, вітрогенератори, млини, гідро- та пневмоприводи).

У нагнітальних машинах лопаті чи лопатки переміщують потік. У приводних - потік рідини або газу надає руху лопаті або лопатки.

Принцип дії

Залежно від величини перепаду тиску на валу може бути кілька ступенів тиску.

Основні типи лопаток

Лопаткові машини, як найважливіший елемент містять диски, що знаходяться на валу, оснащені профільованими лопатками. Диски, залежно від типу та призначення машини, можуть обертатися з абсолютно різними швидкостями, що становлять від одиниць обертів за хвилину у вітрогенераторів та млинів, до десятків і сотень тисяч обертів за хвилину у газотурбінних двигунів та турбонагнітачів.

Лопатки сучасних лопаткових машин, залежно від призначення, що виконується даним пристроєм завдання та середовища, в якому вони працюють, мають різну конструкцію. Еволюція цих конструкцій простежується при порівнянні лопаток середньовічних млинів - водяного та вітряного, з лопатками вітродвигуна та гідротурбіни ГЕС.

На конструкцію лопаток впливають такі параметри, як щільність і в'язкість середовища, в якому вони працюють. Рідина набагато щільніша за газ, більш в'язка і практично стислива. Тому форма та розміри лопаток гідравлічних та пневматичних машин сильно відрізняється. Через різницю об'ємів при однаковому тиску, площа поверхні лопаток пневматичних машин може бути в кілька разів більше гідравлічних лопаток.

Розрізняють робочі, спрямовуючі та поворотні лопатки. Крім того, в компресорах можуть бути напрямні лопатки, а також вхідні напрямні лопатки, а в турбінах - соплові лопатки та охолоджувані.

Конструкція лопатки

Для кожної лопатки характерний власний аеродинамічний профіль. Зазвичай він нагадує крило літального апарату. Найбільша відмінність лопатки від крила полягає в тому, що лопатки працюють у потоці, параметри якого дуже сильно змінюються по її довжині.

Профільна частина лопатки

По конструкції профільної частини лопатки поділяються на лопатки постійного та змінного перерізів. Лопатки постійного перерізу застосовуються для щаблів, у яких довжина лопатки не більше однієї десятої середнього діаметра щаблі. У турбінах великої потужності це, як правило, лопатки перших щаблів високого тиску. Висота цих лопаток невелика і становить 20-100 мм.

Лопатки змінного перерізу мають змінний профіль на наступних щаблях, причому площа поперечних перерізів плавно зменшується від кореневого перерізу до вершини. У лопаток останніх щаблів це співвідношення може досягати 6-8. Лопатки змінного перерізу завжди мають початкову закрутку, тобто кути, утворені прямою, що з'єднує крайки перерізу (хордою), з віссю турбіни, званими кутами установки перерізів. Ці кути, з міркувань аеродинаміки, заввишки задаються різними, з плавним збільшенням від кореня до вершини.

Для відносно коротких лопаток кути закрутки профілю (різниця між кутами установки периферійного та кореневого перерізів) становлять 10-30, а для лопаток останніх ступенів можуть досягати 65-70.

Взаємне розташування перерізів по висоті лопатки при утворенні профілю та положення цього профілю щодо диска є установкою лопатки на диску і повинне задовольняти вимогам аеродинаміки, міцності та технологічності виготовлення.

Лопатки в основному виготовляються із заздалегідь відштампованих заготовок. Також застосовуються методи виготовлення лопаток точним литтям або точним штампуванням. Сучасні тенденції підвищення потужності турбін вимагають збільшення довжини лопаток останніх щаблів. Створення таких лопаток залежить від рівня наукових досягнень у галузі аеродинаміки потоку, статичної та динамічної міцності та наявності матеріалів із необхідними властивостями.

Сучасні титанові сплави дозволяють виготовити лопатки довжиною до 1500 мм. Але в цьому випадку обмеженням є міцність ротора, діаметр якого доводиться підвищувати, але тоді необхідно зменшувати довжину лопатки для збереження співвідношення з міркувань аеродинаміки, інакше збільшення довжини лопатки неефективне. Тому існує обмеження довжини лопатки, більше за яку вона не може ефективно працювати.

1. Гребінці лабіринтного ущільнення радіального зазору
2. Бандажна полиця
3. Гребінці торцевого лабіринтного ущільнення
4. Отвір для підведення охолоджуючого повітря у внутрішні канали лопатки, що охолоджується.

Хвостова частина лопатки

Конструкції хвостових з'єднань і, відповідно, хвостовиків лопатки дуже різноманітні і застосовуються виходячи з умов забезпечення необхідної міцності з урахуванням освоєння технологій виготовлення на підприємстві, що виготовляє турбіни. Види хвостовиків: Т-подібні, грибоподібні, вильчасті, ялинкові та ін.

Жоден вид хвостових з'єднань немає особливої ​​переваги над іншим - кожен має свої переваги і недоліки. Різними заводами виготовляються різні типи хвостових з'єднань, і кожен із них використовує свої технології виготовлення.

Основні типи хвостовиків лопаток: 1. Т-подібний хвостовик; 2. Грибоподібний хвостовик; 3. Вільчастий хвостовик; 4. Ялинковий хвостовик

Зв'язки

Робочі лопатки турбін з'єднуються в пакети зв'язками різної конструкції: бандажами, приклепаними до лопаток або виконаними у вигляді полиць (цільнофрезерований бандаж); дроти, припаяні до лопаток або вільно вставлені в отвори в профільній частині лопаток, і відцентровими силами, що притискаються до них; за допомогою спеціальних виступів, що зварюються один з одним після набору лопаток на диск.

Елементи збирання лопаток: 1.Перо лопатки; 2. Полиця; 3. Хвостовик; 4. Бандажна трубка

Лопатки парових турбін

Різниця розмірів та форми лопаток на різних ступенях тиску однієї турбіни

Призначення лопаток турбін - перетворення потенційної енергії стисненої пари на механічну роботу. Залежно від умов роботи в турбіні довжина її робочих лопаток може коливатися від кількох десятків до півтори тисячі міліметрів. На роторі лопатки розташовані ступінчасто, з поступовим збільшенням довжини та зміною форми поверхні. На кожному щаблі лопатки однакової довжини розташовані радіально осі ротора. Це зумовлено залежністю від таких параметрів, як витрата, обсяг та тиск.

При рівномірному витраті тиск на вході в турбіну максимальний, витрата мінімальна. При проходженні робочим тілом через лопатки турбіни відбувається механічна робота, тиск зменшується, але збільшується обсяг. Отже, збільшується площа поверхонь робочої лопатки та, відповідно, її розмір. Наприклад, довжина лопатки першого ступеня парової турбіни потужністю 300 МВт становить 97 мм, останнього - 960 мм.

Лопатки компресорів

Призначення лопаток компресорів - зміна початкових параметрів газу і перетворення кінетичної енергії ротора, що обертається, в потенційну енергію стисненого газу. Форма, розміри та способи закріплення на роторі лопаток компресорів не особливо відрізняються від лопаток турбін. У компресорі при однаковій витраті газ стискається, його обсяг зменшується, а тиск зростає, тому на першому ступені компресора довжина лопаток більша, ніж на останній.

Лопатки газотурбінних двигунів

У газотурбінному двигуні є компресорні, і турбінні лопатки. Принцип дії такого двигуна - стиснення повітря, необхідного для горіння, за допомогою лопаток турбокомпресора, направлення цього повітря в камеру згоряння і при запаленні з паливом - механічна робота продуктів згоряння на лопатках турбіни, розташованої на одному валу з компресором. Цим газотурбінний двигун відрізняється від будь-якої іншої машини, де є компресорні нагнітальні лопатки, як у нагнітачах і повітродувках всякого роду, або турбінні лопатки, як у паротурбінних силових установок або на гідроелектростанціях.

Лопатки (лопаті) гідротурбін

Диск із лопатками гідротурбіни

Лопаті вітротурбіни

У порівнянні з лопатками парових та газових турбін лопатки гідротурбін працюють у середовищі з малими швидкостями, але високими тисками. Тут довжина лопатки невелика щодо її ширини, інколи ж ширина більше довжини залежно від щільності і питомого обсягу рідини. Часто лопатки гідротурбіну бувають приварені до диска або можуть виготовлятися повністю з ним.

Контролер, щогли, хвостовик, інвертор та акумуляторну батарею.

Традиційно, вітровий механізм наділений трьома лопатями, зафіксованими на роторі. Коли ротор крутиться, виникає трифазний змінний струм, що надходить на контролер, потім струм перероджується в стабільну напругу і йде на акумулятор.

Протікаючи через акумулятори, струм живить їх і експлуатує як провідники електрики.

Надалі струм приходить на інвертор, досягає необхідних величин: змінний однофазний струм 220 В, 50 Гц. При скромній витраті виробленої електрики достатньої для користування світлом та електричними приладами, нестача струму компенсується завдяки акумуляторам.

Як розрахувати лопаті?

Обчислити діаметр вітряка для певної потужності можна так:

1. Окружність пропелера вітрогенератора з певною потужністю, малими обертами та силою вітру, при яких відбувається подача потрібної напруги, числом лопатей внести у квадрат.
2. Обчислити площу даного квадрата.
3. Розділити площу квадрата, що вийшов, на потужність конструкції у ватах.
4. Перемножити результат із необхідною потужністю у ватах.
5. Під цей результат потрібно підбирати площу квадрата, варіюючи розміри квадрата доти, доки розмір квадрата не досягне чотирьох.
6. У цей квадрат вписати коло пропелера вітрогенератора.

Після цього неважко дізнатися інші показники, наприклад, діаметр.

Розрахунок максимально прийнятної форми лопат досить мудрий, кустарному майстру складно його виконати, тому можна використовувати готові шаблони, створені вузькими фахівцями.

Шаблон лопаті із ПВХ труби 160 мм у діаметрі:

Шаблон лопаті з алюмінію:

Можна спробувати самостійно визначити показники лопат вітряного пристрою.

Швидкість вітряного колеса являє собою співвідношення кругової швидкості краю лопаті і швидкості вітру, її можна обчислити за формулою:

На потужність вітряного двигуна впливають діаметр колеса, форма лопатей, розташування їх щодо потоку повітря, швидкості вітру.

Її можна знайти за формулою:

При використанні лопатей обтічної форми коефіцієнт використання вітру не вище 0,5. При слабко обтічних лопатях - 0,3.

Необхідні матеріали та інструменти

Потрібні такі матеріали:

• дерево чи фанера;
• алюміній;
• скловолокно у листах;
• труби та комплектуючі з ПВХ;
• матеріали, наявні будинки у гаражі чи підсобних приміщеннях;

Необхідно запастися такими інструментами:

• маркер, можна використовувати олівець для креслення;
• ножиці для різання металу;
• лобзик;
• ножівка;
• папір наждачний;

Вертикальний та горизонтальний вітрогенератор

Вертикальний вітрогенератор

Можна класифікувати за роторами:

• ортогональний;
• дар'я;
• савоніуса;
• гелікоїдний;
• багатолопатевий з направляючим апаратом;

Гарні тим, що немає потреби спрямовувати їх щодо вітру, вони функціонують за будь-якого напрямку вітру. Через це їх не потрібно оснащувати приладами, що вловлюють напрямок вітру.

Ці конструкції можна розташовувати на землі, вони прості. Виготовити своїми руками таку конструкцію значно простіше, ніж горизонтальну.

Слабким місцем вертикальних вітрогенераторів вважається їхня мала продуктивність, вкрай низький ККД, через що сфера їх використання обмежена.

Горизонтальні вітрогенератори мають ряд переваг у порівнянні з вертикальними. Вони діляться на одно-, дво-, три- та багатолопатеві.

Однолопатеві конструкції найшвидкісніші, вони крутяться вдвічі швидше за трилопатеві при однаковій силі вітру. ККД цих вітрогенераторів значно вищий, ніж вертикальних.

Істотним недоліком горизонтально-осьової конструкцій вважається залежність ротора від напрямку вітру, через що на вітрогенератор необхідно встановлювати додаткові прилади, що вловлюють напрям вітру.

Вибір виду лопатей

Лопаті переважно можуть бути двох видів:

• вітрильного типу;
• крильчатого профілю;

Можна спорудити плоскі лопаті на кшталт «крил» вітряка, тобто, вітрильного типу. Виконати їх найпростіше з найрізноманітнішого матеріалу: фанери, пластику, алюмінію.

Цей метод має свої мінуси. При крученні вітряка з лопатями, виконаними за принципом вітрила, не беруть участь аеродинамічні сили, кручення забезпечує лише потужність тиску вітрового потоку.

Продуктивність цього приладу мінімальна, в енергію трансформується трохи більше 10% сили потоку вітру. При незначному вітрі колесо перебуватиме у статичному положенні, а тим більше не вироблятиме енергію для споживання.

Більш прийнятною буде конструкція, що є вітровим колесом з лопатями крильчастого профілю. У ній зовнішня і внутрішня поверхні лопатей мають різні площі, що дозволяє досягати невідповідності тиску повітря на протилежні поверхні крила. Аеродинамічна сила значно збільшує коефіцієнт використання вітряного приладу.

Підбір матеріалу

Лопаті для вітряного пристрою можна виконати з будь-якого більш-менш відповідного матеріалу, наприклад:

З труби ПВХ

Спорудити лопаті з цього матеріалу, напевно, найпростіше. Труби ПВХ можна знайти у кожному будівельному магазині. Вибирати труби слід ті, які призначені для каналізації з тиском чи газопроводу. В іншому випадку потік повітря при сильному вітрі може пошкодити лопаті і пошкодити їх про щоглу генератора.

Лопаті вітрогенератора зазнають серйозних навантажень від відцентрової сили, причому чим довше лопаті, тим сильніше навантаження.

Край лопаті дволопатевого колеса домашнього вітрогенератора обертається зі швидкістю сотні метрів за секунду, така швидкість кулі, що вилітає з пістолета. Така швидкість може призвести до розриву труб ПВХ. Особливо небезпечно це тим, що осколки труб, що розлітаються, можуть вбити або серйозно поранити людей.

Вийти зі становища можна вкоротив максимум лопаті і збільшивши їх число.Багатолопатеве вітряне колесо легше балансувати, воно менше шумить. Важливе значення має товщина стін труб. Наприклад, для вітряного колеса з шістьма лопатями з ПВХ труби, що становить діаметр два метри, їх товщина не повинна бути менше 4 міліметрів. Для розрахунку конструкції лопатей домашньому умільцю можна скористатися готовими таблицями та шаблонами.

Шаблон слід змайструвати з паперу, прикласти до труби та обвести. Це слід зробити стільки разів, скільки лопатей буде у вітрогенератора. За допомогою лобзика трубу необхідно розсікти по мітках - лопаті практично готові. Краї труб шліфуються, кути і кінці закруглюються для того, щоб вітряк виглядав симпатично і поменше шумів.

Зі сталі слід змайструвати диск із шістьма смугами, який відіграватиме роль конструкції, що об'єднує лопаті і фіксує колесо до турбіни.

Габарити та форма сполучної конструкції повинні відповідати типу генератора та постійного струму, який буде задіяний у . Сталь необхідно вибрати таку товщину, щоб вона не деформувалася під ударами вітру.

З алюмінію

Порівняно з лопатями з ПВХ труб алюмінієві витриваліші і на вигин, і на розрив.Недолік їх полягає у великій вазі, що вимагає вжиття заходів щодо забезпечення стійкості всієї споруди загалом. Крім того, слід максимально ретельно балансувати колесо.

Розглянемо особливості виконання лопатей з алюмінію для шестилопатевого вітряного колеса.

За шаблоном слід виконати лекало із фанери. Вже по лекалу з листа алюмінію висікти заготівлі лопатей у кількості шести штук. Майбутня лопата прокочується в жолоб глибиною 10 міліметрів, при цьому вісь прокрутки повинна утворити з частковою віссю заготовки кут 10 градусів. Ці маніпуляції наділять лопаті прийнятними аеродинамічними параметрами. До внутрішньої сторони лопаті кріпиться втулка з різьбленням.

Сполучний механізм вітряного колеса з лопатями з алюмінію на відміну від колеса з лопатями з труб ПВХ має на диску не смужки, а шпильки, що є шматками сталевого прута з різьбленням, що підходить до різьблення втулок.

Зі скловолокна

Лопаті із зібраної зі скловолокна специфічної склотканини є найбільш бездоганними, враховуючи їх аеродинамічні параметри, міцність, вагу. Спорудити ці лопаті найважче, оскільки потрібно вміти обробляти дерево і склотканину.

Ми розглянемо виконання лопатей зі скловолокна для колеса діаметром два метри.

Найбільш скрупульозно слід підійти до виконання дерев'яної матриці. Вона виточується з брусів за готовим шаблоном і служить моделлю лопаті. Закінчивши працювати над матрицею, можна починати робити лопаті, які будуть складатися з двох частин.

Матрицю спочатку треба обробити воском, одну з її сторін покрити епоксидною смолою, на ній розстелити склотканину. На неї знову нанести епоксидну смолу, і знову шар склотканини. Кількість шарів може бути три чи чотири.

Потім потрібно прямо на матриці шару, що вийшла, тримати близько доби до повного висихання. Ось і готова одна частина лопаті. З іншого боку матриці виконується та ж послідовність дій.

Готові частини лопат слід з'єднати за допомогою епоксидної смоли. Всередину можна помістити дерев'яну пробку, зафіксувати її клеєм, це дозволить закріпити лопаті до маточини колеса. У пробку слід запровадити втулку з різьбленням. З'єднувальний вузол стане маточкою так само як і в попередніх прикладах.

Балансування вітряного колеса

Коли лопаті буде виконано, потрібно укомплектувати вітряне колесо і зробити його балансування. Робити це слід у закритій будові великої площі за умови повного безвітря, оскільки коливання колеса на вітрі здатні спотворити результати балансування.

Балансування колеса необхідно виконувати так:

1. Закріпити колесо на такій висоті, щоб воно могло безперешкодно рухатися. Площина сполучного механізму має бути ідеально паралельна вертикальному підвісу.
2. Досягти повної статичності колеса і відпустити. Воно не повинно рухатися. Потім прокрутити колесо на кут, що дорівнює відношенню 360/число лопат, зупинити, відпустити, знову прокрутити, так спостерігати деякий час.
3. Випробування слід проводити до повного прокручування колеса навколо осі. Коли відпущене чи зупинене колесо продовжує хитатися, його частина, що тяжіє донизу надмірно важка. Необхідно кінець однієї з лопатей підточити.

Крім того, слід з'ясувати, наскільки гармонійно лопаті лежать у площині обертання колеса. Колесо слід зупинити. На відстані близько двох міліметрів від кожного краю однієї з лопат зміцнити дві планки, які не перешкоджатимуть обертанню. При прокручуванні колеса лопаті не повинні чіплятися за планки.

Технічне обслуговування

Для тривалого безаварійного функціонування вітрогенератора слід проводити такі заходи:

1. Через десять чи чотирнадцять днів від початку роботи, вітряний двигун слід обстежити, особливо кріплення. Робити це найкраще в безвітряну погоду.
2. Двічі на рік промазувати підшипникиповоротного механізму та генератора.
3. За підозри на порушення балансування колеса, яке може виражатися у вібрації лопатей під час кручення за вітром, необхідно виконати балансування.
4. Щорічно оглядати щіткиструмоприймача.
5. При необхідності, покривати барвниками металеві частини вітрогенератора.

Зробити лопаті для вітряного двигуна цілком під силу домашньому умільцю, потрібно тільки все прорахувати, продумати, і тоді вдома з'явиться реальна альтернатива електромережам. При виборі потужності саморобного пристрою потрібно обов'язково пам'ятати, що його максимальна потужність не повинна перевищувати 1000 або 1500 Ватт. Якщо цієї потужності не вистачає, варто подумати про покупку промислового агрегату.

Від правильного кута установки лопаті залежать всі найважливіші показники вітроколеса, такі як швидкохідність, потужність та оберти. Розрахувати кут установки лопаті вітрогенератора досить просто, але щоб зрозуміти все це знадобиться деякий час і так почну по порядку.

Коли лопата нерухома, тобто вітроколесо стоїть, то вітер набігає на неї під тим кутом, під яким до нього реально встановлена ​​лопата, але щойно лопата починає рух кут набігання потоку вітру змінюється. Наприклад, уявіть, що ви сидите в машині, вітер вам дме точно в бічне скло. Як тільки ви почнете рух, то в міру набору швидкості вітер дутиме вже навскіс під кутом і в лобове скло, а якщо швидкість дуже велика, то вітер дутиме вже прямо в лобове скло.

Так само і з лопатою, зі зростанням швидкості обертання змінюється і реальний кут атаки лопаті. Щоб обчислити цей кут, потрібно знати швидкість руху лопаті. Наприклад, у нас вітер 10м/с, швидкохідність гвинта Z5, значить швидкість руху кінчика лопаті в п'ять разів більша за швидкість вітру 5*10=50м/с.

Тепер потрібно побудувати прямокутний трикутник з катетами 5 і 50. Далі потрібно визначити кут між гіпотенузою і довгим катетом, для цього потрібно розділити катет протилежний на прилеглий і ми отримаємо тангенс цього кута. 5:50 = 0,1. Щоб з цього 0,1 вивести кут, ми повинні взяти функцію зворотного тангенсу, тобто арктангенсу.

Арктангенс числа можна вирахувати в спеціальних калькуляторах, або скористатися онлайн сервісами, наприклад >>калькулятор онлайн. Арктангенс 0,1 = 5.7 градусів. 5,7 градусів це реальний кут набігання потоку на площину обертання гвинта в зоні швидкохідності Z5. Але так як лопата має за своїм радіусом різну швидкохідність, то і реальний кут атаки буде відрізнятися і буде свій на кожній ділянці. Наприклад у середині лопаті швидкохідність Z2,5, отже кут набігання потоку вітру вдвічі більше.

Тепер потрібно дізнатися, що таке справжній вітер.

Істинний вітер, це той, який реально тисне на лопату і він відрізняється за силою від того, що на підльоті до гвинта. Будь-яке тіло на яке тисне вітер, йому чинить опір, тобто зупиняє вітер. Уявіть сніжинки б'ють по склу, на підльоті вони мають свою початкову швидкість, але підлітаючи до скла вони наштовхуються на подушку, створену зупиненим вітром. Натикаючись на цю повітряну подушку сніжинки втрачають швидкість та енергію. Так само і на підльоті до гвинта, упираючись у нього, вітер втрачає швидкість і енергію. Конкретна величина втрат може бути різною, але якщо вона не відома, її усереднено можна брати рівною близько 33%.

Тепер згадаємо кут набігання потоку вітру, який ми отримали вище, він дорівнює 5,7 градусів. Чи відповідає він вітру, що реально набігає, на лопату -Ні!, так як швидкість вітру на 33% слабкіше. Тоді треба брати вітер не 10м/с, а 6,6м/с і все стане на свої місця. 6,6 м / с * Z5 = 33, 5:33 = 0,15, арктангенс 0,15 = 8,5 градусів. Отже, вітер реально набігає на площину лопаті в зоні швидкохідності Z5 під кутом 8,5 градусів.

Далі, якщо не відомо аеродинамічна якість лопаті, поляри лопаті, і кут заклинювання, при якому виявляються її максимальні якості, то кут заклинювання лопаті можна прийняти рівним 5 градусів. Це означає лопату потрібно встановити під кутом 5 градусів до потоку вітру, що реально набігає на площину обертання, тоді 8,5-5=3,5 градуса. Виходить кут кінчика лопаті має бути встановлений на 3,5 градуси, тоді при вітрі 10м/с і швидкохідності Z5 буде максимальна тяга, і потужність лопаті, тобто максимальний коефіцієнт використання енергії вітру (КІЕВ).

Так само лопата має і місцеву швидкохідність, і кут потрібно окремо розраховувати на кожній ділянці лопаті. Якщо кінчик лопаті налаштований на швидкохідність Z5, то середині лопаті буде Z2,5 .

За всіх інших умов лопата буде відбирати набагато менше енергії у вітру і отже її КИЕВ і потужність на валу будуть меншими. Наприклад, генератор занадто потужний і не дасть лопатам вийти на свою швидкохідність. Або швидкість вітру не та, на яку встановлювалися кути лопаті. Тому лопать можна налаштувати і виготовити під певний вітер, наприклад 5 м/с, тоді її максимальна потужність буде тільки на цьому вітрі та оборотах, що відповідають її швидкохідності. Щоб лопата працювала з максимальним ККД у широкому діапазоні вітрів потрібно мати вітроколесо з регульованим кутом установки лопатей. Швидкість лопатей і ступінь гальмування залежать від купи факторів, від товщини лопаті, її ширини в різних ділянках, від кількості лопатей, від коефіцієнта заповнення лопатями площі, що ометається, тому реально зроблені саморобні лопаті з грубими розрахунками можуть вести себе інакше. Якщо ви розрахували кути під швидкохідність Z5, це не означає, що максимальна потужність буде при цій швидкохідності, наприклад, якщо лопаті будуть широкі, то лобовий опір буде дуже великим на високих оборотах і більша частина потужності буде губитися на цьому опорі.

Приклад розрахунку лопат під конкретний генератор.

Допустимо у вас вже є генератор, потужність якого вам відома. Потужність генератора на виході і потужність споживана генератором, тобто ККД. Якщо ККД невідомо, його можна брати рівним 0,5-0,8 , тобто грубо кажучи гвинт повинен дати генератору вдвічі більше потужності ніж генератор виробляє.

Наприклад генератор при 180об/м видає 200ватт/год потужності, і ви хочете отримати цю потужність при вітрі 6м/с. Значить гвинт повинен відібрати у вітру 400ват і мати 180об/м. Середній КИЕВ трилопатевого гвинта 0,4 та швидкохідність Z5. Якщо наприклад гвинт шести-лопатевий, то КИЕВ його буде нижчим і швидкохідність теж, приблизно КИЕВ 0,3 і швидкохідність Z3,5. Точніші дані можна отримати тільки з конкретних профілів, які були продуті в аеродинамічній трубі, а якщо даних продування немає, то можна брати тільки такі зразкові дані. Також хочу відзначити, що без навантаження гвинт може розганятися до великих значень швидкохідності, але його потужність буде значно меншою, і максимальна потужність буде тільки при розрахунковій потужності.

Щоб гвинт забрав 400 ват, вітер повинен мати енергію близько 1000 ват. При 6м/с вітер має потужність (дивіться в інших статтях про розрахунок вітроколеса формули) 0,6*1*6*6*6=129,6 ват на квадратний метр. 129,6*8 квадратних метрів дорівнює 1036,8 ватів, ометана лопатями площа має бути 8 кв. Гвинт діаметром 3,2 метра має площу 8м. квадратних. Тепер ми знаємо діаметр вітроколеса.

Далі потрібно дізнатися обороти вітроколеса. Довжина кола гвинта 3,2 м дорівнює 10м, отже за один оберт лопаті пройдуть шлях 10метрів. Тепер потрібно дізнатися швидкість кінчиків лопатей при вітрі 6м/с та швидкохідності Z5, 6*5=30м/с, тобто за секунду лопаті зроблять 30:10=3об/м, що дорівнює 3*60=180об/м. З розрахунків стало зрозуміло, що вітроколесо діаметром 3,2м швидкохідністю Z5, при вітрі 6м/с матиме 180об/м і потужність на валу 400 ват. Якщо ККД генератора 0,5 то на виході буде 200ватт/год електричних, якщо ККД вашого генератора при цих оборотах 0,8, то на виході буде 320ватт. Так само якщо зростанням швидкохідності КИЕВ значно не просяде, то можливо потужності за рахунок оборотів ще трохи додасться.

Як відомо при збільшенні швидкості вітру вдвічі його потужність збільшується в 8 разів, тому і потужність гвинта теж збільшиться приблизно в 8 разів, отже залежність потужності, що віддається, від оборотів повинна бути теж квадратична. При 6м/с у нас буде близько 250 Вт з генератора, а при 10м/с генератор повинен видавати вже до 2кВт і відповідно навантажувати вітроколесо. Якщо генератор виявиться слабким, то вітроколесо піде в рознесення на сильному вітрі і розкручуватиметься до великих швидкохідностей, звідси сильний шум, вібрації та можливе руйнування вітрогенератора. Тому генератор повинен мати синхронну потужність з потужністю вітроколеса.

Всі ці дані звичайно звернені і мають досить грубий розрахунок, більш точний розрахунок можна зробити самостійно знаючи всі необхідні параметри генератора і знаючи аеродинамічні властивості застосовуваного профілю лопатей. Але для домашнього вітряка достатньо і простого розрахунку кутів установки лопатей та вітроколеса загалом. Якщо у вас виникли питання, або ви помітили грубі неточності у моєму викладі розрахунку, то пишіть у коментарях нижче про це все і я відповім на всі запитання. Інші матеріали з розрахунку лопат дивіться в розділі "Розрахунки ВГ".

Типи вітрогенераторів

Вітряки можна розрізняти за:
- Кількість лопатей;
- Типу матеріалів лопатей;
- вертикальному або горизонтальному розташуванню осі установки;
- Кроковий варіант лопатей.

За конструкцією вітрогенератори діляться за кількістю лопатей, одно, дволопатеві, трилопатеві і багатолопатеві. Наявність великої кількості лопатей дозволяє крутити їх дуже малому вітру. Конструкцію лопат можна розділити на жорстку і вітрильну. Вітрильні вітряки дешевші за інші, але потребують частого ремонту.

Один із видів вітрогенераторів — горизонтальний.

Вітрогенератори вертикального виконання починають обертатися при малому вітрі. Їм не потрібен флюгер. Однак за потужністю вони поступаються вітрякам із горизонтальною віссю. Крок лопатей вітрогенераторів може бути фіксованим або змінним. Крок лопатей, що змінюється, дає можливість збільшувати швидкість обертання. Ці вітряки дорожчі. Конструкції вітряка з фіксованим кроком надійні та прості.

Вертикальний генератор

Ці вітряки є менш витратними в обслуговуванні, тому що встановлюються на невеликій висоті. Також вони мають менше рухомих частин, легше у ремонті та виробництві. Такий варіант установки неважко зробити своїми руками.

Вітрогенератор вертикального виконання

Конструкція вітрогенератора з оптимальними лопатями та своєрідним ротором дає високий ККД і не залежить від напрямку вітру. Вітрогенератори вертикальної конструкції безшумні. Вертикальний вітрогенератор має кілька типів виконання.

Ортогональні вітрогенератори

Ортогональний вітрогенератор

Такі вітряки мають кілька паралельних лопат, які встановлюються на відстані від вертикальної осі. На роботу ортогональних вітряків не впливає напрямок вітру. Встановлюються вони на рівні землі, що полегшує монтаж та експлуатацію установки.

Вітрогенератори на основі ротора Савоніуса

Лопаті цієї установки є особливими напівциліндрами, які створюють високий крутний момент. З недоліків цих вітряків можна виділити велику матеріаломісткість і високу ефективність. Для отримання високого моменту, що крутить, з ротором Савоніуса встановлюють ще ротор Дар'ї.

Вітряки з ротором Дар'ї

Поряд із ротором Дар'ї ці установки мають ряд пар лопатей з оригінальною конструкцією для покращення аеродинаміки. Перевагою цих установок є можливість їхнього монтажу на рівні землі.

Гелікоїдні вітрогенератори.

Вони є модифікацією ортогональних роторів з особливою конфігурацією лопатей, що дає рівномірне обертання ротора. За рахунок зниження навантаження на елементи ротора термін їхньої служби збільшується.

Вітрогенератори на основі ротора Дар'ї

Багатолопатеві вітрові установки

Багатолопатеві вітрові генератори

Вітряки такого типу є зміненим варіантом ортогональних роторів. Лопаті цих установках встановлюються у кілька рядів. Спрямовує вітровий потік на лопаті перший ряд нерухомих лопатей.

Вітрильний вітрогенератор

Основна перевага такої установки - це здатність працювати при невеликому вітрі від 0,5 м/с. Вітрильний вітрогенератор встановлюється в будь-якому місці, на будь-якій висоті.

Вітрильний вітрогенератор

З переваг можна виділити: невелику швидкість вітру, швидку реакцію на вітер, легкість конструкції, доступність матеріалу, ремонтопридатність, можливість виготовити вітряк своїми руками. Недолік – це можливість поломки за сильного вітру.

Вітрогенератор горизонтальний

Вітрогенератор горизонтальний

Ці установки можуть мати різну кількість лопатей. Для роботи вітрогенератора важливо вибрати правильний напрямок вітру. Ефективність роботи установки досягається невеликим кутом атаки лопатей та можливості їх регулювання. У таких вітрогенераторів невеликі габарити та вага.

Відцентровий вентилятор - пристрій механічного типу, який здатний працювати з повітряними або газовими потоками, що мають низький рівень збільшення тиску. Крильчатка, що крутиться, забезпечує рух повітряних мас. Система роботи полягає в тому, що кінетична енергія збільшує тиск потоку, який і протидіє всім повітроводам і заслінкам.

Відцентровий вентилятор набагато потужніший за осьовий, при цьому має економні витрати електроенергії.

Даний пристрій дозволяє змінити напрямок повітряної маси з ухилом 90 градусів. При цьому під час роботи вентилятори не створюють багато шуму, а за рахунок своєї надійності їхній діапазон робочих умов досить широкий.

Деякі особливості

Хотілося б звернути увагу, що принцип дії відцентрового вентилятора побудований таким чином, що він коливає постійний об'єм повітря, а не масу, що дозволяє фіксувати швидкість витрати повітря. Крім того, такі моделі набагато економічніші, ніж осьові аналоги, а конструкцію при цьому мають простіше.

Схема елементів відцентрового вентилятора: 1 – маточина, 2 – основний диск, 3 – робочі лопатки, 4 – передній диск, 5 – лопатеві грати, 6 – корпус, 7 – шків, 8 – підшипники, 9 – станина, 10, 11 – фланці .

Автопромисловість використовує дані вентилятори, щоб охолоджувати двигуни внутрішнього згоряння, які «в користування» віддають свою енергію такому апарату. Також цей вентиляційний пристрій застосовується для переміщення газових сумішей та матеріалів у вентиляційних системах.

Можуть використовуватися як одна із складових систем опалення або охолодження. Така техніка застосовна і з метою очищення та фільтрації промислових систем.

Для забезпечення потрібного рівня тиску та витрати зазвичай використовується ціла серія вентиляторів. Звичайно, відцентрові моделі мають більш високу потужність, але при цьому залишаються економічними (загалом 12% витрат від електрики).

Влаштування відцентрового вентилятора складається з крильчатки, яка оснащена декількома шеренгами лопатей (ребер). У центрі розташований вал, що проходить крізь весь корпус.Повітряні маси потрапляють з краю, де знаходяться лопаті, далі за рахунок конструкції відбувається їхній поворот на 90 градусів, а потім завдяки відцентровій силі вони розганяються ще більше.

Повернутись до змісту

Типи приводних механізмів

Багато в чому роботу вентилятора, саме на обертання лопатей, впливає тип приводу. На сьогоднішній день їх 3:

1. Прямий. У разі крильчатка безпосередньо з'єднана з валом двигуна. Від швидкості обертання двигуна залежатиме і швидкість лопатей. Як недолік цієї моделі виділяють такі: якщо двигун не має регулювання своєї швидкості, то і вентилятор працюватиме в одному режимі. Але якщо врахувати, що холодне повітря має вищу щільність, то кондиціювання буде саме собою відбуватися швидше.
2. Ремінний. У цьому типі пристрою є шківи, ​​які розташовані на валу двигуна та крильчатки. Співвідношення діаметрів шківів обох елементів впливають на швидкість роботи лопатей.
3. Регульований. Тут регулювання швидкості відбувається з допомогою наявності гідравлічної чи магнітної муфти. Її розташування - між валів двигуна і імпелера. Щоб простішим було здійснити цей процес, такі відцентрові вентилятори мають автоматизовані системи.

Повернутись до змісту

Складові відцентрового вентилятора

Схема робочих коліс відцентрових вентиляторів: а - барабанна, б - кільцева, в, г - з конічними дисками, що покривають, д - однодискові, е - бездискові.

Як і будь-яка інша техніка, вентилятор справно працюватиме лише за відповідних елементів конструкції.

1. Підшипники. Найчастіше цей тип пристрою має маслонаповнені підшипники роликового типу ковзання. Окремі моделі можуть мати водяну систему охолодження, яка найчастіше застосовується в роботі з гарячими газами, що запобігає перегріву підшипників.
2. Лопаті та заслінки. Основна функція заслінок - управління газовими потоками при вході та виході. Окремі моделі відцентрових ексгаустерів можуть мати їх з обох боків або тільки з одного входу або виходу. «Вхідні» заслінки керують кількістю газу або повітря, що надходить, а «вихідні» опираються повітряному потоку, який керує газом. Заслінки, що розташовані на вході лопат, сприяють зменшенню споживання електроенергії.

Самі плиці знаходяться на втулці колеса доцентрового вентилятора. Є три стандартні розташування лопатей:

• лопаті загнуті вперед;
• лопаті загнуті назад;
• лопаті прямі.

У першому варіанті лопаті мають леза з напрямком руху колеса. Такі вентилятори не люблять твердих домішок в ерліфтних потоках. Основне їхнє призначення — великий потік із низьким тиском.

Другий варіант оснащений викривленими лезами проти руху колеса. Таким чином досягається аеродинамічний швелер та відносна економічність конструкції. Такий спосіб застосовується у роботі з потоками газової консистенції низького та помірного рівня насичення жорсткими компонентами. Як доповнення мають покриття від пошкоджень. Дуже зручно, що такий відцентровий вентилятор має широкий діапазон регулювань швидкостей. Вони набагато ефективніші за моделі з лопатями, вигнутими вперед або прямими, хоча останні й коштують дешевше.

Третій варіант має лопаті, які розширюються одразу від втулки. Такі моделі мають мінімальну чутливість до осідання твердих частинок на лопатях вентилятора, але при цьому багато шуму під час експлуатації. Також вони мають швидкий темп роботи, низькі обсяги та високий рівень тиску. Часто використовують із метою аспірації, в пневматичних системах для транспортування матеріалів та інших схожих роботах.

Повернутись до змісту

Типи відцентрових вентиляторів

Є певні стандарти, за якими виготовляється ця техніка. Слід виділити такі типи:

1. 1. Аеродинамічний крило. Такі моделі мають широке застосування у сфері безперервних робіт, де постійно присутні високі температури, найчастіше це нагнітальні та витяжні системи. Маючи високий показник продуктивності, вони безшумні.
   2. Назад загнуті лопаті. Мають високу ефективність. Конструкція цих вентиляторів перешкоджає накопиченню пилу та дрібних частинок на лопатях. Має досить міцну конструкцію, що дозволяє застосовувати їх для областей із високим гнобленням.
   3. Ребра, вигнуті у зворотний бік. Розраховані для великої кубатури повітряних мас із відносно низьким рівнем тиску.
   4. Радіальні лопаті. Досить міцні, можуть забезпечити високий тиск, але із середнім рівнем ефективності. Напрямні ротора мають спеціальне покриття, яке захищає їхню відмінність від ерозії. Крім того, такі моделі мають компактні габарити.
   5. Ребра загнуті вперед. Призначені для тих випадків, коли має працювати з великими обсягами повітряних мас і спостерігається високий тиск. Ці моделі теж мають відмінну стійкість до ерозії. На відміну від моделей заднього типу такі агрегати мають менші розміри. Такий вид крильчатки має найбільшу витрату обсягу.
   6. Гребне колесо. Цей пристрій є відкритим колесом без будь-якого корпусу або кожуха. Застосовний для приміщень, де присутня велика запиленість, але при цьому, на жаль, такі пристрої не мають високої ефективності. Допустиме використання при високих температурах.