Лопасти несущего винта вертолета надо построить так, чтобы они, создавая необходимую подъемную силу, выдерживали все возникающие на них нагрузки. И не просто выдерживали, а имели бы еще запас прочности на всякие непредвиденные случаи, которые могут встретиться в полете и при техническом обслуживании вертолета на земле (например, резкий порыв ветра, восходящий поток воздуха, резкий маневр, обледенение лопастей, неумелая раскрутка винта после запуска двигателя и т. д.).
Одним из расчетных режимов для подбора несущего винта вертолета является режим вертикального набора на любой избранной для расчета высоте. На этом режиме из-за отсутствия поступательной скорости в плоскости вращения винта потребная мощность имеет большую величину.
Зная приблизительно вес конструируемого вертолета и задаваясь величиной полезной нагрузки, которую должен будет поднимать вертолет, приступают к подбору винта. Подбор винта сводится к тому, чтобы выбрать такой диаметр винта и такое число его оборотов в минуту, при которых бы расчетный груз мог быть поднят винтом отвесно вверх с наименьшей затратой мощности.
При этом известно, что тяга несущего винта пропорциональна четвертой степени его диаметра и только второй степени числа оборотов, т. е. тяга, развиваемая несущим винтом, более зависит от диаметра, чем от числа оборотов. Поэтому заданную тягу легче получить увеличением диаметра, чем увеличением числа оборотов. Так, например, увеличив диаметр в 2 раза, получим тягу в 24 = 16 раз большую, а увеличив число оборотов в два раза, получим тягу только в 22 = 4 раза большую.
Зная мощность двигателя, который будет установлен на вертолете для приведения во вращение несущего винта, сначала подбирают диаметр несущего винта. Для этого применяют следующее соотношение:
Лопасть несущего винта работает в очень тяжелых условиях. На нее действуют аэродинамические силы, которые ее изгибают, скручивают, разрывают, стремятся оторвать от нее обшивку. Чтобы «противостоять» такому действию аэродинамических сил, лопасть должна быть достаточно прочной.
При полетах в дождь, в снег или в облаках при условиях, способствующих обледенению, работа лопасти еще более усложняется. Капли дождя, попадая на лопасть с огромным» скоростями, сбивают с нее краску. При обледенении па лопастях образуются ледяные наросты, которые искажают ее профиль, мешают ее маховому движению, утяжеляют ее. При хранении вертолета на земле на лопасть разрушающе действуют резкие изменения температуры, влажность, солнечные лучи.
Значит, лопасть должна быть не только прочной, но она еще должна быть невосприимчивой к влиянию внешней среды. Но если бы только это! Тогда лопасть можно было бы сделать цельнометаллической, покрыв ее противо-коррозийным слоем, и задача была бы решена.
Но есть еще одно требование: лопасть, кроме этого, должна быть еще и легкой. Поэтому ее изготовляют полой За основу конструкции лопасти берут металлический лонжерон, чаще всего - стальную трубу переменного сечения, площадь которого постепенно или ступенчато уменьшается от корневой части к концу лопасти.
Лонжерон, как главный продольный силовой элемент лопасти, воспринимает перерезывающие силы и изгибающий момент. В этом отношении работа лонжерона лопасти схожа с работой лонжерона самолетного крыла. Однако на лонжерон лопасти действуют в результате вращения винта еще центробежные силы, чего нет у лонжерона крыла самолета. Под действием этих сил лонжерон лопасти подвергается растяжению.
К лонжерону привариваются или приклепываются стальные фланцы для крепления поперечного силового набора - нервюр лопасти. Каждая нервюра, которая может быть металлической или деревянной, состоит из стенок и полок. К металлическим полкам приклеивается или приваривается металлическая обшивка, а к деревянным полкам приклеивается фанерная или пришивается полотняная обшивка или к носку приклеивается фанерная обшивка, а к хвостику пришивается полотняная, как показано. В носовой части профиля полки нервюр крепятся к переднему стрингеру, а в хвостовой части - к заднему стрингеру. Стрингеры служат вспомогательными продольными силовыми элементами.
Обшивка, покрывающая полки нервюр, образует собой профиль лопасти в любом ее сечении. Наиболее легкой является полотняная обшивка. Однако во избежание искажения профиля в результате прогиба полотняной обшивки на участках между нервюрами, нервюры лопасти приходится ставить очень часто, примерно через 5-6 см одна от другой, что утяжеляет лопасть. Поверхность лопасти с плохо натянутой полотняной обшивкой выглядит ребристой и обладает низкими аэродинамическими качествами, так как ее лобовое сопротивление велико. В процессе одного оборота профиль такой лопасти меняется, что способствует появлению дополнительной вибрации вертолета. Поэтому полотняная обшивка пропитывается аэролаком, который по мере своего высыхания сильно натягивает полотно.
При изготовлении обшивки из фанеры жесткость лопасти увеличивается и расстояние между нервюрами может быть увеличено в 2,5 раза по сравнению с лопастями, обтянутыми полотном. Для того чтобы уменьшить сопротивление, поверхность фанеры гладко обрабатывается и полируется.
Хороших аэродинамических форм и большой прочности можно добиться, если изготовить полую цельнометаллическую лопасть. Трудность ее производства состоит в изготовлении переменного по сечению лонжерона, который образует носовую часть профиля. Хвостовая часть профиля лопасти изготовляется из листовой металлической обшивки, которую передними кромками заподлицо приваривают к лонжерону, а задние кромки склепывают между собой.
Профиль лопасти винта вертолета выбирается с таким расчетом, чтобы при увеличении угла атаки срыв обтекания возникал на возможно больших углах атаки. Это необходимо для того, чтобы избежать срыва обтекания на отступающей лопасти, где углы атаки особенно велики. Кроме того, во избежание вибраций профиль надо подобрать такой, у которого бы при изменении угла атаки не менялось положение центра давления.
Очень важным фактором для прочности и работы лопасти является взаимное расположение центра давления и центра тяжести профиля. Дело в том, что при совместном действии изгиба и кручения, лопасть подвержена самовозбуждающейся вибрации, т. е. вибрации со все возрастающей амплитудой (флаттеру). Во избежание вибрации лопасть должна балансироваться относительно хорды, т. е. должно быть обеспечено такое положение центра тяжести на хорде, которое исключало бы самовозрастание вибрации. Задача балансировки сводится к тому, чтобы у построенной лопасти центр тяжести профиля находился впереди центра давления.
Продолжая рассматривать тяжелые условия работы лопасти несущего винта, необходимо отметить, что повреждение деревянной обшивки лопасти каплями дождя может быть предотвращено, если вдоль ее передней кромки укрепить листовую металлическую окантовку.
Борьба же с обледенением лопастей представляет собой более сложную задачу. Если такие виды обледенения в полете, как иней и изморозь, большой опасности для вертолета не представляют, то стекловидный лед, постепенно и незаметно, но чрезвычайно прочно наращивающийся на лопасти, приводит к утяжелению лопасти, искажению ее профиля и, в конечном счете, к уменьшению подъемной силы, что приводит к резкой потере управляемости и устойчивости вертолета.
Существовавшая одно время теория о том, что лед вследствие машущего движения лопастей будет в полете скалываться, оказалась несостоятельной. Обледенение лопасти начинается раньше всего у корневой части, где изгиб лопасти при ее машущем движении невелик. В дальнейшем слой льда начинает распространяться все дальше к концу лопасти, постепенно сходя на нет. Известны случаи, когда толщина льда у корневой части достигала 6 мм, а у конца лопасти - 2 мм.
Предотвратить обледенение возможно двумя путями.
Первый путь - это тщательное изучение прогноза погоды в районе полетов, обход встретившихся по пути облаков и изменение высоты полета с целью выхода из воны обледенения, прекращение полета и т. д.
Второй путь - это оборудование лопастей противо-обледенительными устройствами.
Известен целый рад этих устройств для лопастей вертолета. Для удаления льда с лопастей несущего винта может
быть применен спиртовой противообледенитель, который разбрызгивает на передней кромке винта спирт. Последний, смешиваясь с водой, понижает температуру ее замерзания и препятствует образованию льда.
Скалывание льда с лопастей винта может быть осуществлено воздухом, который нагнетается в резиновую камеру, проложенную вдоль передней кромки несущего винта. Раздувающаяся камера надкалывает ледяную корку, отдельные куски которой затем сметаются с лопастей винта встречным потоком воздуха.
Если передняя кромка лопасти винта сделана из металла, то ее можно подогревать или электричеством, или теплым воздухом, пропускаемым через трубопровод, проложенный вдоль передней кромки несущего винта.
Будущее покажет, какой из этих способов найдет себе более широкое применение.
Для аэродинамических характеристик несущего винта большое значение имеют число лопастей несущего винта, и удельная нагрузка на ометаемую винтом площадь. Теоретически число лопастей винта может быть любым, от одной бесконечно большого их числа, настолько большого, что они в конечном счете сливаются в спиральную поверхность, как это предполагалось в проекте Леонардо да Винчи или в вертолете-велосипеде И. Быкова.
Однако есть какое-то наиболее выгодное число лопастей. Число лопастей не должно быть меньше трех, так как при двух лопастях возникают большие неуравновешенные силы и колебания тяги винта. Показано изменение тяги несущего винта около его среднего значения в течение одного оборота винта у однолопастного и двухлопастного винтов. Трехлопастной винт уже практически сохраняет среднее значение тяги в течение всего оборота.
Число лопастей винта не должно быть также очень большим, так как в этом случае каждая лопасть работает в потоке, возмущенном предыдущей лопастью, что снижает коэффициент полезного действия несущего винта.
Чем больше лопастей винта, тем большую часть площади ометаемого диска они занимают. В теорию несущего винта вертолета введено понятие коэффициента заполнения о, который подсчитывается как отношение суммарной площади
Для расчетного режима работы несущего винта вертолета (отвесный подъем) наивыгоднейшей величиной коэффициента заполнения является величина 0,05-0,08 (среднее значение 0,065).
Эта нагрузка является средней. Малой нагрузкой называют нагрузку в пределах 9-12 кг/м2. Вертолеты, имеющие такую нагрузку, маневренны и обладают большой крейсерской скоростью.
Вертолеты общего назначения имеют среднюю нагрузку в пределах от 12 до 20 кг/м2. И, наконец, большой нагрузкой, редко применяемой, является нагрузка от 20 до 30 кг/м2.
Дело в том, что хотя высокая удельная нагрузка на ометаемую площадь и обеспечивает большую полезную нагрузку вертолета, но при отказе двигателя такой вертолет на режиме самовращения будет снижаться быстро, что недопустимо, так как в этом случае нарушается безопасность снижения.
За последнее время в мире вертолетной техники произошло несколько значимых событий. Американская компания Kaman Aerospace объявила о намерении возобновить производство синхроптеров, Airbus Helicopters пообещала разработать первый гражданский вертолет с электродистанционным управлением, а немецкая e-volo - испытать 18-роторный двухместный мультикоптер. Чтобы не запутаться во всем этом разнообразии, мы решили составить краткий ликбез по основным схемам вертолетной техники.
Впервые идея летательного аппарата с несущим винтом появилась около 400 года нашей эры в Китае, однако дальше создания детской игрушки дело не пошло. Всерьез инженеры взялись за создание вертолета в конце XIX века, а первый вертикальный полет нового типа летательного аппарата состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. В 1922 году авиаконструктор Георгий Ботезат испытал вертолет-квадрокоптер, разработанный по заказу Армии США. Это был первый в истории устойчиво управляемый полет техники такого типа. Квадрокоптер Ботезата сумел взлететь на высоту пяти метров и провел в полете несколько минут.
С тех пор вертолетная техника претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня делится на пять типов: автожир, вертолет, винтокрыл, конвертоплан и X-крыло. Все они отличаются конструкцией, способом взлета и полета, управлением несущим винтом. В этом материале мы решили рассказать именно о вертолетах и их основных типах. При этом за основу была взята классификация по компоновке и расположению несущих винтов, а не традиционная - по типу компенсации реактивного момента несущего винта.
Вертолет является винтокрылым летательным аппаратом, у которого подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Такие винты располагаются параллельно земле, а их лопасти устанавливаются под определенным углом к плоскости вращения, причем угол установки может изменяться в достаточно широких пределах - от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.
Во время вращения лопасти захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению винта. В результате перед винтом создается зона пониженного давления, а за ним - повышенного. В случае вертолета так возникает подъемная сила, которая очень похожа на образование подъемной силы фиксированным крылом самолета. Чем больше угол установки лопастей, тем большую подъемную силу создает несущий винт.
Характеристики несущего винта определяются двумя основными параметрами - диаметром и шагом. Диаметр винта определяет возможности вертолета по взлету и посадке, а также отчасти величину подъемной силы. Шаг винта - это воображаемое расстояние, которое воздушный винт пройдет в несжимаемой среде при определенном угле установки лопастей за один оборот. Последний параметр влияет на подъемную силу и скорость вращения ротора, которую на большей части полета летчики стараются держать неизменной, меняя только угол установки лопастей.
При полете вертолета вперед и вращении несущего винта по часовой стрелке, набегающий поток воздуха сильнее воздействует на лопасти с левой стороны, из-за чего возрастает и их эффективность. В результате левая половина окружности вращения винта создает большую подъемную силу, чем правая, и возникает кренящий момент. Для его компенсации конструкторы придумали - это особая система, которая уменьшает угол установки лопастей слева и увеличивает его справа, выравнивая таким образом подъемную силу по обе стороны винта.
В целом, вертолет имеет несколько преимуществ и несколько недостатков перед самолетом. К преимуществам относится возможность вертикального взлета и посадки на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта. При этом вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. Вертолеты отличаются и лучшей маневренностью, поскольку могут висеть вертикально, лететь боком или задом-наперед, поворачиваться на месте.
К недостаткам же относятся большее, чем у самолетов, потребление топлива, большая инфракрасная заметность из-за горячего выхлопа двигателя или двигателей, а также повышенная шумность. Кроме того, вертолетом в целом сложнее управлять из-за ряда особенностей. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.
У вертолетной техники любых схем существует режим авторотации. Он относится к аварийным режимам. Это означает, что при отказе, например, двигателя несущий винт или винты при помощи обгонной муфты отсоединяются от трансмиссии и начинают свободно раскручиваться набегающим потоком воздуха, тормозя падение машины с высоты. В режиме авторотации возможна управляемая аварийная посадка вертолета, причем вращающийся несущий винт через редуктор продолжает раскручивать рулевой винт и генератор.
Классическая схема
Из всех типов вертолетных схем сегодня самой распространенной является классическая. При такой схеме машина имеет только один несущий винт, который может приводиться в движение одним, двумя или даже тремя двигателями. К этому типу, например, относятся ударные AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Ми-28Н, транспортно-боевые Ми-24 и Ми-35, транспортные Ми-26, многоцелевые UH-60L Black Hawk и Ми-17, легкие Bell 407 и Robinson R22.
При вращении несущего винта на вертолетах классической схемы возникает реактивный момент, из-за которого корпус машины начинает раскручиваться в сторону, противоположную вращению ротора. Для компенсации момента используют рулевое устройство на хвостовой балке. Как правило им является рулевой винт, но это может быть и фенестрон (винт в кольцевом обтекателе) или несколько воздушных сопел на хвостовой балке.
Особенностью классической схемы являются перекрестные связи в каналах управления, обусловленные тем, что рулевой винт и несущий приводятся одним и тем же двигателем, а также наличием автомата перекоса и множества других подсистем, ответственных за управление силовой установкой и роторами. Перекрестная связь означает, что при изменении какого-либо параметра работы воздушного винта, поменяются и все остальные. Например, при увеличении частоты вращения несущего винта возрастет и частота вращения рулевого.
Управление полетом осуществляется наклоном оси вращения несущего винта: вперед - машина полетит вперед, назад - назад, вбок - вбок. При наклоне оси вращения возникнет движущая сила и уменьшается подъемная. По этой причине для сохранения высоты полета летчику необходимо менять и угол установки лопастей. Направление полета задается изменением шага рулевого винта: чем он меньше, тем меньше компенсируется реактивный момент, и вертолет поворачивает в сторону, противоположную вращению несущего винта. И наоборот.
В современных вертолетах в большинстве случаев управление полетом по горизонтали осуществляется при помощи автомата перекоса. Например, для движения вперед летчик при помощи автомата уменьшает угол установки лопастей для передней половины плоскости вращения крыла и увеличивает - для задней. Таким образом сзади подъемная сила увеличивается, а спереди - уменьшается, благодаря чему изменяется наклон винта и появляется движущая сила. Такая схема управления полетом применяется на всех вертолетах почти всех типов, если на них установлен автомат перекоса.
Соосная схема
Второй по распространенности вертолетной схемой является соосная. В ней рулевой винт отсутствует, зато есть два несущих винта - верхний и нижний. Они располагаются на одной оси и вращаются синхронно в противоположных направлениях. Благодаря такому решению винты компенсируют реактивный момент, а сама машина получается несколько более устойчивой по сравнению с классической схемой. Кроме того, у вертолетов соосной схемы практически отсутствуют перекрестные связи в каналах управления.
Наиболее известным производителем вертолетов соосной схемы является российская компания «Камов». Она выпускает корабельные многоцелевые вертолеты Ка-27, ударные Ка-52 и транспортные Ка-226. Все они имеют по два винта, расположенных на одной оси друг под другом. Машины соосной схемы, в отличие от вертолетов классической схемы, способны, например, делать воронку, то есть выполнять облет цели по кругу, оставаясь на одном и том же расстоянии от нее. При этом носовая часть всегда остается развернутой в сторону цели. Управление рысканием осуществляется подтормаживанием одного из несущих винтов.
В целом управлять вертолетами соосной схемы несколько проще, чем обычными, особенно в режиме висения. Но существуют и свои особенности. Например, при выполнении петли в полете может случиться перехлест лопастей нижнего и верхнего несущего винтов. Кроме того, в проектировании и производстве соосная схема более сложна и дорога, чем классическая схема. В частности из-за редуктора, передающего вращение вала двигателя на винты, а также автомата перекоса, синхронно устанавливающего угол лопастей на винтах.
Продольная и поперечная схемы
Третьей по популярности является продольная схема расположения несущих винтов вертолета. В этом случае винты располагаются параллельно земле на разных осях и разнесены друг от друга - один находится над носовой частью вертолета, а другой - над хвостовой. Типичным представителем машин такой схемы является американский тяжелый транспортный вертолет CH-47G Chinook и его модификации. Если винты располагаются на законцовках крыльев вертолета, то такая схема называется поперечной.
Серийных представителей вертолетов поперечной схемы сегодня не существует. В 1960-1970-х годах конструкторское бюро Миля разрабатывало тяжелый грузовой вертолет В-12 (также известен, как Ми-12, хотя этот индекс неверен) поперечной схемы. В августе 1969 года прототип В-12 установил рекорд грузоподъемности среди вертолетов, подняв на высоту 2,2 тысячи метров груз массой 44,2 тонны. Для сравнения самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26 (классическая схема) может поднимать грузы массой до 20 тонн, а американский CH-47F (продольная схема) - массой до 12,7 тонны.
У вертолетов продольной схемы несущие винты вращаются в противоположных направлениях, однако это компенсирует реактивные моменты лишь отчасти, из-за чего в полете летчикам приходится учитывать возникающую боковую силу, уводящую машину с курса. Движение в стороны задается не только наклоном оси вращения несущих винтов, но и разными углами установки лопастей, а управление рысканием производится за счет изменения частоты вращения роторов. Задний винт у вертолетов продольной схемы всегда располагается чуть выше переднего. Это сделано для исключения взаимного влияния от их воздушных потоков.
Кроме того, на определенных скоростях полета вертолетов продольной схемы иногда могут возникать значительные вибрации. Наконец, вертолеты продольной схемы оснащаются сложной трансмиссией. По этой причине такая схема расположения винтов распространена мало. Зато вертолеты продольной схемы меньше других машин подвержены возникновению вихревого кольца. В этом случае во время снижения воздушные потоки, создаваемые винтом, отражаются от земли вверх, затягиваются винтом и снова направляются вниз. При этом подъемная сила несущего винта резко снижается, а изменение частоты вращения ротора или увеличение угла установки лопастей эффекта практически не оказывает.
Синхроптер
Сегодня вертолеты, построенные по схеме синхроптера, можно отнести к самым редким и наиболее интересными с конструктивной точки зрения машинами. Их производством до 2003 года занималась только американская компания Kaman Aerospace. В 2017 году компания планирует возобновить выпуск таких машин под обозначением K-Max. Синхроптеры можно было бы отнести к вертолетам поперечной схемы, поскольку валы двух их винтов расположены по бокам корпуса. Однако оси вращения этих винтов расположены под углом другу к другу, а плоскости вращения - пересекаются.
У синхроптеров, как у вертолетов соосной, продольной и поперечной схем, рулевой винт отсутствует. Несущие же винты вращаются синхронно в противоположные стороны, а их валы связаны друг с другом жесткой механической системой. Это гарантированно предотвращает столкновение лопастей при разных режимах и скоростях полета. Впервые синхроптеры были изобретены немцами во время второй мировой войны, однако серийное производство велось уже в США с 1945 года компанией Kaman.
Направлением полета синхроптера управляют исключительно изменением угла установки лопастей винтов. При этом из-за перекрещивания плоскостей вращения винтов, а значит сложения подъемных сил в местах перекрещивания, возникает момент кабрирования, то есть подъема носовой части. Этот момент компенсируется системой управления. В целом же, считается, что синхроптером проще управлять в режиме висения и на скоростях больше 60 километров в час.
К достоинствам таких вертолетов относится экономия топлива за счет отказа от рулевого винта и возможность более компактного размещения агрегатов. Кроме того, синхроптерам характерна большая часть положительных качеств вертолетов соосной схемы. К недостаткам же относится необычайная сложность механической жесткой связи валов винтов и системы управления автоматами перекоса. В целом это делает вертолет дороже, по сравнению с классической схемой.
Мультикоптер
Разработка мультикоптеров началась практически одновременно с работами над вертолетом. Именно по этой причине первым вертолетом, совершившим управляемый взлет и посадку стал в 1922 году квадрокоптер Ботезата. К мультикоптерам относят машины, как правило имеющие четное количество несущих винтов, причем их должно быть больше двух. В серийных вертолетах сегодня схема мультикоптеров не используется, однако она чрезвычайно популярна у производителей малой беспилотной техники.
Дело в том, что в мультикоптерах используются винты с неизменяемым шагом винта, причем каждый из них приводится в движение своим двигателем. Компенсация реактивного момента производится вращением винтов в разные стороны - половина крутится по часовой стрелке, а другая половина, расположенная по диагонали, - в противоположном направлении. Это позволяет отказаться от автомата перекоса и в целом значительно упростить управление аппаратом.
Для взлета мультикоптера частота вращения всех винтов увеличивается одинаково, для полета в сторону - вращение винтов на одной половине аппарата ускоряется, а на другой - замедляется. Поворот мультикоптера производится замедлением вращения, например, винтов, крутящихся по часовой стрелке или наоборот. Такая простота конструкции и управления и послужила основным толчком к созданию квадрокоптера Ботезата, однако последующее изобретение рулевого винта и автомата перекоса практически затормозило работы над мультикоптерами.
Причиной же, по которой сегодня не существует мультикоптеров, предназначенных для перевозки людей, является безопасность полетов. Дело в том, что в отличие от всех остальных вертолетов, машины с несколькими винтами не могут совершать аварийную посадку в режиме авторотации. При отказе всех двигателей мультикоптер становится неуправляемым. Впрочем, вероятность такого события невысока, однако отсутствие режима авторотации является главным препятствием для прохождении сертификации на безопасность полетов.
Впрочем, в настоящее время немецкая компания e-volo занимается разработкой мультикоптера с 18 роторами. Этот вертолет предназначен для перевозки двух пассажиров. Как ожидается, он совершит первый полет в ближайшие несколько месяцев. По расчетам конструкторов, прототип машины сможет находиться в воздухе не больше получаса, однако этот показатель планируется довести по меньшей мере до 60 минут.
Следует также отметить, что помимо вертолетов с четным количеством винтов существуют и мультикоптерные схемы с тремя и пятью винтами. У них один из двигателей расположен на отклоняемой в стороны платформе. Благодаря этому осуществляется управление направлением полета. Впрочем, в такой схеме становится сложнее гасить реактивный момент, поскольку два винта из трех или три из пяти всегда вращаются в одном направлении. Для нивелирования реактивного момента некоторые из винтов вращаются быстрее, а это создает ненужную боковую силу.
Скоростная схема
Сегодня наиболее перспективной в вертолетной технике считается скоростная схема, позволяющая вертолетам летать на существенно большей скорости, чем могут современные машины. Чаще всего такую схему называют комбинированным вертолетом. Машины этого типа строятся по соосной схеме или с одним винтом, однако имеют небольшое крыло, создающее дополнительную подъемную силу. Кроме того, вертолеты могут быть оснащены толкающим винтом в хвостовой части или двумя тянущими на законцовках крыла.
Ударные вертолеты классической схемы AH-64E способны развивать скорость до 293 километров в час, а соосные Ка-52 - до 315 километров в час. Для сравнения, комбинированный вертолет - демонстратор технологий Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час, а его американский конкурент с толкающим винтом - Sikorksy X2 - до 460 километров в час. Перспективный разведывательный скоростной вертолет S-97 Raider сможет летать на скоростях до 440 километров в час.
Строго говоря, комбинированные вертолеты относятся скорее не к вертолетам, а к другому типу винтокрылых летательных аппаратов - винтокрылам. Дело в том, что движущая сила у таких машин создается не только и не столько несущими винтами, сколько толкающими или тянущими. Кроме того, за создание подъемной силы отвечают и несущие винты, и крыло. А на больших скоростях полета управляемая обгонная муфта отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации, при которой несущие винты работают, фактически, как крыло самолета.
В настоящее время разработкой скоростных вертолетов, которые в перспективе смогут развивать скорость свыше 600 километров в час, занимаются несколько стран мира. Помимо Sikorsky и Airbus Helicopters такие работы ведут российские «Камов» и конструкторское бюро Миля (Ка-90/92 и Ми-X1 соответственно), а также американская Piacesky Aircraft. Новые комбинированные вертолеты смогут совместить в себе скорость полета турбовинтовых самолетов и вертикальные взлет и посадку, присущие обычным вертолетам.
Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
, ветрогенераторы , мельницы , гидро- и пневмоприводы).
В нагнетательных машинах лопасти или лопатки перемещают поток. В приводных - поток жидкости или газа приводит в движение лопасти или лопатки.
Принцип действия
В зависимости от величины перепада давления на валу может находиться несколько ступеней давления.
Основные типы лопаток
Лопаточные машины, в качестве наиболее важного элемента содержат находящиеся на валу диски, оснащенные профилированными лопатками. Диски, в зависимости от типа и назначения машины, могут вращаться с абсолютно разными скоростями , составляющими от единиц оборотов в минуту у ветрогенераторов и мельниц, до десятков и сотен тысяч оборотов в минуту у газотурбинных двигателей и турбонагнетателей.
Лопатки современных лопаточных машин, в зависимости от назначения, выполняемой данным устройством задачи и среды, в которой они работают, имеют самую различную конструкцию. Эволюция этих конструкций прослеживается при сравнении лопаток средневековых мельниц - водяной и ветряной, с лопатками ветродвигателя и гидротурбины ГЭС .
На конструкцию лопаток влияют такие параметры, как плотность и вязкость среды, в которой они работают. Жидкость гораздо плотнее газа, более вязкая и практически несжимаема. Поэтому форма и размеры лопаток гидравлических и пневматических машин сильно отличается. Из-за разности объёмов при одинаковом давлении, площадь поверхности лопаток пневматических машин может быть в несколько раз больше лопаток гидравлических.
Различают рабочие, спрямляющие и поворотные лопатки. Кроме того, в компрессорах могут быть направляющие лопатки, а также входные направляющие лопатки, а в турбинах - сопловые лопатки и охлаждаемые.
Конструкция лопатки
Для каждой лопатки характерен собственный аэродинамический профиль. Обычно он напоминает крыло летательного аппарата . Самое существенное отличие лопатки от крыла состоит в том, что лопатки работают в потоке, параметры которого очень сильно изменяются по её длине.
Профильная часть лопатки
По конструкции профильной части лопатки подразделяются на лопатки постоянного и переменного сечений . Лопатки постоянного сечения применяются для ступеней, в которых длина лопатки не более одной десятой среднего диаметра ступени. В турбинах большой мощности это, как правило, лопатки первых ступеней высокого давления. Высота этих лопаток невелика и составляет 20–100 мм.
Лопатки переменного сечения имеют переменный профиль на последующих ступенях, причём площадь поперечных сечений плавно уменьшается от корневого сечения к вершине. У лопаток последних ступеней это соотношение может достигать 6–8. Лопатки переменного сечения всегда имеют начальную закрутку, то есть углы, образованные прямой, соединяющей кромки сечения (хордой), с осью турбины, называемыми углами установки сечений. Эти углы, из соображений аэродинамики, по высоте задаются различными, с плавным увеличением от корня к вершине.
Для относительно коротких лопаток углы закрутки профиля (разность между углами установки периферийного и корневого сечений) составляют 10–30, а для лопаток последних ступеней могут достигать 65–70.
Взаимное расположение сечений по высоте лопатки при образовании профиля и положение этого профиля относительно диска представляет собой установку лопатки на диске и должно удовлетворять требованиям аэродинамики, прочности и технологичности изготовления.
Лопатки в основном изготавливаются из предварительно отштампованных заготовок . Также применяются методы изготовления лопаток точным литьём или точной штамповкой . Современные тенденции повышения мощности турбин требуют увеличения длины лопаток последних ступеней. Создание таких лопаток зависит от уровня научных достижений в области аэродинамики потока, статической и динамической прочности и наличия материалов с необходимыми свойствами.
Современные титановые сплавы позволяют изготовить лопатки длиной до 1500 мм . Но в этом случае ограничением является прочность ротора, диаметр которого приходится повышать, но тогда необходимо уменьшать длину лопатки для сохранения соотношения из соображений аэродинамики, иначе увеличение длины лопатки неэффективно. Поэтому существует ограничение длины лопатки, больше которой она не может эффективно работать.
- Гребешки лабиринтного уплотнения радиального зазора
- Бандажная полка
- Гребешки торцевого лабиринтного уплотнения
- Отверстие для подвода охлаждающего воздуха во внутренние каналы охлаждаемой лопатки
Хвостовая часть лопатки
Конструкции хвостовых соединений и, соответственно, хвостовиков лопатки весьма разнообразны и применяются исходя из условий обеспечения необходимой прочности с учётом освоения технологий их изготовления на предприятии, изготавливающем турбины. Виды хвостовиков: Т-образные, грибовидные, вильчатые, ёлочные и др.
Ни один вид хвостовых соединений не имеет особого преимущества над другим - у каждого есть свои преимущества и недостатки. Разными заводами изготавливаются разные типы хвостовых соединений, и каждый из них использует свои технологии изготовления.
Связи
Рабочие лопатки турбин соединяются в пакеты связями различной конструкции: бандажами, приклёпанными к лопаткам или выполненными в виде полок (цельнофрезерованный бандаж); проволоками, припаянными к лопаткам или свободно вставленными в отверстия в профильной части лопаток, и прижимающимися к ним центробежными силами; с помощью специальных выступов, свариваемых друг с другом после наборки лопаток на диск.
Лопатки паровых турбин
Разница размеров и формы лопаток на разных ступенях давления одной турбины
Назначение лопаток турбин - превращение потенциальной энергии сжатого пара в механическую работу . В зависимости от условий работы в турбине длина её рабочих лопаток может колебаться от нескольких десятков до полутора тысяч миллиметров. На роторе лопатки расположены ступенчато, с постепенным увеличением длины, и изменением формы поверхности. На каждой ступени лопатки одинаковой длины расположены радиально оси ротора. Это обусловлено зависимостью от таких параметров, как расход, объём и давление.
При равномерном расходе давление на входе в турбину максимальное, расход минимален. При прохождении рабочим телом через лопатки турбины совершается механическая работа, давление уменьшается, но увеличивается объём. Следовательно, увеличивается площадь поверхностей рабочей лопатки и, соответственно, её размер. Например, длина лопатки первой ступени паровой турбины мощностью 300 МВт составляет 97 мм, последней - 960 мм.
Лопатки компрессоров
Назначение лопаток компрессоров - изменение начальных параметров газа и превращение кинетической энергии вращающегося ротора в потенциальную энергию сжатого газа. Форма, размеры и способы закрепления на роторе лопаток компрессоров не особо отличаются от лопаток турбин. В компрессоре при одинаковом расходе газ сжимается, его объём уменьшается, а давление возрастает, поэтому на первой ступени компрессора длина лопаток больше, чем на последней.
Лопатки газотурбинных двигателей
В газотурбинном двигателе есть и компрессорные, и турбинные лопатки. Принцип действия такого двигателя - сжатие воздуха, необходимого для горения, с помощью лопаток турбокомпрессора, направления этого воздуха в камеру сгорания и, при воспламенении с топливом - механическая работа продуктов сгорания на лопатках турбины, расположенной на одном валу с компрессором. Этим газотурбинный двигатель отличается от любой другой машины, где имеются либо компрессорные нагнетающие лопатки, как в нагнетателях и воздуходувках всякого рода, либо турбинные лопатки, как у паротурбинных силовых установок или на гидроэлектростанциях.
Лопатки (лопасти) гидротурбин
Диск с лопатками гидротурбины
Лопасти ветротурбины
По сравнению с лопатками паровых и газовых турбин лопатки гидротурбин работают в среде с малыми скоростями, но высокими давлениями. Здесь длина лопатки невелика относительно её ширины, а иногда ширина больше длины в зависимости от плотности и удельного объёма жидкости. Часто лопатки гидротурбин бывают приварены к диску или могут изготавливаться целиком с ним.
Использование альтернативных источников энергии – один из основных трендов нашего времени. Чистая и доступная энергия ветра может преобразовываться в электричество даже у вас дома, если построить ветряк и соединить его с генератором.
Соорудить лопасти для ветрогенератора своими руками можно из обычных материалов, не используя специального оборудования. Мы расскажем, какая форма лопастей эффективнее, и поможем подобрать подходящий чертеж для ветровой электростанции.
Ветрогенератор – прибор, позволяющий преобразовывать энергию ветра в электричество.
Принцип работы его заключается в том, что ветер вращает лопасти, приводит в движение вал, по которому вращение поступает на генератор через редуктор, увеличивающий скорость.
Работа ветряной электростанции оценивается по КИЭВ – коэффициенту использования энергии ветра. Когда ветроколесо вращается быстро, оно взаимодействует с большим количеством ветра, а значит забирает у него большее количество энергии
Подразделяют две основные разновидности ветряных генераторов:
- горизонтальные.
Вертикально ориентированные модели построены так, чтобы ось пропеллера была расположена перпендикулярно земле. Таким образом, любое перемещение воздушных масс, независимо от направления, приводит конструкцию в движение.
Такая универсальность является плюсом данного типа ветряков, но они проигрывают горизонтальным моделям по производительности и эффективности работы
Горизонтальный ветрогенератор напоминает флюгер. Чтобы лопасти вращались, конструкция должна быть повернута в нужную сторону, в зависимости от направления движения воздуха.
Для контроля и улавливания изменений направления ветра устанавливают специальные приборы. КПД при таком расположении винта значительно выше, чем при вертикальной ориентации. В бытовом применении рациональней использовать ветрогенераторы этого типа.
Какая форма лопасти является оптимальной?
Один из главных элементов ветрогенератора – комплект лопастей.
Существует ряд факторов, связанных с этими деталями, которые сказываются на эффективности ветряка:
- размер;
- форма;
- материал;
- количество.
Если вы решили сконструировать лопасти для самодельного ветряка, обязательно нужно учитывать все эти параметры. Некоторые полагают, что чем больше крыльев на винте генератора, тем больше энергии ветра можно получить. Другими словами, чем больше, тем лучше.
Однако это далеко не так. Каждая отдельная часть движется, преодолевая сопротивление воздуха. Таким образом, большое количество лопастей на винте требует большей силы ветра для совершения одного оборота.
Кроме того, слишком много широких крыльев могут стать причиной образования так называемой «воздушной шапки» перед винтом, когда воздушный поток не проходит сквозь ветряк, а огибает его.
Форма имеет большое значение. От нее зависит скорость движения винта. Плохое обтекание становится причиной возникновения вихрей, которые тормозят ветроколесо
Самым эффективным является однолопастной ветрогенератор. Но построить и сбалансировать его своими руками очень сложно. Конструкция получается ненадежная, хоть и с высоким коэффициентом полезного действия. По опыту многих пользователей и производителей ветряков, самой оптимальной моделью является трехлопастная.
Вес лопасти зависит от ее размера и материала, из которого она будет изготовлена. Размер нужно подбирать тщательно, руководствуясь формулами для расчетов. Кромки лучше обрабатывать так, чтобы с одной стороны имелось закругление, а противоположная сторона была острой
Правильно подобранная форма лопасти для ветрогенератора является фундаментом его хорошей работы.
Для домашнего изготовления подходят такие варианты:
- парусного типа;
- крыльчатого типа.
Лопасти парусного типа представляют собой простые широкие полосы, как на ветряной мельнице. Эта модель наиболее очевидна и проста в изготовлении. Однако ее КПД настолько мал, что эта форма практически не применяется в современных ветрогенераторах. Коэффициент полезного действия в данном случае составляет около 10-12%.
Гораздо более эффективная форма – лопасти крыльчатого профиля. Здесь задействованы принципы аэродинамики, которые поднимают в воздух огромные самолеты. Винт такой формы легче приводится в движение и вращается быстрее. Обтекание воздухом значительно сокращает сопротивление, которое встречает на своем пути ветряк.
Правильный профиль должен напоминать крыло самолета. С одной стороны лопасть имеет утолщение, а с другой – пологий спуск. Воздушные массы обтекают деталь такой формы очень плавно
КПД этой модели достигает значения 30-35%. Хорошая новость заключается в том, что построить крыльчатую лопасть можно и своими руками с применением минимума инструментов. Все основные расчеты и чертежи можно легко адаптировать под свой ветряк и пользоваться бесплатной и чистой энергией ветра без ограничений.
Из чего делают лопасти в домашних условиях?
Материалы, которые подойдут для строительства ветрогенератора – это, прежде всего, пластик, легкие металлы, древесина и современное решение – стеклоткань. Главный вопрос заключается в том, сколько труда и времени вы готовы потратить на изготовление ветряка.
Канализационные трубы из поливинилхлорида
Самый популярный и широко распространенный материал для изготовления пластиковых лопастей для ветрогенератора является обыкновенная канализационная ПВХ-труба. Для большинства домашних генераторов с диаметром винта до 2 м хватит трубы 160 мм.
К преимуществам такого метода относят:
- невысокую цену;
- доступность в любом регионе;
- простоту работы;
- большое количество схем и чертежей в интернете, большой опыт использования.
Трубы бывают разными. Это известно не только тем, кто изготавливает самодельные ветряные электростанции, но всем, кто сталкивался с монтажом канализации или водопровода. Они отличаются по толщине, составу, производителю. Труба стоит недорого, поэтому не нужно пытаться еще больше удешевить свой ветряк, экономя на ПВХ-трубах.
Некачественный материал пластиковых труб может привести к тому, что лопасти треснут при первом же испытании и вся работа будет проделана впустую
Сначала нужно определиться с лекалом. Вариантов существует много, каждая форма имеет свои недостатки и преимущества. Возможно, имеет смысл сначала поэкспериментировать, прежде чем вырезать итоговый вариант.
Поскольку цена на трубы невысокая, а найти их можно в любом строительном магазине, этот материал отлично подойдет для первых шагов в моделировании лопастей. Если что-то пойдет не так, всегда можно купить еще одну трубу и попробовать сначала, кошелек от таких экспериментов не сильно пострадает.
Опытные пользователи энергии ветра заметили, что для изготовления лопастей для ветрогенератора лучше использовать оранжевые, а не серые трубы. Они лучше держат форму, не изгибаются после формирования крыла и дольше служат
Конструкторы-любители предпочитают ПВХ, так как во время испытаний сломанную лопасть можно заменить на новую, изготовленную за 15 минут прямо на месте при наличии подходящего лекала. Просто и быстро, а главное – доступно.
Алюминий – тонкий, легкий и дорогой
Алюминий – легкий и прочный металл. Его традиционно используют для изготовления лопастей для ветрогенераторов. Благодаря небольшому весу, если придать пластине нужную форму, аэродинамические свойства винта будут на высоте.
Основные нагрузки, которые испытывает ветряк во время вращения, направлены на изгиб и разрыв лопасти. Если пластик при такой работе быстро даст трещину и выйдет из строя, рассчитывать на алюминиевый винт можно гораздо дольше.
Однако если сравнивать алюминий и ПВХ-трубы, металлические пластины все равно будут тяжелее. При высокой скорости вращения велик риск повредить не саму лопасть, а винт в месте крепления
Еще один минус деталей из алюминия – сложность изготовления. Если ПВХ-труба имеет изгиб, который будет использован для придания аэродинамических свойств лопасти, то алюминий, как правило, берется в виде листа.
После вырезания детали по лекалу, что само по себе гораздо сложнее, чем работа с пластиком, полученную заготовку еще нужно будет прокатать и придать ей правильный изгиб. В домашних условиях и без инструмента сделать это будет не так просто.
Стекловолокно или стеклоткань – для профессионалов
Если вы решили подойти к вопросу создания лопасти осознанно и готовы потратить на это много сил и нервов, подойдет стекловолокно. Если ранее вы не имели дела с ветрогенераторами, начинать знакомство с моделирования ветряка из стеклоткани – не лучшая идея. Все-таки этот процесс требует опыта и практических навыков.
Лопасть из нескольких слоев стеклоткани, скрепленных эпоксидным клеем, будет прочной, легкой и надежной. При большой площади поверхности деталь получается полая и практически невесомая
Для изготовления берется стеклоткань – тонкий и прочный материал, который выпускается в рулонах. Помимо стекловолокна пригодится эпоксидный клей для закрепления слоев.
Начинают работу с создания матрицы. Это такая заготовка, которая представляет собой форму для будущей детали.
Матрица может быть изготовлена из дерева: бруса, доски или бревна. Прямо из массива вырубают объемный силуэт половины лопасти. Еще вариант – форма из пластика
Сделать заготовку самостоятельно очень сложно, нужно иметь перед глазами готовую модель лопасти из дерева или другого материала, а только потом по этой модели вырезают матрицу для детали. Таких матриц нужно как минимум 2. Зато, сделав удачную форму однажды, ее можно применять многократно и соорудить таким образом не один ветряк.
Дно формы тщательно смазывают воском. Это делается для того, чтобы готовую лопасть можно было легко извлечь впоследствии. Укладывают слой стекловолокна, промазывают его эпоксидным клеем. Процесс повторяют несколько раз, пока заготовка не достигнет нужной толщины.
Когда эпоксидный клей высохнет, половину детали аккуратно вынимают из матрицы. То же делают со второй половиной. Части склеивают между собой, чтобы получилась полая объемная деталь. Легкая, прочная, правильной аэродинамической формы лопасть из стекловолокна – вершина мастерства домашнего любителя ветряных электростанций.
Ее главный минус – сложность реализации задумки и большое количество брака на первых порах, пока не будет получена идеальная матрица, а алгоритм создания не будет отточен.
Дешево и сердито: деревянная деталь для ветроколеса
Деревянная лопасть – дедовский метод, который легко осуществим, но малоэффективен при сегодняшнем уровне потребления электричества. Сделать деталь можно из цельной доски легких пород древесины, например, сосны. Важно подобрать хорошо высушенную деревянную заготовку.
Нужно выбрать подходящую форму, но учитывать тот факт, что деревянная лопасть будет не тонкой пластиной, как алюминиевая или пластиковая, а объемной конструкцией. Поэтому придать заготовке форму мало, нужно понимать принципы аэродинамики и представлять себе очертания лопасти во всех трех измерениях.
Придавать окончательный вид дереву придется рубанком, лучше электро. Для долговечности древесину обрабатывают антисептическим защитным лаком или краской
Главный недостаток такой конструкции – большой вес винта. Чтобы сдвинуть с места эту махину, ветер должен быть достаточно сильным, что трудноосуществимо в принципе. Однако дерево – доступный материал. Доски, подходящие для создания винта ветрогенератора, можно найти прямо у себя во дворе, не потратив ни копейки. И это главное преимущество древесины в данном случае.
КПД деревянной лопасти стремится к нулю. Как правило, время и силы, которые уходят на создание такого ветряка не стоят полученного результата, выраженного в ваттах. Однако, как учебная модель или пробный экземпляр деревянная деталь вполне имеет место быть. А еще флюгер с деревянными лопастями эффектно смотрится на участке.
Чертежи и примеры лопастей
Сделать правильный расчет винта ветрогенератора, не зная основных параметров, которые отображаются в формуле, а так же не имея понятия, как эти параметры влияют на работу ветряка, очень сложно.
Лучше не тратить свое время, если желания вникать в основы аэродинамики нет. Готовые чертежи-схемы с заданными показателями помогут подобрать подходящую лопасть для ветряной электростанции.
Чертеж лопасти для двухлопастного винта. Изготавливается из канализационной трубы 110 диаметра. Диаметр винта ветряка в данных расчетах – 1 м
Подобный небольшой ветрогенератор не сможет обеспечить вас высокой мощностью. Скорей всего, вы вряд ли сможете выжать из этой конструкции больше 50 Вт. Однако двухлопастной винт из легкой и тонкой ПВХ-трубы даст высокую скорость вращения и обеспечит работу ветряка даже при небольшом ветре.
Чертеж лопасти для трехлопастного винта ветрогенератора из трубы 160 мм диаметра. Расчетная быстроходность в этом варианте – 5 при ветре 5 м/с
Трехлопастной винт такой формы может быть использован для более мощных агрегатов, примерно 150 Вт при 12 В. Диаметр всего винта в этой модели достигает 1,5 м. Ветроколесо будет вращаться быстро и легко запускаться в движение. Ветряк с тремя крыльями встречается в домашних электростанциях чаще всего.
Чертеж самодельной лопасти для 5-ти лопастного винта ветрогенератора. Изготавливается из трубы ПВХ диаметром 160 мм. Расчетная быстроходность – 4
Такой пятилопастной винт сможет выдавать до 225 оборотов в минуту при расчетной скорости ветра 5 м/с. Чтобы построить лопасть по предложенным чертежам, нужно перенести координаты каждой точки из колонок «Координаты лекала фронт/тыл» на поверхность пластиковой канализационной трубы.
По таблице видно, что чем больше крыльев у ветрогенератора, тем меньше должна быть их длина для получения тока одинаковой мощности
Как показывает практика, обслуживать ветрогенератор больше 2 метров в диаметре достаточно сложно. Если в соответствии с таблицей вам необходим ветряк большего размера, подумайте над увеличением числа лопастей.
С правилами и принципами ознакомит статья, в которой пошагово изложен процесс производства вычислений.
Выполнение балансировки ветряка
Балансировка лопастей ветрогенератора поможет сделать его работу максимально эффективной. Для осуществления балансировки нужно найти помещение, где нет ветра или сквозняка. Разумеется, для ветроколеса больше 2 м в диаметре найти такое помещение будет сложно.
Лопасти собираются в готовую конструкцию и устанавливаются в рабочее положение. Ось должна располагаться строго горизонтально, по уровню. Плоскость, в которой будет вращаться винт, должна быть выставлена строго вертикально, перпендикулярно оси и уровню земли.
Винт, который не движется, нужно повернуть на 360/х градусов, где х = количество лопастей. В идеале сбалансированный ветряк не будет отклоняться ни на 1 градус, а останется неподвижным. Если лопасть повернулась под собственным весом, ее нужно немного подправить, уменьшить вес с одной стороны, устранить отклонение от оси.
Процесс повторяется до тех пор, пока винт не будет абсолютно неподвижным в любом положении. Важно, чтобы во время балансировки не было ветра. Это может исказить результаты испытаний
Также важно проконтролировать, чтобы все части вертелись строго в одной плоскости. Для проверки на расстоянии 2 мм с обеих сторон одной из лопастей устанавливают контрольные пластины. Во время движения ни одна часть винта не должна коснуться пластины.
Для эксплуатации ветрогенератора с изготовленными лопастями потребуется собрать систему, аккумулирующую полученную энергию, сохраняющую ее и передающую потребителю. Одним из компонентов системы является контроллер. О том, как сделать , узнаете, ознакомившись с рекомендованной нами статьей.
Если вы хотите использовать чистую и безопасную энергию ветра для бытовых нужд и не планируете тратить огромные деньги на покупку дорогостоящего оборудования, самодельные лопасти из обычных материалов будут подходящей идеей. Не бойтесь экспериментов, и вам удастся еще больше усовершенствовать существующие модели винтов ветряка.
Типы ветрогенераторов
Ветряки можно различать по:
— количеству лопастей;
— типу материалов лопастей;
— вертикальному или горизонтальному расположению оси установки;
— шаговому варианту лопастей.
По конструкции ветрогенераторы делятся по количеству лопастей, одно, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Наличие большого числа лопастей позволяет вращать их очень малому ветру. Конструкцию лопастей можно разделить на жесткую и парусную. Парусные ветряки дешевле других, но нуждаются в частом ремонте.
Один из видов ветрогенераторов — горизонтальный
Ветрогенератор вертикального исполнения начинают вращаться при малом ветре. Им не нужен флюгер. Однако по мощности они уступают ветрякам с горизонтальной осью. Шаг лопастей ветрогенераторов может быть фиксированным или изменяемым. Изменяемый шаг лопастей дает возможность увеличивать скорость вращения. Эти ветряки дороже. Конструкции ветряка с фиксированным шагом надежны и просты.
Вертикальный генератор
Эти ветряки менее затратные в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте. Также они имеют меньше движущихся частей, легче в ремонте и производстве. Такой вариант установки нетрудно изготовить своими руками.
Ветрогенератор вертикального исполнения
С оптимальными лопастями и своеобразным ротором дает высокий КПД и не зависит от направления ветра. Ветрогенераторы вертикальной конструкции бесшумные. Вертикальный ветрогенератор имеет несколько типов исполнения.
Ортогональные ветрогенераторы
Ортогональный ветрогенератор
Такие ветряки имеют несколько параллельных лопастей, которые устанавливаются на расстоянии от вертикальной оси. На работу ортогональных ветряков не влияет направление ветра. Устанавливаются они на уровне земли, что облегчает монтаж и эксплуатацию установки.
Ветрогенераторы на основе ротора Савониуса
Лопасти этой установки представляют собой особые полуцилиндры, которые создают высокий крутящий момент. Из недостатков этих ветряков можно выделить большую материалоемкость и не высокую эффективность. Для получения высокого крутящего момента с ротором Савониуса устанавливают еще ротор Дарье.
Ветряки с ротором Дарье
Наряду с ротором Дарье эти установки имеют ряд пар лопастей с оригинальной конструкцией для улучшения аэродинамики. Достоинством этих установок является возможность их монтажа на уровне земли.
Геликоидный ветрогенераторы.
Они представляют собой модификацию ортогональных роторов с особой конфигурацией лопастей, что дает равномерное вращение ротора. За счет снижения нагрузки на элементы ротора срок их службы увеличивается.
Ветрогенераторы на основе ротора Дарье
Многолопастные ветровые установки
Многолопастные ветровые генераторы
Ветряки такого типа представляют собой измененный вариант ортогональных роторов. Лопасти на этих установках устанавливаются в несколько рядов. Направляет ветровой поток на лопасти первый ряд неподвижных лопастей.
Парусный ветрогенератор
Основное достоинство такой установки — это способность работать при небольшом ветре от 0,5 м/с. Парусный ветрогенератор устанавливается в любом месте, на любой высоте.
Парусный ветрогенератор
Из преимуществ можно выделить: маленькую скорость ветра, быструю реакцию на ветер, легкость конструкции, доступность материала, ремонтопригодность, возможность изготовить ветряк своими руками. Недостаток — это возможность поломки при сильном ветре.
Ветрогенератор горизонтальный
Ветрогенератор горизонтальный
Эти установки могут иметь разное число лопастей. Для работы ветрогенератора важно выбрать правильное направление ветра. Эффективность работы установки достигается небольшим углом атаки лопастей и возможности их регулировки. У таких ветрогенераторов небольшие габариты и вес.
