Почему у ветряка всего три лопасти?
HTML-код
- Опубликовано: 27 дек 2022
- В ролике рассматривается работа лопастей ветрогенератора и игрушечного бумажного вертолёта. Оказывается, что вертолёт с 2, 3, 4, 5 лопастями при той же массе спускается вниз с той же скоростью, что и парашют такого же диаметра. Поэтому уже 2 лопасти обеспечивают эффективный отъём энергии у набегающего потока воздуха.
Наш канал с дополнительными материалами
t.me/getaclass_channel
Новосибирский Государственный Университет
Физический факультет НГУ
www.nsu.ru/
Недавно разбирал этот вопрос. Для согласования лопастей с генератором на больших ветряках всегда ставится повышающий редуктор, который может оптимально согласовать любые лопасти с любым генератором по максимуму получаемой полезной мощности. И чем быстроходнее лопасти тем меньше повышающий коэффициент и значит меньше потери в редукторе, его сложность и выше общий КПД ветряка (считаем что обороты генератора поднять нельзя например из-за роста потерь в железе на вихревые токи). В этом смысле однолопастной ветряк (с противовесом) был бы самым лучшим выбором, "но есть нюанс", как говаривал Василий Иванович. Вернее таких нюансов три. Во-первых проблема однолопастных и двухлопастных ветряков это огромная разница в моментах инерции относительно башни когда лопасти направлены вертикально и когда горизонтально. Т. е. при поворотах ветряка за направлением ветра башня испытывает большие переменно направленные нагрузки на скручивание и изгиб, что требует от нее значительного запаса прочности (увеличения диаметра и значит перерасхода материалов), избегания резонансов (ограничения скорости поворота), повышенной прочности приводного вала и подшипников. Трех- и более- лопастные ветряки этого недостатка практически лишены. Во-вторых ограничение на быстроходность лопастей заданной длины накладывает прочность экономически оправданных материалов. В реальной жизни почти безальтернативно это прочность стеклопластика. Чтобы сделать двухлопастную установку тех же размеров и мощности что и трехлопастная - придется поднять обороты в полтора раза, а значит и материал нужен с в полтора раза более высокой удельной прочностью т. е. переход к углепластику. При этом имеем небольшой выигрыш на редукторе и сумасшедшее увеличение стоимости лопастей. Есть еще и в-третьих - ограничение скорости кончиков лопастей на уровне несколько ниже скорости звука. И хотя это ограничение больше касается летательных апаратов, а не ветряков - давайте его тоже упомянем. Современная гигантомания среди ветряков связана конечно в первую очередь с заметным увеличением скорости ветра при подъеме над поверхностью земли. Например SWT-7.0-154 - это флагманская модель компании Siemens. В её названии зашифрованы генерируемая мощность (7 МВт) и диаметр ротора с лопастями (154 м). Один оборот делает минимум за 5 с. Так вот кончики лопастей у него вращаются при этом со скоростью в треть скорости звука. Кстати, при превышении скорости ветра 25 м/с этот ветряк останавливают. При дальнейшем увеличении размеров придется еще сильнее уменьшать частоту вращения (чтобы остаться со стекловолокном) и одновременно увеличивать число лопастей (если лопасти вращаются слишком медленно, то ветер таки "проходит сквозь пальцы" и вы упускаете его энергию - тогда ради чего увеличивали размер?), но дополнительные лопасти стоят денег и к тому же увеличивают вес конструкции, а значит требуют усиления всего-всего включая башню и фундамент. Поэтому видимо больше 3-х лопастей не делают до тех пор пока удельной прочности стеклопластика (отношение прочности на разрыв к плотности) достаточно чтобы выдерживать центробежные силы при необходимых оборотах.
Посмотрел ролик, чтобы узнать, почему 3 лопасти. Итог: а вот вы теперь подумайте сами, почему 3.
Посмотрел, послушал, почитал,.. Посмеялся местами от души! 😆
Три лопасти часто делают чтобы при любом положении лопастей момент инерции винта относительно вертикальной оси (оси стойки на которой установлен ротор) был примерно одинаковым. Это в значительной тепени снижает вибрации и при смене направления ветра позволяет винту поворачиваться более плавно, а не рывками. Например, для двухлопастного винта момент инерции будет меняться в значительной степени(смена направления ветра в момент, когда лопасти находятся в вертикальном положении или в момент когда лопасти расположены по горизону) и будет приводить к совершенно разному отклику системы. Помимо этого это наиболее оптимальное количество лопастей с точки зрения скоростных режимов. Взять-то можно и однолопастной винт(с противовесом вместо второй лопасти) и он будет самым быстрым и самым мощным при сильных ветрах, но ресурс такого чуда будет весьма ограничен, а при слабом ветре он просто будет стоять. Более трёх лопастей - материалоёмкость и сложность конструкции растёт, а выгода - не очень. Исторически так сложилось, что три лопасти - это золотая середина. Некий оптимальный баланс при множестве различных факторов. Если в двух словах: экономическая целесообразность.
С Новым Годом.
Из разряда интересных вопросов касательно аэродинамики, частично отвеченных в данном видео: "почему капюшон помогает от ветра, дующего в лицо?" :)
Вот такие люди не дают полностью погрузиться в потреблядство, и сохранять связь с тем как всё устроено. Спасибо огромное за труды. Вы - наша опора в этом мире!
Большое СПАСИБО. Очень интересно даже для тех, кто в физике понимает мало...
В детстве помню на станции юных техников, для скоростных кордовых моделей использовались однолопастные винты, как предельный вариант самого эффективного винта .(лопасть с балансиром вместо противоположной лопасти) Это имеет смысл, когда не очень важна масса изделия и "идешь на рекорд". В целом же - увеличение количества лопастей ведет к некоторому увеличению эффективности ротора (можно несколько уменьшить его диаметр) но оно же ведет и к увеличению сопротивления ротора (ведь набегающий поток "атакуют" не одна передняя кромка винта а две... три... ) При большем количестве эффективность уж практически не растет, а сопротивление увеличивается кратно количеству лопастей. Возможно именно на трех лопастях этот компромисс имеет максимум.
Я думаю три лопасти нужно для баланса! Две лопасти не стабильные, приводящие к раскачиванию и повышенному износу подшипников!
Помимо всех уже описаных в коментариях причин и рассуждений, есть еще одна (которую не увидел),
3-лопастной винт ведет себя как приличный (аксиально-симметричный) гироскоп. 2-лопастной винт при смене ориентации оси из-за смены направления ветра создает пульсирующую (ударную) нагрузку на ось, а не постоянную как нормальный гироскоп.
Тут, по-моему, всё чуть сложнее, чем описано в модели. Каждая лопасть создает перед собой область повышенного давления сложной формы. Увеличивать количество лопастей имеет смысл до тех пор, пока эти области повышенного давления не начинают перекрывать друг друга (они как бы начинают мешать друг другу). Кроме того значение имеет, возможно, скорость вращения. Желательно, чтобы лопасть не попадала в область воздуха, который возмущён предыдущей лопастью. Таким образом, для медленных винтов бОльшее количество лопастей может имееть смысл.
Маленькие одноместные вертолеты чаще всего делают двухлопастными. А тяжелые вертолеты имеют большее количество лопастей. Можно легко догадаться, с чем это связано.
Гениально. Только глубокие знания дают такую лёгкость показать на пальцах. Спасибо
Спасибо!
Чем длинней и уже лопасть (коэффициент удлинения) тем производительней винт.
Для ветряка еще есть понятие быстроходности. И количество лопастей зависит от того что нужно вращать. Для генераторов применяют как правило 3-лопастные ветряки. А для всяких приводов типа водяных насосов многолопастные. Они менее быстроходны, но имеют меньшую скорость страгивания. Т.е. стартуют при меньшей скорости ветра. Ну и коэфф использования ветра выше у малолопастных ветряков.
Спасибо за труд! Как всегда интересно и познавательно.
Чем больше лопастей тем медленне вращается ротор. У водоподъемных ветряков два десятка лопастей.