ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ двигатель, использующий кинетич. энергию ветра для выработки механич.
энергии. В качестве рабочего органа В., воспринимающего энергию (давление)
ветрового потока и преобразующего её в механич. 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 крыльча-тые. У
карусельных В. (рис. 1, а) ось вращения рабочего органа вертикальна.
Ветер давит на лопасти, расположенные по одну сторону оси, лопасти по др.
сто-

рону оси прикрываются
ширмой либо спец. приспособлением поворачиваются ребром к ветру. Т. к.
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 коэфф. использования
энергии ветра g, оценивающий степень энергетич. совершенства В. и показывающий,
какая доля энергии ветрового потока преобразуется в механич. энергию, у
них не превышает 0,15. Из числа В. первых 2 типов наибольший |, равный
0,18, имеет роторный В. с двумя полу-цилиндрич. лопастями (рис. 1, б).

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

Такие же недостатки
присущи В. барабанного типа (рис. 1, в), у к-рого вал барабана расположен
горизонтально и перпендикулярно направлению ветрового потока. Преимуществ,
распространение получили крыльчатые В., у к-рых ось ветроколеса горизонтальна
и параллельна направлению потока. Они имеют наивысший
(до 0,48) и более надёжны в эксплуатации. Т. к. лопасть с наконечником
крепления к ступице наз. крылом, то и В. такого типа получил назв. крыль-чатого.

В зависимости
от числа лопастей различают ветроколеса быстроходные (менее 4), ср. 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
со, 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 жёстко под нек-рым углом Ф к плоскости вращения
(рис. 3) или с помощью подшипниковых узлов, в к-рых лопасть поворачивается
для изменения угла установки (р. Возд. поток набегает на лопасть с относит,
скоростью W под нек-рым углом атаки а. Возникающая на каждой лопасти
полная аэро-динамич. сила
раскладывается на

подъёмную силу
РМ, и на силу Рлобового давления, действующую по оси ветроколеса. При поворотных лопастях
с быстроходным ветроколесом часто

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

конструктивно
объединены механизмы регулирования частоты вращения, ограничения мощности
и пуска-останова В., осуществляющие поворот лопасти относительно продольной
оси В. Многолопастное ветроколесо (рис. 4) сострит из ступицы с
каркасом, на к-ром жёстко закрепляются специально спрофилированные лопасти
из листовой стали. У тихоходных ветроколёс значение g 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:

где-
мощность на валу ветроколеса, кет;-
плотность воздуха, кг/м³;
- скорость ветра, jn/сек; D - диаметр ветроколеса, м.

Относит, момент
равный

зависит от
быстроходности ветроколеса (рис. 5). У тихоходных макс, значение

совпадает с начальным моментом
у быстроходных, напротив, номинальное значение
соответствующеев
неск. раз больше

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

К изучению
физ. явлений при прохождении возд. потока через ветроколесо применяют теорию
крыла и воздушного винта самолёта. Теоретич. основы
расчёта ветроколеса были заложены в 1914-22 рус. учёным Н. Е. Жуковским.
Кроме того, он доказал, чтоидеального
ветроколеса равен 0,593. Его ученики В. П. Ветчинкин, Г. X. Сабинин, а
также др. сов. учёные развили теорию ветроколеса, разработали методы расчёта
аэродинамич. характеристик и систем регулирования В.

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

Обычно применяют
одну из двух осн. схем крыльчатых В.: или с вертикальной трансмиссией и
ниж. передаточным механизмом (рис. 6, а), или с расположением всех
узлов в головке В. (рис. 6,6). 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 возд. потока к В.

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

Для работы
с более тихоходными исполнит. машинами используют обычно мно-голопастные
В., а для агрегатирования с генераторами, центробежными насосами и др.
быстроходными машинами -двух-, трёхлопастные В. Кроме механич. привода,
применяют также электрич., пневматич., гидравлич. и смешанный приводы.
Ориентация ветроколеса по направлению ветра у В. осуществляется автоматически
хвостовым оперением, поворотными ветрячками (см. Виндроза)< или
расположением В. за башней (самоориентация).

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

В тихоходных
В. получили наибольшее распространение системы автоматич. регулирования
путём вывода ветроколеса из-под ветра давлением, создаваемым возд. потоком
на дополнит, поверхности - боковые планы (рис. 6,6), или давлением
на ветроколесо, ось вращения к-poro смещена (эксцентрично расположена)
относительно вертикальной оси поворота головки. В исходное положение
ветроколесо возвращается усилием пружины. Принудит, остановка
В. производится установленной на башне лебёдкой через систему тросов, натяжением
к-рых выводят ветроколесо из-под ветра. Система регулирования с боковым
планом применена в отечеств. В. ТВ-8, "Буран" и во многих зарубежных; система
регулирования при эксцентричном расположении ветроколеса применена в отечеств.
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 возд. 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
кет) лопасти при регулировании поворачиваются в сторону увеличения
угла установки ф центробежными силами, развиваемыми лопастями и установленными
на них грузами (метод В. С. Шаманина), или регулирование осуществляется
поворотом лопастей в сторону уменьшения угла ф под действием центробежных
сил лопастей и грузов регулятора. Этот метод (Е. М. Фатеева и Г. А. Печковского)
применён в В. ВБЛ-3, ВЭ-2М, "Беркут" (рис. 7) и др. Для более
мощных В. применяют стабилизаторное регулирование (метод Г. X. Сабинина
и Н. В. Красовского),< выполняемое обычно концевой частью
лопасти, к-рая поворачивается относи-