Угол атаки лопасти ветряка

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

Угол атаки лопасти ветряка

В этой статье помещены комментарии к некоторым высказываниям на разных форумах.

«В настоящее время приходит понимание того, что стремление к быстроходности ветроколеса приводит к нежелательным экологическим последствиям.»

Горожане бегут летом от шума отдохнуть в деревне. А если и там будут стоять монстры, издающие шум «проезжающего автомобиля», как утешительно пишут их изготовители, то где же человек сможет дать отдохнуть своей психике. Да, тихоходные колеса менее производительны, но зато не требуют столь высокой балансировки, не так критичны к качеству исполнения лопастей. Для тихоходного ветряка мало разницы, какие у него лопасти: плоские доски или совершенные аэродинамические профили. Тихоходные ветряки не требуют больших наукоемких исследований, они проще в производстве, дешевле. Т.е. все показатели подходят для ограбленной России. КИЭВ современного скоростного ветряка больше тихоходного многолопастного процентов на 50. Это значит, что диаметр тихохода должен быть больше на 25% чем у трехлопастного быстрохода. То есть быстроход с тремя идеальными лопастями диаметром 10 метров и тихоход с дюжиной лопастей в виде плоских досок или желобков диаметром 12,5 метров дадут одну и ту же энергию. А сложность изготовления уменьшится радикально.

«Среднегодовая скорость ветра от 3 до 6 м/сек на большей части России. Статистически ветры с малой скоростью от 3 до 5м/сек дуют намного чаще, чем с высокой от 10 до 20 м/сек.«

Для большей части территории России все ветра укладываются в диапазон 0 – 12 м/c. Редкие случаи, когда ветер превышает 12 м/с можно вообще не принимать в расчет при определении получаемой от ветряка энергии. При этом ветре уже должна срабатывать штормовая защита. Нет особого смысла рисковать. Подчеркну, я говорю о ветронедостаточных районах России, а таких обитаемых районов в России большинство.

» Быстроходные ветряки ориентируются в основном на ветер от 5 до 8 м/сек.«

Нет. Для России от 4 до 12 м/c. В этом диапазоне ветер дает 95% всей энергии. За номинальную мощность для России можно принимать при ориентировочных расчетах скорость 5 м/с. Это не среднегодовая скорость, а скорость, на которую должен быть рассчитан бытовой ветряк, для получения максимума мощности. Если научить ветряк работать при 3м/с, то он даст дополнительно еще 4% энергии. Нужно ли это? Может проще увеличить диаметр на 2%? Дальнейшие усилия ради оставшегося 1% вообще бессмысленны. То есть реклама ветряков, начинающих работать при 2 м/с, мягко говоря, лукавит, забывая сказать, что потребитель от этого ничего не получит. Безусловно, есть потребности, где количество рабочих часов выходит на первое место: водопой скота, полив растений. Там да. Ветряк без аккумуляторов, работающий при ветре 2 м/с, спасет хозяйство от гибели.

«Стремление к быстроходности ветряка связано со стремлением обойтись без мультипликатора, повышающего обороты на генераторе и связанных с этим механических потерь.»

1. Есть еще веские причины для повышения быстроходности. Это:
   1 Рост КИЭВ с 0,3 до 0,43
   2 Уменьшение числа крыльев с одного – двух десятков у тихоходных ветряков, до трех (не десятков, а трех штук) у быстроходных. А, следовательно, уменьшение парусности, упрощение механизма поворота крыльев, вывода их из-под шторма.
   3 Уменьшение размеров и веса вала, мультипликатора, генератора, всей гондолы, мачты. Хотя этот пункт и не так однозначен.

«Барабанная схема — отстой! есть конечно случаи, когда вертикальная ось вращения перевешивает все остальные недостатки, но в целом будущее за пропеллерами — покажите мне промышленный современный большой ветряк на «бочках». с пропеллерного ветродвижителя хотя бы реально снять порядка 50 — 54 процента энергии потока, при теоретическом максимуме в 59 процент. с бочек будешь неимоверно рад уже при 30 процентах...»

Теоретический максимум, равный 0,593, вывел Жуковский Н.Е. в 1920 году. Это максимальная мощность, которую можно получить от установки, помещенной в неограниченный поток. Неважно, в воздух или в воду. Статья Жуковского «Ветряная мельница типа НЕЖ. Статья третья.» была посвящена пропеллерным ветрякам, но данный теоретический вывод сделан безотносительно к какой-либо конкретной конструкции. То есть 0,593 – это не максимальный КИЭВ пропеллера, а максимальный КИЭВ некой еще не изобретенной идеальной ветро- или гидроустановки. Максимальный КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) достигнутый с помощью пропеллера равен примерно 0,43. Причины недобора до 0,593 можно посмотреть в той же статье. Так что пропеллер не является идеальным улавливателем энергии свободного потока. Но из всех существующих конструкций он имеет максимальный КИЭВ на настоящий момент, потому что физика его работы близка к идеальному ветряку.

А вот различные виндроторы, карусельные установки по сути дела эквивалентны парусу, который в рабочий ход движется, увлекаемый ветром, а на обратном пути с минимальными потерями возвращается назад. Так вот, парус имеет предел КИЭВ примерно в 0,197. Почему примерно? Потому, что теоретическое значение равно 0,147 умноженное на коэффициент лобового сопротивления. А коэффициент лобового сопротивления максимален у «тазика» отверстием навстречу потоку.

В интернете часто можно встретить утверждения, что парус — самая совершенная ветровая машина. Нет, это не так. Предел паруса — 0,197. Карусельные установки из-за потерь на обратном пути обеспечивают КИЭВ около 0,15, а виндроторы около 0,15. Самая совершенная ветровая машина на настоящий момент – это пропеллер.

Может ли тогда парус тягаться с пропеллером? Как ни странно – может. Пропеллер имеет в 3 раза лучший КИЭВ, чем у парусных установок. Но это если говорить об идеальных пропеллерах. Если же говорить об самодельных пропеллерах, то их КИЭВ достигает 0,3 – 0,35 при тщательном выполнении. (При плохом 0,2, а то и 0,1) И разница по КИЭВ между парусными и пропеллерными установками сокращается до 2 раз.

Если взять 2 метровый в диаметре пропеллер, то у него сложность конструкции должна быть точно такая же, как и у большого ветряка: слежение за ветром, защита от резких поворотов по ветру, ограничители максимальной скорости вращения, узел защиты от шторма. То есть, пропеллерный ветряк любого диаметра состоит из десятков, а то и сотен деталей. Парусная установка такой же мощности имеет два –три паруса размером 3 на 3 метра каждый и вертикальную ось, насаженную на тихоходный генератор, оттяжки от верхнего подшипника. Пропеллерный ветряк сможет сделать далеко не каждый самодельщик, а парусную установку – многие, причем КИЭВ парусной установки от кустарного изготовления не пострадает особенно. Сколотить виндротор из фанеры и брусков – такая задача по плечу человеку владеющему только молотком. Парусные установки – тихоходны, поэтому аэродинамическое совершенство форм здесь не так принципиально. А самое главное, что надо сказать, современные быстроходные пропеллеры очень шумны. Постепенно приходит понимание, что шум – такая же экологическая опасность, как и разные другие. Поэтому, по крайней мере рядом с населенными пунктами, ветряки будут ставить тихоходные (они меньше шумят). Пропеллеры будут медленными, многолопастными, с КИЭВ около 0,3, поэтому парусные установки вполне могут с ними посоревноваться.

«а что если вообще попробовать не преобразовывать поток во вращение, а в лоб заставить ветер давить на некий щит, отклоняя его в качательном движении, причем в экстремуме отклонения с помощью неких механических ухищрений свести его площадь к нулю (в идеале) — типа щит-жалюзи открыть или сложить щит «в гармошку» — и пусть опять же некая упругая сила возвернет его взад в исходное положение. А уж насчет кпд — сермяжная правда подсказывает, что тупее, чем щит-крыло-жалюзи, нет ничего, и давить он будет будь здоров как»

Да, сермяжная правда толкает множество изобретателей на путь парусных установок. Карусельные и качающиеся установки вновь и вновь изобретаются новичками. Плохого в этом ничего нет. Нужно только не опускать руки, узнав, что максимальный КИЭВ парусной установки составляет 0,197. Второе, что надо знать, то что парусная установка дает максимальный КИЭВ, когда парус движется со скоростью в одну треть от скорости ветра. Поэтому качающаяся установка должна иметь автоматический привод для слежения за скоростью качающегося щита. Автоматика сейчас очень дешева. Это реальная задача. Ну и третье, что надо учитывать, это то, что на обратном пути щит энергию не вырабатывает, а время на обратный путь тратит. Поэтому общий КИЭВ надо уменьшить в два раза. Можно принудительно уменьшать время обратного хода для повышения КИЭВ. Можно весь щит разделить на множество возвратно-поступательно колеблющихся элементов, чтобы не качать всю массивную конструкцию. Т.е. речь идет уже больше о практическом проектировании, просчитывании оптимального варианта. Хорошо, если в результате всех ухищрений удастся догнать КИЭВ до 0,15. В три раза меньше чем у пропеллера.

«Люди во всем мире ломают голову, как уйти от возвратно-поступательного движения, здесь же все наоборот. Как ни крути — а потери энергии при этом неизбежны. Несмотря на кажущуюся простоту, эта установка чрезвычайно сложна в настройке и регулировке. Согласен, в неизменном воздушном потоке можно загнать ее в стабильный резонанс, но это идеальные условия. Рыскающий, с порывами ветер с этой установкой дружить не будет, к тому же большие сомнения вызывает ее бурезащита (разве что крыло складное)».

История техники показывает, что коммерческого успеха добивается тот, кто преодолевает казалось бы неимоверные трудности. А бурезащиту можно выполнить очень просто. Установка просто ложится на землю. Главное достоинство таких установок в их бесшумности. Качающиеся установки привлекательны еще и тем, что всю механику можно построить на элементах гидропривода, которые стандартизированы. Комбинируй готовые элементы, оснащай компьютерным управлением. Изготавливать придется только сам щит, да фундамент. В пропеллерном ветряке все детали сложны и нестандартны.

«А если рядом с источником инфразвука поставить генератор инфразвука работающий в противофазе? Или это тоже невозможно?»

Хорошее предложение. Лет 30 назад таким образом обеззвучили сильно шумящую трубу в котельной. Наставили по периметру трубы дюжину динамиков излучателями наружу а к ним через усилители столько же микрофонов направленных к центру трубы. Самое главное добиться, чтобы система не начала генерировать, не самовозбудилась. Но, добились же.

«Большие лопасти, имеют нетривиальную внутреннюю пространственную структуру. И вес конструкции ротора пропоционален КУБУ его диаметра.»

Мощность пропеллерного ветряка возрастает пропорционально квадрату его диаметра, а стоимость по утверждению Ветчинкина В.П., одного из советских конструкторов ветродвигателей, возрастает пропорционально кубу диаметра. Этот автор заслуживает доверия. Поэтому монстроподобные ветряки, производимые в Германии, допустим, — это в значительной мере вакханалия чиновников, тратящих не свои, государственные, деньги, а не требование целесообразности.

«Дело в том, что и «обычные», построенные по традиционным схемам ветрогенераторы, страдают этим же: проблемой автозапуска на слабом ветре. Особенно с малым числом лопастей и фиксированным углом лопасти, с постоянным уголом между хордой конкретного сечения лопасти и плоскостью вращения ротора. Лопасть оптимизированна на конкретные обороты ротора и под некий средний ветер. Поэтому и популярны схемы с трехлопастными роторами. Не слишком сложно, и обороты приемлемые. Хотя двух или однолопастные, при том же диаметре ротора и при той же скорости ветра, более скоростные.»

Трехлопастные ветряки по сравнению с двухлопастными имеют меньшую частоту вращения, а это невыгодно. Приходится применять мультипликатор, т.е. механический увеличитель числа оборотов или более дорогой тихоходный генератор. Но на такое усложнение приходится идти и причина здесь не в страгивании с места при слабом ветре. По крайней мере, не главная причина. Представьте двулопастный ветряк, поворачивающийся вслед за ветром. Когда лопасти вертикальны, то ему поворачиваться легко. Когда лопасти горизонтальны – намного тяжелее, т.к. возрастает момент инерции. Возьмите длинный брусок. Держа его вертикально, вы легко повернетесь, но стоит его опустить горизонтально, он станет намного «тяжелей» при повороте. Поэтому поворот идет рывками с двойной частотой вращения лопастей. Это мы рассмотрели статику. Кроме того имеется еще и динамика вращательного движения. На больших оборотах возрастает роль гироскопических сил. Поэтому в сумме этих влияний там где двулопастный ветряк трясется и попадает в резонанс с мачтой, то трехлопастный ветряк степенно и безвибрационно работает.

Источник