Большая Советская Энциклопедия (ВЕ) - БСЭ БСЭ

Ветродвигатель

Ветродви'гатель, двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа В., воспринимающего энергию (давление) ветрового потока и преобразующего её в механическую энергию вращения вала, применяют ротор, барабан с лопатками, ветроколесо и т.п.

  В зависимости от типа рабочего органа и положения его оси относительно потока различают В. карусельные (или роторные), барабанного типа и крыльчатые. У карусельных В. (рис. 1 , а) ось вращения рабочего органа вертикальна. Ветер давит на лопасти, расположенные по одну сторону оси, лопасти по др. сторону оси прикрываются ширмой либо специальным приспособлением поворачиваются ребром к ветру. Так как лопасти движутся по направлению потока, то их окружная скорость не может превышать скорости ветра. Поэтому карусельные В. относительно тихоходны, более громоздки и менее эффективны, чем крыльчатые. Наибольший коэффициент использования энергии ветра x , оценивающий степень энергетического совершенства В. и показывающий, какая доля энергии ветрового потока преобразуется в механическую энергию, у них не превышает 0,15. Из числа В. первых 2 типов наибольший x , равный 0,18, имеет роторный В. с двумя полуцилиндрическими лопастями (рис. 1 , б). Такие же недостатки присущи В. барабанного типа (рис. 1 , в), у которого вал барабана расположен горизонтально и перпендикулярно направлению ветрового потока. Преимущественное распространение получили крыльчатые В., у которых ось ветроколеса горизонтальна и параллельна направлению потока. Они имеют наивысший x (до 0,48) и более надёжны в эксплуатации. Так как лопасть с наконечником крепления к ступице называется крылом, то и В. такого типа получил название крыльчатого.

  В зависимости от числа лопастей различают ветроколеса быстроходные (менее 4), средней быстроходности (от 4 до 8) и тихоходные (более 8 лопастей). Быстроходность ветроколеса оценивается числом модулей Z , равным отношению окружной скорости wR внешнего конца лопасти радиусом R, вращающейся с угловой скоростью w , к скорости v набегающего потока. При одинаковом Z ветроколесо большего диаметра имеет меньшую частоту вращения. При прочих одинаковых условиях увеличение числа лопастей также снижает частоту вращения ветроколеса. Ветроколесо с небольшим числом лопастей (рис. 2 ) обычно состоит из ступицы и лопастей, соединённых с ней жестко под некоторым углом j к плоскости вращения (рис. 3 ) или с помощью подшипниковых узлов, в которых лопасть поворачивается для изменения угла установки j. Воздушный поток набегает на лопасть с относительной скоростью w под некоторым углом атаки a . Возникающая на каждой лопасти полная аэродинамическая сила  раскладывается на подъёмную силу Ру , создающую вращающий момент М, и на силу Px лобового давления, действующую по оси ветроколеса. При поворотных лопастях с быстроходным ветроколесом часто конструктивно объединены механизмы регулирования частоты вращения, ограничения мощности и пуска-останова В., осуществляющие поворот лопасти относительно продольной оси В. Многолопастное ветроколесо (рис. 4 ) состоит из ступицы с каркасом, на котором жестко закрепляются специально спрофилированные лопасти из листовой стали. У тихоходных ветроколёс значение x доходит до 0,38. Ограничение развиваемой мощности обычно производится поворотом тихоходного ветроколеса относительно плоскости, перпендикулярной направлению действия ветрового потока. Мощность, развиваемая на валу ветроколеса, зависит от его диаметра, формы и профиля лопастей и практически не зависит от их числа:

  P вк » 3,85·10-3 ·rD2 v3 x ,

  где Р вк — мощность на валу ветроколеса, квт, r — плотность воздуха, кг/м2 , v — скорость ветра, м/сек2 , D — диаметр ветроколеса, м.

  Относительный момент , равный

 

  зависит от быстроходности ветроколеса (рис. 5 ). У тихоходных максимальное значение  совпадает с начальным моментом , у быстроходных, напротив, номинальное значение , соответствующее x макс , в несколько раз больше .

  К изучению физических явлений при прохождении воздушного потока через ветроколесо применяют теорию крыла и воздушного винта самолёта. Теоретические основы расчёта ветроколеса были заложены в 1914—22 русским учёным Н. Е. Жуковским . Кроме того, он доказал, что x идеального ветроколеса равен 0,593. Его ученики В. П. Ветчинкин, Г. Х. Сабинин, а также др. советские учёные развили теорию ветроколеса, разработали методы расчёта аэродинамических характеристик и систем регулирования В.

  Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых В.: или с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным механизмом (рис. 6 , а), или с расположением всех узлов в головке В. (рис. 6 , б). Головку монтируют на поворотной опоре башни, и при изменении направления ветра она поворачивается относительно вертикальной оси. Высота башни определяется диаметром ветроколеса и высотой препятствий, мешающих свободному прохождению воздушного потока к В. Для работы с более тихоходными исполнительными машинами используют обычно многолопастные В., а для агрегатирования с генераторами, центробежными насосами и др. быстроходными машинами — двух-, трёхлопастные В. Кроме механического привода, применяют также электрический, пневматический, гидравлический и смешанный приводы. Ориентация ветроколеса по направлению ветра у В. осуществляется автоматически хвостовым оперением, поворотными ветрячками (см. Виндроза ) или расположением В. за башней (самоориентация).

  Так как мощность В. пропорциональна кубу скорости ветра, то в реальных условиях эксплуатации необходимо ограничение мощности при v > vp и регулирование частоты вращения ветроколеса. Действие различных систем автоматического регулирования основано на изменении аэродинамических характеристик лопасти или всего ветроколеса в соответствии с действующей скоростью ветра, частотой вращения ветроколеса и значением нагрузки. До определённых расчётных значений скорости ветра vp система регулирования в действие не вступает и В. работает с переменной мощностью. При скоростях, больших vp , с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной. В районах со среднегодовыми скоростями ветра  4—5 м/сек vp обычно принимается 7—9 м/сек, при  6—7 м/сек — 10—12 м/сек, а при , более 7 м/сек — 13—14 м/сек. В табл. 1 приведены мощности, которые может развить В. при x = 0,35 и vp = 8 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса 2—12 м ) и vp = 10 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса более 12 м ).

  Табл. 1. — Мощность на ветроколесе

Диаметр Мощность на ветроколесе, квт, при скоростях ветра, м/сек ветроколеса, м 4 5 6 7 8 9 10 и более 2 4 8 10 12 18 30 0,042 0,17 0,69 1,08 1,55 3,48 9,6 0,083 0,33 1,34 2,1 3,03 6,6 18,9 0,145 0,58 2,32 3,63 5,25 11,8 32,6 0,23 0,92 3,7 5,75 8,25 18,6 51,6 0,345 1,38 5,5 8,6 12,4 27,8 77,3 0,345 1,38 5,5 8,6 12,4 39,5 110,0 0,345 1,38 5,5 8,6 12,4 54,6 151,1

  В тихоходных В. получили наибольшее распространение системы автоматического регулирования путём вывода ветроколеса из-под ветра давлением, создаваемым воздушным потоком на дополнительные поверхности — боковые планы (рис. 6 , б), или давлением на ветроколесо, ось вращения которого смещена (эксцентрично расположена) относительно вертикальной оси поворота головки. В исходное положение ветроколесо возвращается усилием пружины. Принудительная остановка В. производится установленной на башне лебёдкой через систему тросов, натяжением которых выводят ветроколесо из-под ветра. Система регулирования с боковым планом применена в отечественном В. ТВ-8, «Буран» и во многих зарубежных; система регулирования при эксцентричном расположении ветроколеса применена в отечественных В. ТВМ-3, ТВ-5 и в ряде В., выпускаемых в США, Великобритании, Австралии и др. странах.