Какой винт лучше, сколько лопастей нужно, а может вертикальный ветряк лучше

• P=1.28*S*(V^3)
• P - мощность ветрового потока
• 1.28 - плотность потока ветра
• S - площадь ветроколеса ометаемая
• (V^3) - скорость ветра в кубе


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.