Оптимальное количество лопастей

Какое количество лопастей можно считать оптимальным. У ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения с увеличением количества лопастей снижается быстроходность. Поэтому например у ветрогенераторов Мельникова всего одна лопасть. У ветрогенераторов с вертикальной осью вращения использующих силу напора потока как движущую силу примерно та же зависимость. Потому что лопасть движущаяся против ветра испытывает большое лобовое сопротивление и чем больше лопастей тем больше тормозящий эффект. Но я хочу подробно рассмотреть свою конструкцию представленную в статье Винт ветрогенератора .

рис 1

На рисунке 1 стрелочками условно показана подъемная сила ветра действующая на лопасть. Размер стрелки отображает величину этой силы, направление совпадает с направлением действующей силы. Из этого видно что по фронту и тылу лопасть в полной мере использует силу потока так как подъемная сила ветра действующая на лопасть велика и совпадает по направлению с направлением движения лопасти. А по флагам подъемная сила ветра или уменьшается или не совпадает с направлением движения лопасти.

рис 2

На рисунке 2 условно изображен ветрогенератор с тремя лопастями. Ветрогенератор максимально использует энергию ветра когда лопасть движется по фронту или тылу. Три лопасти отстоящие друг от друга на угол в 120 градусов это минимальное количество лопастей для оптимальной работы ветрогенератора. При такой конструкции какая ни будь из лопастей всегда оказывается в активной зоне в которой ветрогенератор максимально использует энергию ветра. Но давайте подробнее рассмотрим какие силы действуют на ветрогенератор.

При полном отсутствии ветра мы руками раскручиваем конструкцию за плечо на котором закреплена лопасть и механизм поворота лопасти. Мы затратим какую то энергию на вращение конструкции часть этой энергии потратится на вращение лопасти вокруг своей оси. Но при работе ветряка все происходит не так. Лопасть является движущей деталью конструкции, на лопасть действует подъемная сила ветра. Рассмотрим лопасть подробнее. Лопасть симметрична хорде, обе грани лопасти одинаково закруглены (так как лопасть поворачивается к потоку то одной гранью то другой). При стекании с закругленного конца лопасти поток будет срываться образуя область низкого давления что приведет к тому что вектор подъемной силы ветра будет смещен немного назад относительно центра симметрии лопасти. Короче говоря лопасть расположенная под каким то углом к набегающему потоку будет стремится повернутся параллельно потоку. Будет возникать крутящий момент. Это если у чемодана ручку прикрепить не по центру а сместить в сторону, чемодан перекосит, чемодан тяжелее не станет проста точка опоры не совпадает с центром тяжести. Когда лопасть движется по фронту, относительно набегающего потока, возникающий закручивающей эффект совпадает с направлением вращения лопасти. Когда по тылу возникающий закручивающей эффект противодействует вращению лопасти. Эти силы одинаковы но противоположно направлены и должны уравновесить друг друга. Но на практике лопасть движущаяся по фронту будет получать больше энергии от потока чем лопасть движущаяся по тылу (она находится как бы в тени первой часть энергии поток уже отдал и его воздействие на лопасть более слабое). Поэтому в результате сложения этих противоположно направленных сил у нас останется положительный остаток совпадающий с направлением вращения лопасти. Чем больше лопастей имеет конструкция тем больше затеняющий эффект и тем сильнее будет проявляться крутящий момент лопасти.

Теперь учитывая возникающий крутящий момент лопасти мы видим что в конструкции представленной на втором рисунке будет возникать диссонанс потому что закручивающий эффект каждой лопасти будет разный из за разницы подъемной силы ветра действующей на каждую лопасть в данный момент.

рис 3

На рисунке 3 условно изображен ветрогенератор с шестью лопастями. При таком расположении лопастей крутящий момент, возникающий в противоположно лежащих лопастях, будет взаимоустраняться так как эти сил равновелики но противоположны по направлению, будет оставаться небольшой положительный остаток совпадающий с направлением вращения лопасти, возникающий из за затеняющего эффекта.

То есть конструкция изображенная на рисунке 3 будет работать более плавно без ненужных биений. Возникающий затеняющий эффект позволит компенсировать затраты энергии на работу редуктора. Возникает интересный эффект с увеличением количества лопастей а сними и редукторов эффективность ветрогенератора будет расти, до какого то момента, но при дальнейшем увеличении количества лопастей эффективность начнет падать. Какое количество размер и форма лопастей будет являться оптимальной могут показать только практические испытания, а сейчас можно предположить что ветрогенератор с шестью лопастями будет работать эффективнее чем с тремя.