Ветродвігатель, двигун, що використовує кінетичну енергію вітру для вироблення механічної енергії. Як робочий орган Ст, що сприймає енергію (тиск) вітрового потоку і що перетворює її в механічну енергію обертання валу, застосовують ротор, барабан з лопатками, ветроколесо і тому подібне
Залежно від типа робочого органу і положення його осі відносно потоку розрізняють Ст карусельні (або роторні) барабанного типа і крильчатиє. В карусельних Ст ( мал. 1 , а) вісь обертання робочого органу вертикальна. Вітер давить на лопаті, розташовані по одну сторону осі, лопаті по ін. сторону осі прикриваються ширмою або спеціальним пристосуванням повертаються ребром до вітру. Оскільки лопаті рухаються по напряму потоку, то їх окружна швидкість не може перевищувати швидкості вітру. Тому карусельні Ст відносно тихохідні, громіздкіші і менш ефективні, чим крильчатиє. Найбільший коефіцієнт використання енергії вітру x , що оцінює міру енергетичної досконалості Ст і що показує, яка доля енергії вітрового потоку перетвориться в механічну енергію, у них не перевищує 0,15. З числа Ст перших 2 типів найбільший x , рівний 0,18, має роторне Ст з двома напівциліндровими лопатями ( мал. 1 , би) . Такі ж недоліки властиві Ст барабанного типа ( мал. 1 , в), в якого вал барабана розташований горизонтально і перпендикулярно напряму вітрового потоку. Переважного поширення набули крильчатиє Ст, в яких вісь ветроколеса горизонтальна і паралельна напряму потоку. Вони мають найвищий x (до 0,48) і надійніші в експлуатації. Оскільки лопать з наконечником кріплення до маточини називається крилом, то і В. такого типа отримав назву крильчатого.
В залежності від числа лопатей розрізняють ветроколеса швидкохідні (менше 4), середній швидкохідності (від 4 до 8) і тихохідні (більше 8 лопатей). Швидкохідність ветроколеса оцінюється числом модулів Z , рівним відношенню окружної швидкості wr зовнішнього кінця лопаті радіусом R, що обертається з кутовою швидкістю w , до швидкості v набігаючого потоку. При однаковому Z ветроколесо більшого діаметру має меншу частоту обертання. За інших однакових умов збільшення числа лопатей також знижує частоту обертання ветроколеса. Ветроколесо з невеликим числом лопатей ( мал. 2 ) зазвичай складається з маточини і лопатей, сполучених з нею жорстко під деяким кутом j до плоскості обертання ( мал. 3 ) або за допомогою підшипникових вузлів, в яких лопать повертається для зміни кута установки j. Повітряний потік набігає на лопать з відносною швидкістю w під деяким кутом атаки а . Повна аеродинамічна сила , що виникає на кожній лопаті, розкладається на підіймальну силу Р в , що створює момент М-коду, що обертає, і на силу P x лобового тиску, що діє по осі ветроколеса. При поворотних лопатях з швидкохідним ветроколесом часто конструктивно об'єднані механізми регулювання частоти обертання, обмеження потужності і пуску-останову Ст, що здійснюють поворот лопаті відносно подовжньої осі В. Многолопастноє ветроколесо ( мал. 4 ) складається з маточини з каркасом, на якому жорстко закріплюються спеціально спрофільовані лопаті з листової сталі. В тихохідних ветроколес значення x доходить до 0,38. Обмеження потужності, що розвивається, зазвичай виробляється поворотом тихохідного ветроколеса відносно плоскості, перпендикулярної напряму дії вітрового потоку. Потужність, що розвивається на валу ветроколеса, залежить від його діаметру, форми і профілю лопатей і практично не залежить від їх числа:
P вк » 3,85·10 -3 · rd 2 v 3 x ,
де Р вк — потужність на валу ветроколеса, квт, r — щільність повітря, кг/м 2 , v — швидкість вітру, м/сек 2 , D — діаметр ветроколеса, м.
Відносний момент , рівний
залежить від швидкохідності ветроколеса ( мал. 5 ). В тихохідних максимальне значення збігається з початковим моментом , в швидкохідних, навпаки, номінальне значення , відповідне x макс , в кілька разів більше .
До вивчення фізичних явищ при проходженні повітряного потоку через ветроколесо застосовують теорію крила і повітряного гвинта літака. Теоретичні основи розрахунку ветроколеса були закладені в 1914—22 російським ученим Н. Е. Жуковським . Крім того, він довів, що x ідеального ветроколеса дорівнює 0,593. Його учні Ст П. Ветчинкин, Р. Х. Сабінін, а також ін. радянські учені розвинули теорію ветроколеса, розробили методи розрахунку аеродинамічних характеристик і систем регулювання Ст
Зазвичай застосовують одну з двох основних схем крильчатих В.: або з вертикальною трансмісією і нижнім передавальним механізмом ( мал. 6 , а), або з розташуванням всіх вузлів в голівці Ст ( мал. 6 , би). Голівку вмонтовують на поворотній опорі башти, і при зміні напряму вітру вона повертається відносно вертикальної осі. Висота башти визначається діаметром ветроколеса і висотою перешкод, що заважають вільному проходженню повітряного потоку к В. Для роботи з більш тихохідними виконавчими машинами використовують зазвичай багатолопатеві Ст, а для агрегатування з генераторами, відцентровими насосами і ін. швидкохідними машинами — двух-, трилопатеві Ст Окрім механічного приводу, застосовують також електричний, пневматичний, гідравлічний і змішаний приводи. Орієнтація ветроколеса по напряму вітру в Ст здійснюється автоматично хвостовим оперенням, поворотними ветрячкамі (див. Віндроза ) або має в своєму розпорядженні Ст за баштою (самоорієнтация).
Оскільки потужність Ст пропорційна кубу швидкості вітру, то в реальних умовах експлуатації необхідне обмеження потужності при v > v p і регулювання частоти обертання ветроколеса. Дія різних систем автоматичного регулювання заснована на зміні аеродинамічних характеристик лопаті або всього ветроколеса відповідно до швидкості вітру, що діє, частоти обертання ветроколеса і значення навантаження. До певних розрахункових значень швидкості вітру v p система регулювання в дія не вступає і В. працює із змінною потужністю. При швидкостях, великих v p , за допомогою системи регулювання потужність підтримується майже постійною. У районах з середньорічними швидкостями вітру 4—5 м/сек v p зазвичай приймається 7—9 м/сек, при 6—7 м/сек — 10—12 м/сек, а при , більше 7 м/сек — 13—14 м/сек. В таблиці. 1 приведені потужності, які може розвинути Ст при x = 0,35 і v p = 8 м/сек (для Ст з діаметром ветроколеса 2—12 м-коду ) і v p = 10 м/сек (для Ст з діаметром ветроколеса більше 12 м-код ) .
Таблиця. 1. — Потужність на ветроколесе
Діаметр
Потужність на ветроколесе, квт, при швидкостях вітру, м/сек
ветроколеса, м-коду
4
5
6
7
8
9
10 і більш
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 тихохідних Ст отримали найбільше поширення системи автоматичного регулювання шляхом виведення ветроколеса з-під вітру тиском, створюваним повітряним потоком на додаткові поверхні — бічні плани ( мал. 6 , би), або тиском на ветроколесо, вісь обертання якого зміщена (ексцентрично розташована) відносно вертикальної осі повороту голівки. У вихідне положення ветроколесо повертається зусиллям пружини. Примусова зупинка Ст виробляється встановленою на башті лебідкою через систему тросів, натягненням яких виводять ветроколесо з-під вітру. Система регулювання з бічним планом застосована у вітчизняному Ст ТБ-8, «Буран» і в багато зарубіжних; система регулювання при ексцентричному розташуванні ветроколеса застосована у вітчизняних Ст ТВМ-3, ТБ-5 і у ряді Ст, що випускаються в США, Великобританії, Австралії і ін. країнах.
В більшості швидкохідних Ст регулювання здійснюється поворотом лопаті або її кінцевій частині відносно подовжньої осі. Швидкохідне Ст, розроблений А. Г. Уфімцевим і В. П. Ветчинкиним, регулює частоту обертання свого ветроколеса поворотом лопаті ребром до потоку унаслідок комбінованої дії на неї тиску повітряного потоку і моменту її відцентрових сил. У СРСР такі Ст мають діаметр ветроколеса 10, 12, 18 м-код, потужність від 7,4 до 29,5 квт і застосовуються зазвичай як первинні двигуни ветроелектрічеських станцій. В Ст відносно невеликої потужності (до 5 квт ) лопаті при регулюванні повертаються у бік збільшення кута установки j відцентровими силами, лопатями, що розвиваються, і встановленими на них вантажами (метод Ст С. Шаманіна), або регулювання здійснюється поворотом лопатей у бік зменшення кута j під дією відцентрових сил лопатей і вантажів регулювальника. Цей метод (Е. М. Фатєєва і Г. А. Печковського) застосований в Ст ВБЛ-3 ВЕ-2М, «Беркут» ( мал. 7 ) і ін. Для потужніших Ст застосовують стабілізаторноє регулювання (метод Г. Х. Сабініна і Н. Ст Красовського), що виконується зазвичай кінцевою частиною лопаті, яка повертається відносно осі під дією сил, що виникають на стабілізаторі. Він управляється відцентровим регулювальником. Унаслідок високої рівномірності обертання таких Ст їх застосовують для роботи з електричними генераторами (Ст Д-12, Д-18 і Д-30). Ст «Сокіл» з електричною трансмісією має комбіноване моментно-відцентрове регулювання (метод Я. І. Шефтера), засноване на зміні підіймальної сили лопаті при її повороті відносно подовжньої осі у бік зменшення або збільшення кута установки під дією рушійного моменту на ветроколесе. Для оберігання Ст від рознесення при малих значеннях моменту навантаження є відцентровий регулювальник, що також управляє поворотом лопатей. Таке Ст може працювати ізольовано і паралельно з ін. агрегатами або електричною мережею. У деяких Ст застосовують регулювальників у вигляді гальмівних открилков, торцевих клапанів і ін. пристроїв, що зменшують аеродинамічний момент. У В. «Allgaier» (ФРН) поворот лопатей здійснюється механогидравлічеськой системою; при дуже великій частоті обертання Ст автоматично зупиняється.
В таблиці. 2 приведено річне вироблення енергії на валу ветроколеса при = 0,35 залежно від середньорічній швидкості вітру v r , діаметру ветроколеса D і максимально можливого числа годин роботи Т раб Ст в році.
Таблиця. 2. — Річне вироблення енергії на валу ветроколеса
vr ,
м/сек
T раб ,
ч
Річне вироблення енергії Мвт-ч, при діаметрах ветроколеса, м-коді
2
4
8
10
12
18
30
3
4
5
6
7
3500 5300 6500 7300 7800
0,3 0,7 1,1 1,5 1,8
1,2 2,7 4,3 6,0 7,5
4,8 10,8 17,2 23,8 29,7
7,5 16,8 26,6 36,7 45,5
10,7 24,0 38,0 53,0 66,0
23,8
52,0
85,0 116,0 142,0
66,3 145,0 230,0 315,0 403,0
Про вживанні Ст і перспективах їх розвитку див.(дивися) в ст. Вітроенергетика .
Літ.: Фатєєв Е. М., Ветродвігателі і ветроустановки, 2 видавництва, М., 1957; Перли С. Би., Швидкохідні вітряні двигуни, М. — Л., 1951; Шефтер Я. І., Різдвяний І. Ст, Ветронасосниє і ветроелектрічеськие агрегати, М., 1967.
