Пускай, ветрогенераторы – это далеко не самый популярный источник энергии на отечественных просторах, однако отыскать человека, который ни разу бы не видел такой установки, все-таки сложно. При этом каждый должен был так или иначе обращать внимание на то, что у ветрогенераторов всегда три лопасти.
Возникает справедливый вопрос: почему именно столько, а не меньше или не больше?
На самом деле все не так просто, как кажется на первый взгляд. В действительности существует множество видов ветрогенераторов. Люди достаточно активно используют как конструкцию с двумя, так и конструкцию с четырьмя лопастями. Однако, в промышленности прижилась главным образом 3-лопастная конструкция ветрогенератора. Главная причина тому кроется в физике.
В целом можно сказать, что 3-лопастная конструкция ветрогенератора – это компромисс. Выбор количества лопастей зависит от соотношения крутящего момента и скорости вращения лопастей установки. Конкретно в этом случае крутящий момент – это физическая величина, которая отражает силу воздействия ветра на ротор генератора. Простым языком: количество лопастей напрямую связано с эффективностью генератора и скоростью его вращения. При этом чем выше будет крутящий момент, тем лучше.
В итоге получается, что ветрогенераторы с двумя лопастями вращаются слишком быстро, но дают небольшой крутящий момент, а значит производят мало электроэнергии. Единственное преимущество таких установок в том, что они могут работать даже при самом слабом ветре. Генераторы с четырьмя лопастями вращаются очень медленно, но дают заметно больше крутящего момента, а вместе с тем и энергии. Однако, эффективно работать такие могут только при самом сильном ветре. Хуже того, прирост крутящего момента у 4-лопастного генератора недостаточно высок, относительно модели с 3 лопастями.
Вот и получается, что ветрогенератор на 3 лопасти – это золотая середина. Такой дает достаточно энергии, имеет высокий крутящий момент и приемлемую скорость вращения. Одинаково хорошо работает как при слабом, так и при сильном ветре. При этом не теряет своей эффективности из-за нерационально возросшей массы лопастного механизма.
Источник:
Сперва немного теории про генераторы - все генераторы начинают сколь либо заметно вырабатывать ток только при некоемом пороговом значении частоты оборотов, тем не менее по мере приближения к этому пороговому значению, нагрузка на вал всё возрастает.
Перейдём к лопастям?
Рассматривать будем только одну лопасть (вторая насажена симметрично и интереса не представляет)
Давайте рассмотрим ОДНУ лопасть в двух вариантах насаживания на ось - одна сразу прикреплена к оси, а вторая, точно такая же на невесомой штанге (тот же рычаг, только в профиль))) и вынесена далеко от оси вращения. Сравним результаты? Осная лопасть имеет ту же тягу на смещение, но из за маленького рычага хуже двигает полезную нагрузку, нежели вынесенная на штанге лопасть; зато осная лопасть быстрее вращается при незначительной полезной нагрузке (ну при одинаковой полезной парусности за единицу смещения выдаёт бОльший угол поворота).
Теперь давайте рассмотрим новую схему - длинную лопасть? Представим её как осную лопасть и насаженную на штангу (на самом деле осную лопасть) вынесенную лопасть. Представили? А теперь давайте её сломаем пополам? Сломали? А теперь приклейте на изоленту отломленные половинки к оси, теперь мы имеем на оси две осевых лопасти. Что изменилось по отношению к неломанной длинной лопасти? При слабых ветрах и/или большой полезной нагрузке всё стало куда как хуже (рычага не хватает провернуть), зато при сильных ветрах и/или слабой полезной нагрузке всё становится лучше.
Какую схему выбрать при одинаковом расходе материалов? Прежде всего зависит от минимальной пороговой нагрузки, затем от силы ветра в регионе. Если у вас едва дует, то берите поменьше лопастей (худо бедно, но электрогенератор будет всё время крутиться); если вы живете в прибрежной антарктиде с постоянными сильными ветрами, то при сохранении затраченных материалов, лучше резко увеличить количество лопастей.
Приложите источники на которые вы опираетесь
Гугл сломался?
Теперь давайте рассуждать как проектировщики, а не вот это вот всё, о чем я прочитал. И так, чем больше лопастей, тем больше снимаемая мощность при том же диаметре. Вот тут, кстати, и выходит, что между тремя и четырьмя лопастями разница не так велика, как между двумя и тремя. Увеличить же диаметр для увеличения мощности несколько проблематично, ибо это увеличивает стоимость и у материалов есть ограничение на прочность. Ну как-то так должна была выглядеть статья. Может более подробно расписано и с картинками.
На самом деле это ветер раскручивает лопасти генератора, а не наоборот. Если лопасти не вращаются, положение лопастей уравновешено. И достаточно небольшого дуновения ветерка, и они начнут потихоньку вращаться.
Но для генерации энергии этого недостаточно. Потому как на ротор действует сопротивление (как-то оно в физике называется, реактивное по-моему или как-то так, не знаю). Другими словами, катушка статора не даст ротору свободно вращаться. И вот это сопротивление нужно преодолеть, и только тогда в катушках статора будет вырабатываться ток.
А чтобы преодолеть это сопротивление, нужно развить достаточный момент. Другими словами, лопасти должны давить определенным давлением. И вот здесь как раз нам автор объясняет, что 4 лопасти вызывают избыточное давление, а две - недостаточное.
Там на самом деле все еще сложнее. Эти лопасти на самом деле еще имеют как бы изменяемый угол атаки, то есть способны поворачиваться вокруг своей оси. Как у лопастей вертолета. И угол подбирается оптимальный исходя из скорости и давления ветра.
Плюс в связке ротор-статор есть еще гасящий механизм. Который призван при помощи датчиков следить за стабильностью вращения и "подтормаживать" вращение, чтобы винт не пошел вразнос при сильном ветре. В интернете есть масса роликов, где этот механизм не справляется и видно, как эти махины ломаются, как спички...
Плюс центровка лопастей относительно оси вращения там тоже имеет значение. Иначе они не будут норм уравновешены относительно оси. А это значит, что будет дополнительное сопротивление в начале вращения и биение во "втулке" во время вращения из-за смещенного центра тяжести относительно ротора. А погрешность там очень высокая как раз из-за того, что нет возможности хорошо отцентровать именно из-за больших размеров агрегатов.
Короче, много там нюансов и все гораздо сложнее, чем может показаться. Объяснил, как смог... не обессудь..
При хорошем подшипнике и при равномерном ветре масса лопастей не особо влияет на КПД.
Однако если у нас тяжёлые лопасти, то резкий и короткий порыв ветра не сможет сколь либо заметно повлиять на вращение.
Крутящий момент простыми словами это тяга, которую выдаёт мотор. Когда двигатель работает, он вращает колёса с определённым усилием.
То же относится и к генератору. Ротор генератора сопротивляется вращению, лопасти переводят силу набегающего потока воздуха в крутящий момент, который преодолевает сопротивление ротора и вращает его. Чем больше крутящий момент, тем быстрее он крутит вал и скорость вращения ограничивается лишь силой ветра.
Всё гораздо проще. Во-первых, если у лопастей будет слишком большая суммарная парусность, то ветер его может завали, а значит нужно делать прочнее мачту. А во время ураганных ветров ветряки вообще останавливают. И если парусность лопастей будет очень высокая, то ветрогератор просто повалит. Во-вторых, чем больше лопастей -тем больше их вес. В-третьих, 2 лопасти при вращении создают больше вибрации, чем три и более. Ну и ещё куча всего - вплоть до шума.
Всё это подсчитали и пришли к оптимальному значению - три лопасти.
Все верно сказано.
Одну лишь поправку добавлю. Крутящий момент влияет не совсем на скорость вращения вала, а, скорее, создает бОльшую силу преодоления сопротивления ротора. Да, и скорость вращения ограничивается не только силой (на самом деле - скоростью) ветра, ведь там имеется механизм торможения, чтобы подтормаживать вращение при необходимости....
Я это и имел в виду.
Во-вторых, больше лопастей означает более высокие материальные и производственные затраты. Больше лопастей требуют более трудоемкого обслуживания.
При увеличении количества лопастей они должны быть тоньше, что приводит к потере жесткости и аэродинамической эффективности. Большое количество лопастей могут увеличить давление и привести к опрокидыванию всей конструкции турбины.
Наконец, три лопасти позволяют хорошо сбалансировать динамическую ветровую нагрузку на вращающийся ротор. С тремя лопастями угловой момент остается постоянным, потому что, когда одна лопасть поднята, две другие направлены под углом. Таким образом, ветряная турбина может плавно вращаться против ветра.
По всем этим причинам три лопасти стали стандартом в ветроэнергетике
СпасибО!
Не знаю, использовался ли редуктор на таких мельницах. Но, судя по скорости вращения лопастей ветряка и жерновов в кинофильмах, сомневаюсь в этом.