Ветродвигатель

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа ветродвигателя, воспринимающего энергию (давление) ветрового потока и преобразующего её в механическую энергию вращения вала, применяют ротор, барабан с лопатками, ветроколесо и тому подобное. Классификация ветродвигателей проводится в зависимости от типа рабочего органа и положения его оси относительно направления ветра. Различают ветродвигатели карусельные (или роторные), ортогональные и крыльчатые. У карусельных ветродвигателей (рисунок, а) ось вращения рабочего органа вертикальна. Ветер давит на лопасти, расположенные по одну сторону оси; лопасти по другую сторону оси прикрываются ширмой либо поворачиваются специальным приспособлением ребром к ветру. Лопасти движутся по направлению потока, поэтому их окружная скорость (направленная по касательной к окружности) не может превышать скорости ветра. Такие ветродвигатели относительно тихоходны. Эффективность ветродвигателя оценивают с помощью коэффициента использования энергии ветра ξ, который показывает, какая доля энергии ветрового потока преобразуется в механическую энергию. Из числа вертикально-осевых ветродвигателей наибольший ξ имеет ортогональный ветродвигатель (рисунок, б). Преимущественное распространение получили крыльчатые ветродвигатели, у которых ось ветроколеса горизонтальна и параллельна направлению потока; характеризуются высоким ξ и надёжностью в эксплуатации. В таких ветродвигателях лопасть с наконечником крепления к ступице называется крылом (отсюда название). В зависимости от числа лопастей различают ветроколёса быстроходные (менее 4 лопастей), средней быстроходности (от 4 до 8) и тихоходные (более 8). Быстроходность ветроколеса оценивается числом модулей Ζ, равным отношению окружной скорости ωR внешнего конца лопасти радиусом R, вращающейся с угловой скоростью ω, к скорости набегающего потока v. При одинаковом Ζ ветроколесо большего диаметра имеет меньшую частоту вращения. При прочих одинаковых условиях увеличение числа лопастей также снижает частоту вращения ветроколеса. Ветроколесо с небольшим числом лопастей (рисунок, в) обычно состоит из ступицы и лопастей, соединённых с ней жёстко под некоторым углом к плоскости вращения или с помощью подшипниковых узлов, в которых лопасть поворачивается для изменения угла установки. Воздушный поток набегает на лопасть под некоторым углом атаки. Возникающая на каждой лопасти полная аэродинамическая сила раскладывается на подъёмную силу, создающую вращающий момент, и на силу лобового давления, действующую по оси ветроколеса. Быстроходное ветроколесо с поворотными лопастями часто конструктивно объединено с механизмами регулирования частоты вращения, ограничения мощности и пуска-остановки ветродвигателя, осуществляющими поворот лопасти относительно его продольной оси. Многолопастное ветроколесо (рисунок, г) состоит из ступицы с каркасом, на котором жёстко закреплены специально спрофилированные лопасти из листовой стали. Ограничение развиваемой мощности обычно осуществляется 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: Р_ВК ≈ 3,85?10^-3·ρD²v³ξ, где Р_ВК - мощность на валу ветроколеса (кВт), р - плотность воздуха (кг/м³), ν - скорость ветра (м/с), D - диаметр ветроколеса (м).

К изучению физических явлений при прохождении воздушного потока через ветроколесо применяют теорию крыла и воздушного винта самолёта. Теоретические основы расчёта ветроколеса заложены в 1920-е годы Н. Е. Жуковским; им доказано, что ξ идеального ветроколеса равен 0,593. Теория ветроколеса была развита В. П. Ветчинкиным, Г. Х. Сабининым, А. Г. Уфимцевым, Е. М. Фатеевым, Г. А. Печковским, Я. И. Шефтером и др., разработавшими методы расчёта аэродинамических характеристик и систем регулирования ветродвигателя. Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых ветродвигателей: с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным механизмом либо с расположением всех узлов в головке ветродвигателя. Головка монтируется на поворотной опоре башни и при изменении направления ветра поворачивается относительно вертикальной оси. Высота башни определяется диаметром ветроколеса и высотой препятствий, мешающих свободному прохождению воздушного потока к ветродвигателю. Кроме механического привода, применяют также электрический, пневматический, гидравлический и смешанный приводы. Ориентация ветроколеса ветродвигателя по направлению ветра осуществляется автоматическим хвостовым оперением, поворотными ветрячками (так называемые виндроза) или расположением ветродвигателя за башней (самоориентация). Работа различных систем автоматическиго регулирования основана на изменении аэродинамических характеристик лопастей или всего ветроколеса в соответствии с действующей скоростью ветра, частотой вращения ветроколеса и значением нагрузки. В тихоходных ветродвигателях наибольшее распространение получили системы автоматического регулирования путём вывода ветроколеса из-под ветра давлением, создаваемым воздушным потоком на дополнительной поверхности - боковые планы, или давлением на ветроколесо, ось вращения которого смещена (расположена эксцентрично) относительно вертикальной оси поворота головки. Система регулирования с боковым планом применена в отечественных ветродвигателях ТВ-8, «Буран» и во многих зарубежных; система регулирования при эксцентричном расположении ветроколеса - например, в отечественных ветродвигателях ТВМ-3 и ТВ-5. Регулирование большинства быстроходных ветродвигателей осуществляется поворотом лопасти или её концевой части относительно продольной оси.

Литературу смотри при статье Ветроэнергетика.