Две лопасти хорошо, а три лучше.

Ветер крепчал, он забирался под камни, уносил за собой солому, листья и даже небольшие комья земли и отмечал ими свой путь, проносясь по полям. Воздух и небо потемнели, солнце отсвечивало красным, от пыли першило в горле. За ночь ветер усилился; он ловко пробирался между корнями кукурузы, и она отбивалась от него ослабевшими листьями до тех пор, пока он не вырывал ее из земли, и тогда стебли устало валились набок, верхушками указывая направление ветра.

Джон Стейнбек. "Гроздья гнева". Перевод Н. Волжиной

Как можно понять из эпиграфа, следующая страница истории ветроэнергетики была написана в Америке эпохи Великой депрессии. Её авторами стали два брата, Марцелус и Джо Джакобсы (Marcellus and Joe Jacobs). Братья были потомственными фермерами и работали на своём ранчо, но их привлекали новинки техники: электрическое освещение, утюги, водяные насосы и, конечно же, самый продвинутый тогдашний гаджет -- радио. Для всего этого добра требовалось электричество, которого негде было взять в богом позабытой Монтане, поэтому в 1920-м году на ранчо появился бензиновый генератор. Но и с ним были проблемы. Бензин можно было раздобыть только в городе, в сорока милях от ранчо. Транспорт-то был исключительно гужевой, автомобиль ещё не стал всеобщим достоянием даже в Америке, соответственно, подзаправиться надо было по дороге и не только лошади, в следствии чего дорога туда и обратно занимала трое суток. В общем, чувство неудовлетворённости не покидало предприимчивое семейство.

Взоры братьев обратились к уже знакомой нам водокачке Халладея, но она им не подошла. Генератор, имеющийся в их распоряжении, требовал для своей работы более высокой частоты вращения, чем могла ему обеспечить вертушка от водокачки. Тогда Марцелус, который в то время занимался ещё и воздухоплаванием, придумал приспособить на место ветряного колеса пропеллер от самолёта. У братьев были авиамоторы с пропеллерами, они даже использовали их в качестве двигателей аэросаней (Монтана находится на самом севере США, на границе  с Канадой). Идея оказалась удачной, по результатам опытов остановились на трёхлопастном дизайне, а чтобы стабилизировать скорость вращения колеса, угол поворота лопастей устанавливался центробежным регулятором (решение, перешедшее от водокачки Халладея).

По всей видимости, это был первый работоспособный ротор ветряной турбины современного типа. Он уже включал в себя все необходимые опции: три лопасти с обтекаемыми поверхностями и узел управления их поворотом в ступице. Полезно сравнить его (на картинке вначале поста) с ротором турбины "Агрико". У Джакобсов уже всё по науке. В архивной статье NASA за 1973-й год сообщается, что первый трёхлопастной ротор был создан в 1927-м году. Конструкция оказалась настолько удачной, что братья построили пару десятков таких киловаттных ветрогенераторов, которыми снабдили соседние ранчо, а в 1928-м году основали свою собственную фирму. В 1932-м же году Джакобсы решили поставить бизнес на широкую ногу и перебрались в Миннеаполис, где построили фабрику. И это при том, что Великая депрессия уже вовсю разворачивалась.

Тут следует сделать отступление, чтобы сказать почему лопастей именно три штуки. Во-первых, это красиво. Не торопитесь говорить, что это уже не смешная шутка. В наше время так называемое "визуальное загрязнение" является вторым по значимости (после шума) препятствием для установки ветряной турбины. Трилистник же выгодно отличается своим эстетизмом от других конфигураций. Недаром известная автомобильная фирма выбрала своей эмблемой именно трёхлопастной пропеллер, хотя бывают и двух-, и четырёхлопастные и с большим количеством лопастей. Могли бы сделать ребрендинг, если бы с эмблемой было что-то не так, денег у них хватило бы. Впрочем, для турбины Джакобсов это обстоятельство не имело никакого значения.

Они руководствовались другими соображениями. Чем больше лопастей, тем больше энергии ветра они смогут зачерпнуть, но как мы помним из формулы Бетца, сколько бы не было у турбины лопастей, её мощность ограничена, причём не количеством лопастей, а их длиной (ометаемой ими площадью). Поэтому, по мере добавления лопастей вклад в мощность турбины каждой новой добавленной будет меньше вклада предыдущей. Для большей понятности рассмотрим конкретный пример.

Предположим, что у нас есть трёхлопастная турбина, её коэффициент эффективности -- 0,45. Стало быть, средний вклад каждой из трёх лопастей равен:

0,45 / 3 = 0,15

Теперь добавим ещё семь лопастей. Если у них будет та же самая эффективность, то тогда суммарный коэффициент будет равен:

0,15 * 10 = 1,50

150% процентов эффективности. На самом деле, как мы помним, эффективность не может быть больше 0,593. То есть, эффективность 7 добавленных лопастей будет меньше, чем:

0,593 -- 0,45 = 0,143

или 0,02 в среднем на каждую новую лопасть. То есть, мы имеем 3 лопасти по 0,15 и 7 лопастей по 0,02. При том, что все они одинаковые. Всё потому, что на этой площади работы припасено только для трёх лопастей. Поэтому разумнее будет сделать три ветряка с тремя лопастями и оставить себе ещё одну в запас, чем один ветряк с десятью лопастями. У трёх ветряков по три лопасти у каждого суммарная эффективность будет равна:

0,45 * 3 = 1,35

а у одного с десятью лопастями не больше 0,593, т.е., в два раза меньше, чем у трёх трёхлопастных.

В этом примере использованы произвольные числа для удобства счёта, но смысл они не меняют. Из практики известно, что четвёртая лопасть может добавить всего несколько процентов в эффективности, поэтому четырёхлопастные турбины большой мощности не делают. Оговорка про мощность тут не случайна.

Хотя количество лопастей не делает погоду с точки зрения прироста мощности, но существенно уменьшает неоднородность потока воздуха за турбиной, что снижает шум от неё и уменьшает вибрацию. Поэтому, если стоимость лопастей вас не смущает, их можно побольше повтыкать, но если их стоимость сравнима со стоимостью всей турбины, то экономия вполне оправдана. С другой стороны, уменьшать количество лопастей до нуля тоже нельзя. Так, хотя с экономической точки зрения двухлопастные турбины сравнимы с трёхлопастными, но они динамически неустойчивы, производят много шума и в глазах рябят.

Ещё один момент, с которого и начались изыски Джакобсов. Чем меньше лопастей, тем быстрее вращается турбина, поэтому существуют даже однолопастные ветряки. Чтобы отобрать энергию у ветра, лопасть должна омести выделенную ей площадь за время, которое ветер проходит сквозь ветряк. Чем больше лопастей, тем меньший сектор достаётся каждой, тем на меньший угол должен повернуться ротор за тоже самое время, тем меньше скорость его вращения, и наоборот. В тоже время, большая скорость вращения тоже создаёт проблемы; возрастает центробежная нагрузка, концевые потери.

Вот такую задачу по оптимизации выполнили Джакобсы. Три лопасти -- результат компромисса. При разных требованиях к турбине результат будет разным, три -- не закон, но в большинстве применений три лопасти оказываются предпочтительней. Вернёмся, однако, назад, в Миннеаполис 30-х годов прошлого века.

За четверть века работы фабрика Джакобсов выпустила примерно два десятка тысяч ветряков мощностью от 1,5 до 3 киловатт, которые разошлись по всем континентам, включая Антарктиду. Адмирал Ричард Бэрд (Richard Evelyn Byrd) в 1934-м году взял в свою вторую антарктическую экспедицию 2,5 киловаттную мельницу Джакобсов. Летом 1934-35 гг. она обеспечивала станцию "Маленькая Америка" освещением и радиосвязью. Только в 1947-м году Бэрд вновь посетил "Маленькую Америку". Ветряк по прежнему вертелся наверху 70-ти футовой радиоантенны. Правда, мы знаем об этом со слов Бэрда... А что мы знаем о Бэрде? Он мог. Но, в любом случае, сезон мельница исправно отработала в жесточайших антарктических условиях.

И всё же костлявая рука Великой депрессия добралась до фабрики Джакобсов. В 1956-м году её пришлось закрыть. При том, что сама депрессия уже давно закончилась. В 1936-м году Франклин Рузвельт подписал "Акт об электрификации сельского хозяйства" (The Rural Electrification Act). Это была одна из мер по борьбе с депрессией. В соответствии с подписанным актом в сельской местности были организованы электрические колхозы (rural electrification cooperatives), которые к концу пятидесятых годов подвели электричество к каждому ранчо. У мельниц исчез рынок сбыта, ведь электричество из розетки намного дешевле, удобнее и его больше.

Сами же Джакобсы не пропали, занявшись всякой другой техникой, в помощь тех же самых электрических колхозов, кстати сказать, некоторые из которых существуют до сих пор. В начале 70-х годов начинается возрождение ветроэнергетики, к нему подключились Марцелус и его сын Пол (Джо погиб в ДТП в 1963-м). В 1975-м году они продемонстрировали мельницу новой волны, улучшенную, рассчитанную на 10 киловатт мощности и снабжённую редуктором. Но были у ней и недостатки. Джакобсы начали отставать от времени. Более совершенная техника требовала больших усилий для своей разработки. В 1985-м году Марцелус тоже погибает, в ДТП, как и его брат. К тому же цены на нефть стремятся в низ... В низ пошла и новая волна ветроэнергетики.

Частный бизнес имеет большое преимущество в инициативе по сравнению с корпорациями, но наши недостатки суть продолжение наших достоинств как сказал кто-то из великих. Когда уходит человек, создавший фирму, очень трудно сохранить его эммм.... дух. Фирма Джакобсов вроде как существует до сих пор, но это уже совсем другая история.

Видео мельницы Джакобсов, изготовленной в 1948-м году и восстановленной в 2010-м.



Ещё кое-какие материалы по теме: http://www.jacobswind.net/history/additional-info

Назад

К оглавлению

Вперёд