Оптимизация аэродинамических характеристик ветряной турбины по спирали Архимеда: комбинированный экспериментальный и CFD-анализ влияния отношения шагов и числа лопастей

Почему важна новая конструкция ветряной турбины

По мере того как города ищут более чистые источники энергии, ветер кажется естественным выбором. Тем не менее высокие трёхлопастные турбины, распространённые на открытых просторах, слабо приспособлены к плотной городской среде, где ветер медленнее, более турбулентен и постоянно меняет направление. В этой работе рассматривается другой тип машины — ветряная турбина по спирали Архимеда, форма которой напоминает закрученную спиральную раковину. Авторы задаются практическим вопросом: как следует настраивать геометрию спирали и число лопастей, чтобы такая турбина работала эффективно и надёжно в реальных городских условиях с низкой скоростью ветра?

Спиральная турбина, созданная для городского ветра

Ветряная турбина по спирали Архимеда (ASWT) — это компактная турбина с горизонтальной осью, у которой лопасти обвивают центральный вал плавной спиралью, а не простираются прямо наружу. Такая форма позволяет ей улавливать ветер с разных направлений и запускаться даже при слабых и неустойчивых порывах — условиях, типичных между зданиями. Однако та же спиральная и многолопастная конструкция, которая полезна на низких скоростях, может увеличить аэродинамическое сопротивление и нагрузку на конструкцию, ограничивая максимальную эффективность. Исследование сосредоточено на поиске компромисса, при котором турбина легко запускается и устойчиво работает, но при этом преобразует как можно больше энергии ветра в полезную мощность.

Настройка формы спирали

Одной из ключевых характеристик этой турбины является то, как быстро спираль «раскручивается» вдоль вала, что контролируется двумя длинами, называемыми Шаг 1 и Шаг 2. Их отношение (S1/S2) определяет, будут ли лопасти более плотно изогнуты или более растянуты. Чтобы изучить влияние только этого параметра, команда сохранила общий размер и пропорции ротора неизменными, изменяя лишь S1/S2 в шести вариантах. Они создали 3D‑модели, провели детальные расчёты потока воздуха и затем испытали соответствующие физические модели в аэродинамической трубе при реалистичных скоростях ветра от 5 до 10 м/с. Все варианты показывали наилучшие характеристики в похожем рабочем режиме вращения, но конфигурация среднего диапазона (обозначенная PR-5) заметно выделялась, обеспечивая наибольшую выработку мощности за счёт более плавного направления потока вдоль лопасти без чрезмерного сопротивления.

Поиск оптимального числа лопастей

При фиксированной оптимальной форме спирали исследователи затем изучили, сколько лопастей должна иметь турбина — были испытаны варианты с двумя, тремя, четырьмя, пятью и шестью лопастями. Большее число лопастей увеличивает площадь, на которую действует ветер, что помогает турбине запускаться при низких скоростях и давать стабильный крутящий момент. Но слишком большое число лопастей также утолщает ротор, усиливая возмущения и трение в потоке, что снижает эффективность на более высоких оборотах. Моделирование и измерения в аэродинамической трубе показали чёткую закономерность: трёхлопастная версия обеспечивала наилучший общий баланс, достигая максимального коэффициента мощности около 0,264 при умерённом коэффициенте скоростей на кончике лопасти, тогда как варианты с большим числом лопастей страдали от повышенного сопротивления и неупорядоченных следов за ротором. Двухлопастная модель показала себя несколько лучше на более высоких оборотах, но хуже справлялась при слабом ветре.

Взгляд внутрь потока

Чтобы понять причины этих различий, команда исследовала детальные карты давления и скорости вокруг лопастей. В наиболее успешной трёхлопастной конструкции воздух ускорялся плавно на присасывающей стороне каждой лопасти и замедлялся с противоположной стороны, создавая сильную и равномерную разницу давления, приводящую в движение ротор. След за турбиной оставался компактным и относительно упорядоченным, что указывает на эффективное извлечение энергии при умеренной турбулентности. В отличие от этого, у двухлопастного ротора наблюдалась более слабая и фрагментарная нагрузка, а роторы с пятью или шестью лопастями формировали перекрывающиеся зоны давления и широкие, медленные следы — признаки того, что поток перегружался и значительная часть дополнительной площади лопастей скорее мешала, чем помогала.

Что это значит для городской ветроэнергетики

Проще говоря, исследование показывает, что турбину по спирали Архимеда можно настроить так, чтобы она эффективно работала там, где традиционные высокие турбины испытывают трудности: при низком и переменчивом городском ветре. Тщательная настройка скорости раскрытия спирали (соотношение S1/S2) и выбор трёхлопастной компоновки позволяют создать компактный ротор, который легко запускается, стабильно работает и преобразует достойную долю энергии ветра в электричество — без сложных систем ориентирования. Хотя её пиковая эффективность всё ещё ниже, чем у крупных полевых турбин, оптимизированная спиральная конструкция представляет собой перспективный вариант для крыш и мелкомасштабного распределённого энергоснабжения, а также даёт надёжную основу для дальнейших усовершенствований формы, конструкции и материалов.

Цитирование: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

Ключевые слова: городская ветряная турбина, ротор по спирали Архимеда, оптимизация числа лопастей, численная гидродинамика, мелкомасштабная ветроэнергетика