Ветродвигатель

Ветродвигатель, 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 Р_у, создающую вращающий момент М, и на силу P_x 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·rD²v³x,

  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 > v_p 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 v_p система регулирования в действие не вступает и В. работает с переменной мощностью. При скоростях, больших v_p, с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной. В районах со среднегодовыми скоростями ветра  4—5 м/сек v_p 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 v_p = 8 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса 2—12 м) и v_p = 10 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса более 12 м).

  Табл. 1. — Мощность на ветроколесе

  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.

  В большинстве быстроходных В. регулирование осуществляется поворотом лопасти или её концевой части относительно продольной оси. Быстроходный В., разработанный А. Г. Уфимцевым и В. П. Ветчинкиным, регулирует частоту вращения своего ветроколеса поворотом лопасти ребром к потоку вследствие комбинированного действия на неё давления воздушного потока и момента её центробежных сил. В СССР такие В. имеют диаметр ветроколеса 10, 12, 18 м, мощность от 7,4 до 29,5 квт и применяются обычно как первичные двигатели ветроэлектрических станций. У В. относительно небольшой мощности (до 5 квт) лопасти при регулировании поворачиваются в сторону увеличения угла установки j центробежными силами, развиваемыми лопастями и установленными на них грузами (метод В. С. Шаманина), или регулирование осуществляется поворотом лопастей в сторону уменьшения угла j под действием центробежных сил лопастей и грузов регулятора. Этот метод (Е. М. Фатеева и Г. А. Печковского) применен в В. ВБЛ-3, ВЭ-2М, «Беркут» (рис. 7) и др. Для более мощных В. применяют стабилизаторное регулирование (метод Г. Х. Сабинина и Н. В. Красовского), выполняемое обычно концевой частью лопасти, которая поворачивается относительно оси под действием сил, возникающих на стабилизаторе. Он управляется центробежным регулятором. Вследствие высокой равномерности вращения таких В. их применяют для работы с электрическими генераторами (В. Д-12, Д-18 и Д-30). В. «Сокол» с электрической трансмиссией имеет комбинированное моментно-центробежное регулирование (метод Я. И. Шефтера), основанное на изменении подъёмной силы лопасти при её повороте относительно продольной оси в сторону уменьшения или увеличения угла установки под действием движущего момента на ветроколесе. Для предохранения В. от разноса при малых значениях момента нагрузки имеется центробежный регулятор, также управляющий поворотом лопастей. Такой В. может работать изолированно и параллельно с др. агрегатами или электрической сетью. В некоторых В. применяют регуляторы в виде тормозных открылков, торцевых клапанов и др. устройств, уменьшающих аэродинамический момент. У В. «Allgaier» (ФРГ) поворот лопастей осуществляется механогидравлической системой; при очень большой частоте вращения В. автоматически останавливается.

  В табл. 2 приведена годовая выработка энергии на валу ветроколеса при  = 0,35 в зависимости от среднегодовой скорости ветра v_r, диаметра ветроколеса D и максимально возможного числа часов работы Т_раб В. в году.

  Табл. 2. — Годовая выработка энергии на валу ветроколеса

  О применении В. и перспективах их развития см.(смотри) в ст. Ветроэнергетика.

  Лит.: Фатеев Е. М., Ветродвигатели и ветроустановки, 2 изд., М., 1957; Перли С. Б., Быстроходные ветряные двигатели, М. — Л., 1951; Шефтер Я. И., Рождественский И. В., Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты, М., 1967.

  Я. И. Шефтер.

Рис. 3. Схема векторов аэродинамических сил и скоростей в сечении лопасти.

Рис. 7. Быстроходный ветродвигатель «Беркут-2» с электрическим генератором.

Рис. 1. Внешний вид рабочих органов ветродвигателя: а — карусельного; б — роторного; в — барабанного типа.

Рис. 2. Быстроходное ветроколесо: 1 — ступица; 2 — наконечник (мах); 3 — лопасть; 4 — подшипники; 5 — грузы регулятора.

Рис. 4. Тихоходное ветроколесо: 1 — ступица; 2 — лопасть; 3 — каркас; 4 — болты крепления лопасти.

Рис. 5. Зависимости значений относительных моментов  и коэффициента использования энергии ветра x от быстроходности Z при различном числе лопастей i ветроколеса.

Рис. 6. Ветродвигатель: а — типа Д-18 (1 — ветроколесо; 2 — верхний редуктор; 3 — виндроза; 4 — вертикальный вал; 5 — нижний редуктор; 6 — рабочая машина); б — с пневматическим приводом (1 — ветроколесо; 2 — компрессор).