Проверить надо, а ветра нет.

  Сделать полномасштабную модель ветряка и ждать ураганного ветра, что бы посмотреть что будет, это плохая идея. Во первых это долго, во вторых сильного ветра может и не быть. Все решается значительно проще. Для этого, ветроколесо необходимо раскрутить с помощью электродвигателя или электродрели. Желательно, что бы в плоскости вращения никого не было.

  Только не надо думать, что это просто. Для ветроколеса диаметром около метра могут потребоваться сотни ватт. Исключения составляют колеса с лопастями, которые могут переходить в режим флюгирования. Для остальных изготавливаются точно такие же лопасти, только с нулевым углом атаки. Поворачивая ветрогенератор из стороны в сторону Вы получите полное представление о том, что будет происходить при сильном ветре.

    До какой скорости крутить?

  Вопрос, скорее, философский. Для этого нужно знать максимальную скорость ветра, которую Вы ожидаете или на которую рассчитываете.
  Экспериментально замечено, что чем больше лопастей у ветроколеса, тем медленнее оно вращается. Сила трения увеличивается или что то еще – не важно. Что бы связать наблюдения с теорией, ввели коэффициент, который связывает скорость кончика лопасти и скорость ветра. Для однолопастного ветроколеса этот коэффициент равен 9, для двухлопастного – 7, для трехлопастного – 5, для шести лопастей – 3 и так далее.

  Коэффициент был введен исключительно для того, что бы разделить ветроколеса на быстроходные и тихоходные. Если наблюдать за реальными ветряками, то выяснится, что этот коэффициент очень приблизительно отражает действительность. Тем не менее, физический смысл есть. В потоке воздуха, за движущейся лопастью, остается след. Если скорость вращения ветроколеса превысит определенную, то следующая лопасть будет попадать в этот след. Результатом будет ограничение скорости ветроклеса.

  Теперь посмотрим, как это может нам помочь. К примеру, для однолопастного колеса, при скорости ветра 10 м/с, кончик лопасти будет двигаться со скоростью 10 м/с * 9 = 90 м/с. Но это линейная скорость кончика лопасти, а нас интересует скорость вращения ротора. Для этого разделим скорость кончика лопасти на длину окружности, которую он «пробегает». Для ветроколеса диаметром 1 метр, длинна окружности будет около 3 метров. В течении секунды, при скорости 90 м/с, кончик лопасти успеет пробежать это расстояние 30 раз. Значит наша угловая скорость будет 30 об./ сек. Таким образом, однолопастное ветроколесо диаметром 1 метр, при скорости ветра 10 м/с, должно вращаться со скоростью 30 об./сек.

  А теперь, попробуем решить обратную задачу. Для этого понаблюдаем за промышленным, трехлопастным, ветряком с 40-ка метровыми лопастями. Его лопасти делают полный оборот за 4 секунды, при скорости ветра около 10 м/с. Дальше простая математика. Лопасти – 40м, диаметр – 80м, длина окружности – 240м. 240 метров за 4 сек  =  60 метров за одну секунду. Быстроходность ветроколеса (отношение скорости кончика лопасти к скорости ветра)  =  60 м/с /  10м/с  =  6,0. Я бы сказал, почти совпало (должно было получиться 5,0).

  Теперь Вы знаете максимальную скорость вращения ветроколеса. Как правило, желание раскрутить «по максимуму»  - побеждает. Поэтому надо быть готовым к тому, что ветроколесо может развалится в любой момент, а лопасти (или их части) улетят неизвестно куда. Будьте уверены, что они никого не встретят на своем пути.

  Прелесть коэффициента быстроходности заключается в том, что Вы можете определить максимальную скорость вращения любого ветроколеса в зависимости от скорости ветра. Хотя, на практике, это поворачивается немного в другую плоскость. Вы сделали ветроколесо и рассчитали скорость вращения, а при реальном ветре оно вращается значительно медленнее. Вопрос – почему?
  Есть много причин, но одна из главных связана с лопастями, с их качеством, формой, профилем ... Знание аэродинамики, то же, помогает. Но стоит ли фундаментально изучать аэродинамику для того, что бы сделать один единственный ветряк? Изучить, конечно стоит, но за аэродинамикой тянется термодинамика, сопротивление материалов и дальше, весь курс высшего образования. Это и в памяти освежить не так просто.
  Помогает то, что всего знать и не нужно. Необходимо знать несколько принципов, понимать как это работает, и почему.

  На следующей странице пойдет речь о лопастях, их форме, профиле, эффективности и всем том, что может пригодиться. Если мне удастся обойтись минимумом формул, то следующая страница будет находиться здесь.

20.11.2011  SKootS