7.2.Ile łopatek ?

Dla przypomnienia współczynnik mocy Betza jest stosunkiem mocy odebranej do całkowitej mocy zawartej w strumieniu powietrza:

                                                  (7.5)

Określa on, jaką część mocy niesioną przez strumień niezaburzonego powietrza można wykorzystać. Współczynnik ten znacznie zależy od stosunku prędkości łopaty do prędkości wiatru (zwany „tip speed ratio)”(patrz 7.1)

Zależność tę można przedstawić na wykresie Cp=f(λ). Wcześniej charakterystyka ta przedstawiona została dla określonego wirnika wiatrowego. Na rysunku 23, przedstawione są krzywe dla różnych typów wirników.

Rys.23.Charakterystyki wirników dla określonych konstrukcji.

 

 

 

Żeby uzyskać maksymalny współczynnik wykorzystania energii wiatru Cp, należy utrzymać odpowiedni stosunek prędkości wirnika do prędkości wiatru. Turbiny wiatrowe mogą mieć różną liczbę łopatek. Im mniejsza liczba łopatek tym wirnik obraca się szybciej. Na rysunku 23 na osi odciętych jest tak zwana prędkość wierzchołkowa λ, która jest zdefiniowana jako stosunek prędkości wierzchołka wirnika do prędkości wiatru. Turbiny wiatrowe są projektowane w celu produkcji elektryczności, czyli napędzają generatory, które wymagają dużych prędkości obrotowych. Z tego względu wirniki powinny mieć prędkości obrotowe jak największe celem obniżenia masy przekładni generatorów. W konsekwencji liczba łopatek wirnika jest mała i nie przekracza trzech.

Turbiny stosowane do napędzania pomp (występujące głównie w Ameryce) posiadają durzą liczbę łopatek co sprawia, że obracają się one z niewielką prędkością obrotową, ale charakteryzują się dużym momentem napędowym. Odwrotnie zachowują się turbiny z kilkoma szczupłymi łopatkami. Obracają się szybko, ale wyważają względnie mniejszy moment napędowy.

W większości współczesnych turbin wiatrowych, uwzględniana jest ich hałaśliwość, rosnąca wraz z prędkością wierzchołkową. Ogólnie poziom hałasu powodowanego przez wirnik zwiększa się z szóstą potęgą prędkości wierzchołka łopatki.

a) Turbina trzyłopatkowa:

Nowoczesne turbiny wiatrowe z trzema łopatkami są obecnie najczęściej spotykane na całym świecie. Główną przyczyną użycia trzech łopatek jest stały moment bezwładności wirnika. Prędkość wierzchołka łopatki nie przekracza 70 [m/s], co nie powoduje nadmiernego hałasu.

We współczesnej energetyce wiatrowej największe zastosowanie znalazły turbiny trój łopatkowe które osiągają największe wielkości współczynników Cp

b) Turbina dwułopatkowa

Obniżenie liczby łopatek o jedną oferowało szansę obniżenia kosztów wirnika, ale zachowanie dynamiczne takiego wirnika wymaga dodatkowych wysiłków technicznych, które z kolei zwiększają koszt całkowity. Oprócz tego prędkość wierzchołka łopatki musi być większa niż w wirnikach trzyłopatkowych powodując podwyższony poziom hałasu.

 

c) Turbina jednołopatkowa

Jedna łopatka może być przytwierdzona do piasty pojedynczym przegubem co umożliwia dodatkowe ruchy łopatki w innych płaszczyznach, co obniża obciążenia konstrukcji łopatki. Mniejsza też jest masa wirnika. Z kolei wirnik jednołopatkowy wymaga skomplikowanych konstrukcji piasty. Jedną z przeszkód instalowania tego typu turbin jest wysoki poziom hałasu wirnika powodowany przez prędkość wierzchołkową. W porównaniu z wirnikami trzy łopatkowymi prędkość ta jest dwa razy większa co oznacza że turbina jednołopatkowa jest kilka razy bardziej hałaśliwa.

Rys.24.Różne rozwiązania wirników.