Шестилопастной работает более мягко, нет больших скачков по току. А трехлопастной отрабатывает каждый порыв и стрелка живо бегает туда сюда, а ведь это энергия, которая в итоге накапливается в аккумуляторе, и разница в отдаче может быть очень значима, особенно на порывистом ветре и если мачта установлена низко где поток ветра турбулентный.
Еще один фактор это обороты, многолопастной винт значит тихоходный, значит и генератор такой-же, значит генератор больше, магнитов больше, провода обмотки больше, вес железа больше, в итоге и цена значительно больше. А генератор это обычно самая дорогая часть ветрогенератора. И обороты имеют самую важную роль, ведь чем выше обороты винта при той-же скорости ветра тем генератор выдаст больше мощности, и тут если оборотов не хватает, то или генератор больше и мощнее, или мультипликатор придумывать.
Но везде есть свои но, конечно самые дешевые и эффективные винты однолопастные, но их нужно делать очень точно и отбалансированно, все рассчитывать, аэродинамика лопасти должна быть идеальной, иначе вибрации и биения винта, а потом и развалившийся ветряк вам гарантированы. В принципе по этому даже заводские однолопастные ветряки почти никто не выпускает. Более оптимальными оказались трехлопастные винты, они не такие скоростные, поэтому и некоторый дисбаланс винта не страшен, но и обороты высокие, а значит и генератор дешевле.
Но все таки скоростные лопасти требуют правильной аэродинамики, иначе вся эффективность может упасть в разы. Поэтому в домашних условиях часто проще, хоть и дороже делать грубый, большой, малоэффективный, но простой в изготовлении ветряк, без всяких расчетов и походу его улучшать, переделывать, и опять переделывать, и наконец или набраться знаний и довести все до ума, или бросить и сказать что все это фигня, купил у китайцев и не мучайся, все равно лучше чем на заводе не сделаешь, только деньги зря на ветер выкенеш.
Источник
Какой винт лучше, сколько лопастей нужно, а может вертикальный ветряк лучше
Здравствуйте, дорогие читатели моего сайта, коллеги «больные ветрянкой», и просто заглянувшие на сайт! Этот материал для начинающих ветроловов, и речь пойдёт о лопастях, винтах, и прочих лопатках.
Сразу же я вставляю видео где моими словами сказано всё тоже самое что написано здесь. Если для вас удобнее воспринимать информацию в видео формате то смотрите далее.
Часто начинающие строители ветрогенераторов не могут определится с тем какой винт им нужен, какую мощность он может дать при конкретном ветре. Какого диаметра нужен винт, и сколько лопастей. Для приблизительной оценки мощности ветроколеса есть простая и наглядная формула. Она помогает понять каких примерно размеров будет винт если хочется например при 10м/с иметь мощность 5 кВт.
Формула расчёта мощности ветроколеса очень проста и часто встречается в статьях о том как сделать ветрогенератор. Суть формулы в том что ометаемая площадь ветроколеса, не важно какого, вертикального или горизонтального, умножается на скорость ветра в кубе, и в итоге получается мощность ветра воздействующая на винт при указанном ветре.
Есть в формуле ещё один множитель, это плотность воздушного потока (1.28), но она близка к единице, поэтому ей можно пренебречь. Также ещё вводят коэффициент 0.6. Тоесть умножают на 0.6. Дело в том что сам винт тормозит ветер и реальная скорость воздействующая на винт меньше той что на подлёте у ветра. Но у разных винтов коэффициент торможения отличается, и эту погрешность на начальном этапе тоже можно не учитывать.
К примеру мощность ветрового потока воздействующего на винт с ометаемой площадью винта 3кв.м при ветре 5м/с будет 375 ватт. Далее получившуюся мощность нужно умножить на КПД ветроколеса и получится та мощность, которую развивает сам винт. Диаметр винта с площадью 3кв.м равен 1.95м, и его мощность при КИЭВ 0.4 на ветру 5м/с будет 150вт. Ниже фото пары винтов диаметром 2.2м и 2.3м, это винты моего ветрогенератора.
КПД винта это коэффициент использования энергии ветра, сокращённо КИЭВ. Средний КИЭВ горизонтальных винтов 35-45%, а средний КИЭВ вертикальных ветрогенераторов типа бочки 15-25%. Также при расчёте нужно учесть и КПД генератора, то есть умножить на КПД генератора, но так как он не известен этто тоже можно опустить.
Почему же КИЭВ вертикальных ветряков в два раза меньше, а всё потому что одна половина ветроколеса не только не помогает крутить вал генератора, но ещё и возвращается на встречу ветру создавая обратную нагрузку. Некоторые конструкторы пытались ставить экран чтобы закрыть от ветра возвращающиеся лопатки, но всё равно получается что половина ветроколеса не работает совсем. Перенаправление потока ветра на лопатки экранами конечно даёт эффект, но не значительный.
Вертикальные лопасти большие и широкие, они сильно тормозят ветер, плюс ещё и направляющие экраны добавляют задержку ветрового потока. В результате перед таким ветроколесом как перед щитом образуется воздушная подушка, ветер не успевает проваливаться сквозь ветроколесо, он тормозится, теряет скорость и мощность, и сваливается уходя в стороны. Именно так большая часть мощности просто уходит в стороны, и реальная скорость ветра попадающая на лопасти значительно меньше той что у ветра на подлёте, отсюда и обороты меньше.
Лопасти горизонтального винта в любой момент времени имеют положительную и стабильную тягу и мощность, поэтому они эффективнее, нет переходных процессов, скачков и падений мощности. Но тут часто стоит вопрос о том сколько лопастей лучше. Многие говорят что чем больше лопастей тем мощнее и это кажется логичным. Одна лопасть к примеру даёт 100 ватт, значит две дадут уже 200 ватт, а десять лопастей дадут уже целый киловатт.
Когда на винт дует ветер то винт подобно щиту тормозит поток ветра, и чем больше лопастей тем сильнее происходит торможение ветрового потока. Ветер не успевает проваливаться сквозь лопасти, образуется давление перед винтом, так называемая воздушная подушка. И кажется что это хорошо, больше давления на лопасти значит больше мощность и тяга винта. Но получается так что ветер теряет скорость и мощность натыкаясь на эту воздушную подушку, и часть ветрового потока просто сваливается и обходит стороной винт. Та скорость ветра которая реально попадает на лопасти становится ниже, поэтому и углы у лопастей не такие острые как у скоростных винтов.
При этом внутри винта тот ветер который лопасти отклонили в сторону, он как раз направлен на те лопасти, которые идут следом, там образуется давление, которое и мешает лопастям двигаться вперёд. Ведь тот ветер что отклонили лопасти сталкивается ещё и с тем ветром, который пролетает между лопастей, этот ветер тоже тормозится, и давление в этих зонах становится ещё больше, и именно этом мешает лопастям крутится быстрее.
По этому чем больше лопастей тем медленней вращается винт. А по мощности получается так. Например возьмём трёхлопастной винт и шестилопастной. Быстроходность первого 8, быстроходность это отношение скорости ветра к скорости движения кончиков лопастей. Быстроходность шестилопастного винта 4.
Лопасть трёхлопастного винта движется в два раза быстрее, поэтому за единицу времени она пройдёт в два раза большее расстояние, и отработает с два раза большим количеством ветра. Тоесть она имея вдвое большую скорость успеет за секунду отнять у ветра в два раза больше энергии чем лопасть шестилопастного винта. При этом трёхлопастной винт уже не так сильно тормозит ветровой поток, ветер лучше проходит между лопастями, и лопастям легче, гораздо легче вращаться. Поэтому обороты выше, и мощность тоже.
Получается самый эффективный это однолопастной винт, да, оно так и есть. Он самый оборотистый и самый мощный. Он меньше всего тормозит ветровой поток, и лопасть за единицу времени успевает охватить больше ветра.
Но однолопастные винты тяжело балансировать, противовес с ростом оборотов набирает разный вес так как имеет разное удаление от центра, и от этого на больших оборотах происходит дисбаланс. Также и при поворотах ветряка, при влюгировании тоже происходит дисбаланс из-за гироскопических сил. Это происходит, хоть и в меньшей степени и с двухлопастными винтами. Поэтому почти все ветряки именно трёхлопастные, это как бы баланс оборотов и минимизации негативных явлений дисбаланса при поворотах и изменении ветрового потока.
Говорят что многолопастные винты имеют больший крутящий момент и тягу, но это тоже не так. Просто при перегрузке многолопастного винта, много энергии запасается в тяжёлом винте и кажется что его трудно быстро остановить. Также при снижении оборотов КИЭВ винта не так быстро падает как у трёхлопастных винтов. Но если брать с винта максимальную мощность, и не перегружать винт, то крутящий у трёхлопастного будет выше, выше мощность на валу. Но пик мощности в достаточно узком диапазоне в зависимости от скорости ветра и оборотов.
Например при быстроходности 8 у скоростного винта будет максимальная мощность, и если его перегрузить до быстроходности 6-7, то он резко начнёт терять мощность. У многолопастных чем больше лопастей тем шире диапазон максимальной мощности. Например винты 8-12 лопастей будут давать ту же практически мощность при быстроходности 2-3 и туже даже при быстроходности 1. При этом у таких винтов очень большой стартовый момент. Поэтому они часто используются для подъёма воды с прямым приводом.
Винт и генератор должны подходить к друг другу по мощности и оборотам, только так будет самая эффективная работа пары. Если винт поставить мощнее значит обороты будут ниже, то есть мощность ещё есть, а вот генератор не может дать больше. Немного уменьшив диаметр можно брать больше мощности так как поднимуться обороты при том же ветре. Также винт с перебором по мощности будет сильно недогружен при ураганных ветрах, и при чрезмерных оборотах винт, может просто развалится, а остановить его будет нечем при урагане, даже коротким замыканием фаз генератора.
Если же винт будет слабее чем генератор то тогда винт не сможет выходить на свои обороты, а значит и свою мощность не разовьёт. В итоге генератор то он будет крутить, но мощность будет значительно меньше чем могла бы быть.
Источник