Почему у турбины ветрогенераторов всегда три лопасти?

Подавляющее большинство ветрогенераторов представляют собой вертикальный столб с тремя лопастями. Обычно они имеют мощность около 2 МВт, но некоторые ветряки могут выдавать до 16 МВт, как например построенный в Китае гигант MySE 16.0-242. Независимо от мощности и габаритов, большинство «ветряков» объединяет одно – их ротор оснащен тремя лопастями, которые вращают генератор внутри гондолы. Но почему только три? Почему не ставят больше лопастей, чтобы увеличить мощность и КПД?

Оптимальная конструкция

Основным требованием к роторам в больших силовых установках является устойчивость и уравновешивание сил, действующих на вал. По законам физики турбина с одной лопастью не сможет крутиться, как бы не старались инженеры. Лопасть нужно уравновесить, поэтому минимально возможной является конструкция с двумя лопастями. Ее преимущество заключается в небольшом весе и, следовательно, в более низких производственных затратах.

Поскольку обе лопасти сбалансированы, при эксплуатации небольших бытовых ветряков проблем с надежностью обычно не возникает. Однако если это крупный генератор, начинает проявляться так называемый эффект гироскопической прецессии, когда при вращении происходит незначительное смещение оси, что вызывает колебания и раскачивание лопастей. Это приводит к ускоренному износу и росту затрат на эксплуатацию станции. Тем не менее, на рынке есть несколько производителей, серийно выпускающих двухлопастные ветрогенераторы мощностью до 300 кВт.

Оптимальный дизайн

При трех лопастях гироскопическая прецессия не возникает, при этом конструктивные требования к ветрогенератору особо не повышаются. С точки зрения общей производительности четырех- или шести-лопастные ветряки могут быть мощнее, но в этом случае опять-таки повышается нагрузка на механические части. Давление ветра, которое действует на большую площадь лопастей, требует как более прочной оси редуктора, так и усиление мачты ветрогенератора.

Результатом будет гораздо больший вес всей конструкции с более высокими затратами, как на производство, так и на эксплуатацию. При этом КПД не увеличивается линейно с добавлением лопастей – шестилопастный ветрогенератор не выдает в два раза больше энергии, чем трехлопастный. Здесь действует так называемое правило Беца, согласно которому КПД энергии ветра составляет 59.3%. Трехлопастные силовые установки имеют практический КПД около 48%, т.е. около 80% от возможного максимума.

Большее количество лопастей также ограничивает максимальную скорость ветра, при которой может работать установка. В то время как для трехлопастной турбины она обычно составляет около 25 м/с, с шестью лопастями значение упадет ниже 20 м/с. Даже более высокий КПД не компенсирует потерь, вызванных принудительным отключением электростанции при более быстром ветре. Три лопасти также оптимальны с точки зрения уровня шума, такие генераторы разрешается использовать в наземных ветропарках, а не только в морских и прибережных зонах.