Ветродвигатель

Определение "Ветродвигатель" в Большой Советской Энциклопедии

Быстроходное ветроколесо

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

Быстроходный ветродвигатель

В зависимости от типа рабочего органа и положения его оси относительно потока различают Ветродвигатель карусельные (или роторные), барабанного типа и крыльчатые. У карусельных Ветродвигатель (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 Ветродвигатель относительно тихоходны, более громоздки и менее эффективны, чем крыльчатые. Наибольший коэффициент использования энергии ветра x, оценивающий степень энергетического совершенства Ветродвигатель и показывающий, какая доля энергии ветрового потока преобразуется в механическую энергию, у них не превышает 0,15. Из числа Ветродвигатель первых 2 типов наибольший x, равный 0,18, имеет роторный Ветродвигатель с двумя полуцилиндрическими лопастями (рис. 1, б). Такие же недостатки присущи Ветродвигатель барабанного типа (рис. 1, в), у которого вал барабана расположен горизонтально и перпендикулярно направлению ветрового потока. Преимущественное распространение получили крыльчатые Ветродвигатель, 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 Ветродвигатель такого типа получил название крыльчатого.

Ветродвигатель

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 Ветродвигатель, осуществляющие поворот лопасти относительно продольной оси Ветродвигатель 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

Зависимости относительных моментов и коэффициента использования энергии ветра от быстроходности

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 .

Рабочие органы ветродвигателя (внешний вид)

  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 Ветродвигатель П. Ветчинкин, Г. Х. Сабинин, а также др. советские учёные развили теорию ветроколеса, разработали методы расчёта аэродинамических характеристик и систем регулирования Ветродвигатель

Схема векторов аэродинамических сил и скоростей в сечении лопасти

Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых Ветродвигатель: или с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным механизмом (рис. 6, а), или с расположением всех узлов в головке Ветродвигатель (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 Ветродвигатель Для работы с более тихоходными исполнительными машинами используют обычно многолопастные Ветродвигатель, а для агрегатирования с генераторами, центробежными насосами и др. быстроходными машинами — двух-, трёхлопастные Ветродвигатель Кроме механического привода, применяют также электрический, пневматический, гидравлический и смешанный приводы. Ориентация ветроколеса по направлению ветра у Ветродвигатель осуществляется автоматически хвостовым оперением, поворотными ветрячками (см. Виндроза) или расположением Ветродвигатель за башней (самоориентация).

Тихоходное ветроколесо

Так как мощность Ветродвигатель 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 Ветродвигатель 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 Ветродвигатель при x = 0,35 и v_p = 8 м/сек (для Ветродвигатель с диаметром ветроколеса 2—12 м) и v_p = 10 м/сек (для Ветродвигатель 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 Ветродвигатель 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 Ветродвигатель производится установленной на башне лебёдкой через систему тросов, натяжением которых выводят ветроколесо из-под ветра. Система регулирования с боковым планом применена в отечественном Ветродвигатель ТВ-8, «Буран» и во многих зарубежных; система регулирования при эксцентричном расположении ветроколеса применена в отечественных Ветродвигатель ТВМ-3, ТВ-5 и в ряде Ветродвигатель, выпускаемых в США, Великобритании, Австралии и др. странах.

В большинстве быстроходных Ветродвигатель регулирование осуществляется поворотом лопасти или её концевой части относительно продольной оси. Быстроходный Ветродвигатель, разработанный А. Г. Уфимцевым и Ветродвигатель 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 Ветродвигатель имеют диаметр ветроколеса 10, 12, 18 м, мощность от 7,4 до 29,5 квт и применяются обычно как первичные двигатели ветроэлектрических станций. У Ветродвигатель 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 Ветродвигатель 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 Ветродвигатель ВБЛ-3, ВЭ-2М, «Беркут» (рис. 7) и др. Для более мощных Ветродвигатель применяют стабилизаторное регулирование (метод Г. Х. Сабинина и Н. Ветродвигатель 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 Ветродвигатель их применяют для работы с электрическими генераторами (Ветродвигатель Д-12, Д-18 и Д-30). Ветродвигатель «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 Ветродвигатель от разноса при малых значениях момента нагрузки имеется центробежный регулятор, также управляющий поворотом лопастей. Такой Ветродвигатель может работать изолированно и параллельно с др. агрегатами или электрической сетью. В некоторых Ветродвигатель применяют регуляторы в виде тормозных открылков, торцевых клапанов и др. устройств, уменьшающих аэродинамический момент. У Ветродвигатель «Allgaier» (ФРГ) поворот лопастей осуществляется механогидравлической системой; при очень большой частоте вращения Ветродвигатель 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 Ветродвигатель в году.

Табл. 2. — Годовая выработка энергии на валу ветроколеса

vr, м/сек	Tраб, ч	Годовая выработка энергии Мвт-ч, при диаметрах ветроколеса, м
		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

  О применении Ветродвигатель и перспективах их развития см. 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. Ветродвигатель, Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты, М., 1967.
 Я. И. Шефтер.