На фотографии модель легкого ветряка, с гибкими (самоустанавливающимися) лопастями. Длина лопасти – 0,58м. Уже в таком варианте, она позволяет заряжать мобильный телефон даже при слабом ветре. Но суть не в этом.

  На левой фотографии ротор остановлен и лопасти изгибаются набегающим потоком воздуха (4 - 6 м/с). Казалось бы, такая конструкция работать не должна, так как при более сильном ветре лопасти будут касаться мачты или анемометра. Но ситуация меняется, когда лопасти начинают вращаться. На правой фотографии, лопасти вращаются ( около 4 об./сек), при той же скорости ветра.

   Лопасти, конечно, выравниваются и на то есть две причины. С одной стороны это центробежные силы. С другой – изменяется угол, с которым ветер набегает на вращающиеся лопасти. Он становится острым и меньше влияет на изгиб лопасти.

  В данной конструкции большинство проблем решено на уровне лопасти. Она сама выбирает оптимальный угол атаки, затормаживается при сильном ветре, отслеживает порывы ветра, и так далее. Но есть одна проблема, которая не решается устройством лопасти. Возникает она, когда вся конструкция быстро поворачивается на новое направление ветра. При этом ветроколесо изгибается и приобретает причудливую форму. Описать это тяжело, поэтому проще понять почему так происходит.

    Гироскопический момент или Кориолис?

  Не так важно чем отличается ускорение Кориолиса от гироскопического момента, как то, как они возникают и как работают.

  Представим, что Вы стоите на большом, медленно вращающемся диске, спиной к центру вращения. От центра, по радиусу, проведена линия на которой Вы стоите. Конечно, центростемительное ускорение заставляет Вас стоять немного наклонившись в сторону центра вращения. Предположим, что диск вращается против часовой стрелки (по левую руку). Теперь задача. Преместится на один шаг,по линии радиуса, от центра к переферии. Традиционно, мы делаем шаг и ... попадаем в точку, которая находится немного правее. По русски это будет называться - "Немного сностит в сторону". Так вот. Это "немного сносит" вызвано силой, которую рождает ускорение Кориолиса.

  Физически, Вы, с массой m, вращаясь на радиусе r имеете кинетическую энергию m*V*V/2, где V - произведение угловой скорости на радиус. Что бы переместиться на больший радиус, где скорость выше, необходимо увеличить свою кинетическую энергию или скорость, то есть, сделать шаг в сторону направления вращения.

  Таким образом, ускрение Кориолиса появляется, когда при вращении, масса перемещается вдоль радиуса.

  Во вращающемся роторе ветроколеса - ничего не пермемещается по радиусу, все массы остаются на своем месте. Поэтому есть смысл говорить о гироскопическом моменте. Суть последнего заключается в том, что жесткий маховик, вращающийся с большой скоростью, старается сохранить свое положение относительно звездной системы координат. Всем попыткам изменить направление оси вращения - он сопротивляется.

  В случае ветроколеса, речь идет о деформирующимся маховике, относительно легко меняющем свою форму. Рассматривать теорию никто не будет, а эксперимент, моделирующий это процесс - сделаем. Для этого, возьмем нитку, привяжем к ней очень маленький грузик и начнем вращать в плоскости, перед собой. Теперь, попробуем поменять направление оси вращения повернувшись в право или влево. При этом, плоскость вращения наклонится к Вам или от Вас. Не переусердствуйте. При резком повороте, грузик, наверняка стукнет Вас по голове или ногам. Кроме того, плоскоть вращения грузика отстает от истинной плоскости вращения (которую Вы задаете рукой).

    Как решается проблема в промышленных ветроустановках.

   Данные снимаются с анемометра (чашечного) и небольшой флюгера, которые обязательно присутствуют на задней части гондолы ветряка.

  Промышленные ветрогенераторы имеют длину каждой лопасти от 9 до 40 (60) метров. О гироскопическом моменте, который возникает от вращения такого «маховика» можно только догадываться.

    Решение проблемы для небольших ветроустановок.

    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