Расчет угла установки лопасти ветрогенератора

От правильного угла установки лопасти зависят все важнейшие показатели ветроколеса, такие как быстроходность, мощность, и обороты. Рассчитать угол установки лопасти ветрогенератора достаточно просто, но чтобы понять все это понадобится некоторое время, и так начну по порядку.

Когда лопасть неподвижна, то есть ветроколесо стоит, то ветер набегает на нее под тем углом, под которым к нему реально установлена лопасть, но как только лопасть начинает движение угол набегания потока ветра изменяется. К примеру, представьте что вы сидите в машине ветер вам дует точно в боковое стекло. Как только вы начнете движение, то по мере набора скорости ветер будет дуть уже наискосок под углом и в лобовое стекло, а если скорость очень большая, то ветер будет дуть уже прямо в лобовое стекло.

Так же и с лопастью, по мере роста скорости вращения изменяется и реальный угол атаки лопасти. Чтобы вычислить этот угол нужно знать скорость движения лопасти. Например у нас ветер 10м/с, быстроходность винта Z5, значит скорость движения кончика лопасти в пять раз больше чем скорость ветра 5*10=50м/с.

Теперь нужно построить прямоугольный треугольник с катетами 5 и 50. Далее нужно определить угол между гипотенузой и длинным катетом, для этого нужно разделить противолежащий катет на прилежащий и мы получим тангенс этого угла. 5:50=0,1. Чтобы из этого 0,1 вывести угол, мы должны взять функцию обратную тангенсу, то есть арктангенс.

Арктангенс числа можно высчитать в специальных калькуляторах, или воспользоваться онлайн сервисами, к примеру >>калькулятор онлайн<< . Арктангенс 0,1=5.7градусов. 5,7градусов это реальный угол набегания потока на плоскость вращения винта в зоне быстроходности Z5. Но так как лопасть имеет по своему радиусу разную быстроходность, то и реальный угол атаки будет отличатся, и будет свой на каждом участке. К примеру в середине лопасти быстроходность Z2,5, значит угол набегания потока ветра в два раза больше.

Теперь нужно узнать что такое истинный ветер.

Истинный ветер, это тот, который реально давит на лопасть и он отличается по силе от того, который на подлете к винту. Любое тело на которое давит ветер, ему сопротивляется, то есть останавливает ветер. Представьте снежинки бьющие по стеклу, на подлете они имеют свою изначальную скорость, но подлетая к стеклу они наталкиваются на подушку, созданную остановленным ветром. Натыкаясь на эту воздушную подушку снежинки теряют скорость и энергию. Так же и на подлете к винту, упираясь в него ветер теряет скорость и энергию. Конкретная величина потерь может быть разная, но если она не известна, ее усредненно можно брать равной около 33%.

Теперь вспомним угол набегания потока ветра, который мы получили выше, он равен 5,7 градусов. Соответствует ли он реально набегающему ветру на лопасть -Нет!, так как скорость ветра на 33% слабее. Тогда нужно брать ветер не 10м/с, а 6,6м/с и все встанет на свои места. 6,6м/с*Z5=33, 5:33=0,15, арктангенс 0,15=8,5градусов. Значит ветер реально набегает на плоскость лопасти в зоне быстроходности Z5 под углом 8,5 градусов.

Далее, если не известно аэродинамическое качество лопасти, поляры лопасти, и угол заклинивания, при котором проявляются ее максимальные качества, то угол заклинивания лопасти можно принять равным 5 градусов. Это значит лопасть нужно установить под углом 5 градусов к реально набегающему на плоскость вращения потоку ветра, тогда 8,5-5=3,5 градуса. Получается угол кончика лопасти должен быть установлен на 3,5 градуса, тогда при ветре 10м/с и быстроходности Z5 будет максимальная тяга, и мощность лопасти, то есть максимальный коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ).

Так же лопасть имеет и местную быстроходность, и угол нужно отдельно рассчитывать на каждом участке лопасти. Если кончик лопасти настроен на быстроходность Z5, то в середине лопасти будет Z2,5 .

При всех других условиях лопасть будет отбирать гораздо меньше энергии у ветра и следовательно ее КИЭВ и мощность на валу будут меньше. Например генератор слишком мощный и не даст лопастям выйти на свою быстроходность. Или скорость ветра не та, на которую устанавливались углы лопасти. Поэтому лопасть можно настроить и изготовить под определенный ветер, к примеру 5 м/с, тогда ее максимальная мощность будет только на этом ветру и оборотах, соответствующих ее быстроходности. Чтобы лопасть работала с максильным КПД в широком диапазоне ветров нужно иметь ветроколесо с регулируемым углом установки лопастей. Быстроходность лопастей и степень торможения зависят от кучи факторов, от толщины лопасти, ее ширины в различных участках, от количества лопастей, от коэффициента заполнения ометаетмой лопастями площади, поэтому реально сделанные самодельные лопасти с грубыми расчетами могут вести себя иначе. Если вы рассчитали углы под быстроходность Z5 , это не значит что максимальная мощность будет при этой быстроходности, например если лопасти будут широкие, то лобовое сопротивление будет очень большим на высоких оборотах и большая часть мощности будет теряться на этом сопротивлении.

Пример расчета лопастей под конкретный генератор.

Допустим у вас уже есть генератор, мощность которого вам известна. Мощность генератора на выходе, и мощность потребляемая генератором, то есть КПД. Если КПД не известно, то его можно брать равным 0,5-0,8 , то есть грубо говоря винт должен дать генератору в два раза больше мощности чем генератор вырабатывает.

К примеру генератор при 180об/м выдает 200ватт/ч мощности, и вы хотите получить эту мощность при ветре 6м/с. Значит винт должен отнять у ветра 400ватт и иметь 180об/м. Средний КИЭВ трехлопастного винта 0,4 и быстроходность Z5. Если например винт шести-лопастной, то КИЭВ его будет ниже и быстроходность тоже, примерно КИЭВ 0,3 и быстроходность Z3,5. Более точные данные возможно получить только из конкретных профилей, которые были продуты в аэродинамической трубе, а если данных продувки нет, то можно брать только такие примерные данные. Так.же хочу отметить что без нагрузки винт может разгоняться до больших значений быстроходности, но его мощность будет значительно меньше, и максимальная мощность будет только при расчетной мощности.

Чтобы винт забрал 400 ватт, ветер должен иметь энергию порядка 1000 ватт . При 6м/с ветер имеет мощность (смотрите в других статьях о расчете ветроколеса формулы) 0,6*1*6*6*6=129,6 ватт на квадратный метр. 129,6*8 квадратных метров равно 1036,8 ватт, ометаемая лопастями площадь должна быть 8 кв.метров. Винт диаметром 3,2 метра имеет ометаемую площадь 8м. квадратных. Теперь мы знаем диаметр ветроколеса.

Далее нужно узнать обороты ветроколеса. Длинна окружности винта 3,2м равна 10м, значит за один оборот лопасти пройдут путь 10метров. Теперь нужно узнать скорость кончиков лопастей при ветре 6м/с и быстроходности Z5, 6*5=30м/с, то есть за секунду лопасти сделают 30:10=3об/м, что равно 3*60=180об/м. Из расчетов стало понятно что ветроколесо диаметром 3,2м быстроходностью Z5, при ветре 6м/с будет иметь 180об/м и мощность на валу 400 ватт. Если КПД генератора 0,5 то на выходе будет 200ватт/ч электрических, если же КПД вашего генератора при этих оборотах 0,8 , то на выходе будет 320ватт. Так же если ростом быстроходности КИЭВ значительно не просядет, то возможно мощности за счет оборотов еще чуть чуть прибавится.

Как известно при увеличении скорости ветра в два раза его мощность увеличивается в 8 раз, поэтому и мощность винта тоже увеличится примерно в 8 раз, следовательно зависимость отдаваемой мощности от оборотов должна быть тоже квадратичная. При 6м/с у нас будет около 250 ватт с генератора, а при 10м/с генератор должен выдавать уже до 2кВт и соответственно нагружать ветроколесо. Если генератор окажется слабый, то ветроколесо пойдет в разнос на сильном ветру и будет раскручиваться до больших быстроходностей, отсюда сильный шум, вибрации и возможное разрушение ветрогенератора. Поэтому генератор должен иметь мощность синхронную с мощностью ветроколеса.

Все эти данные конечно обращённые и имеют достаточно грубый расчет, более точный расчет можно произвести самостоятельно зная все нужные параметры генератора и зная аэродинамические свойства применяемого профиля лопастей. Но для домашнего ветряка достаточно и простого расчета углов установки лопастей и ветроколеса в целом. Если у вас возникли вопросы, или вы заметили грубые неточности в моем изложении расчета, то пишите в комментариях ниже об этом всем и я отвечу на все вопросы. Другие материалы по расчету лопастей смотрите в разделе "Расчеты ВГ".