«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 ξ, 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 ξ, 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 ξ (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 ωR внешнего конца лопасти радиусом R, вращающейся с угловой скоростью ω, 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 φ к плоскости вращения (рис. 3) или с помощью подшипниковых узлов, в которых лопасть поворачивается для изменения угла установки φ. Воздушный поток набегает на лопасть с относительной скоростью w под некоторым углом атаки α. Возникающая на каждой лопасти полная аэродинамическая сила 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 ξ 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·ρD²v³ξ,

где Р_вк — мощность на валу ветроколеса, квт, ρ — 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 M̅₀,у быстроходных, напротив, номинальное значение , соответствующее ξ_макс, в несколько раз больше M̅₀.

К изучению физических явлений при прохождении воздушного потока через ветроколесо применяют теорию крыла и воздушного винта (См. Воздушный винт) самолёта. Теоретические основы расчёта ветроколеса были заложены в 1914—22 русским учёным Н. Е. Жуковским (См. Жуковский).Кроме того, он доказал, что ξ 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_pсистема 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 v̅_Γ 4—5 м/сек v_pобычно принимается 7—9 м/сек, при v̅_Γ 6—7 м/сек — 10—12 м/сек, а при v̅_Γ, более 7 м/сек — 13—14 м/сек. В табл. 1 приведены мощности, которые может развить В. при ξ = 0,35 и v_p =8м/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

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Диаметр       | Мощность на ветроколесе, квт, при скоростях ветра, м/сек         |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ветроколеса, м    | 4      | 5      | 6      | 7      | 8      | 9      | 10 и более       |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 2  | 0,042      | 0,083      | 0,145      | 0,23 0,92 | 0,345      | 0,345      | 0,345        |

| 4  | 0,17 0,69 | 0,33 1,34 | 0,58 2,32 | 3,7 5,75   | 1,38 5,5   | 1,38 5,5   | 1,38  |

| 8  | 1,08 1,55 | 2,1 3,03   | 3,63 5,25 | 8,25 18,6 | 8,6 12,4   | 8,6 12,4   | 5,5           |

| 10        | 3,48 9,6   | 6,6 18,9   | 11,8 32,6 | 51,6        | 27,8 77,3 | 39,5        | 8,6           |

| 12        |        |        |        |        |        | 110,0      | 12,4  |

| 18        |        |        |        |        |        |        | 54,6  |

| 30        |        |        |        |        |        |        | 151,1        |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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 φ центробежными силами, развиваемыми лопастями и установленными на них грузами (метод В. С. Шаманина), или регулирование осуществляется поворотом лопастей в сторону уменьшения угла φ 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 v̅_Γ = 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

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| vr,         | T_раб,         | Годовая выработка энергии Мвт-ч, при диаметрах ветроколеса, м       |

| м/сек     | ч       |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|      |  | 2   | 4       | 8      | 10    | 12        | 18         | 30    |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 3   | 3500 5300 | 0,3 0,7  | 1,2     | 4,8 10,8   | 7,5 16,8   | 10,7     | 23,8      | 66,3        |

| 4   | 6500 7300 | 1,1 1,5  | 2,7     | 17,2 23,8 | 26,6 36,7 | 24,0     | 52,0      | 145,0      |

| 5   | 7800  | 1,8       | 4,3     | 29,7        | 45,5        | 38,0     | 85,0 116,0    | 230,0      |

| 6   |  |      | 6,0     |        |        | 53,0     | 142,0    | 315,0      |

| 7   |  |      | 7,5     |        |        | 66,0     |     | 403,0      |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

О применении В. 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. В., Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты, М., 1967.

Я. И. Шефтер.

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

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

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

Рис. 5. Зависимости значений относительных моментов 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).

1. ве́тродви́гатель;
2. ве́тродви́гатели;
3. ве́тродви́гателя;
4. ве́тродви́гателей;
5. ве́тродви́гателю;
6. ве́тродви́гателям;
7. ве́тродви́гатель;
8. ве́тродви́гатели;
9. ве́тродви́гателем;
10. ве́тродви́гателями;
11. ве́тродви́гателе;
12. ве́тродви́гателях.

-я, м.

Двигатель, приводимый в действие силой ветра.

м.

Двигатель, использующий энергию ветра для выработки механической энергии.

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ - использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с направлением воздушного потока.

windmill

windmill

м.

éolienne f, monteur m à vent, moteur éolien

м.

motor eólico, aeromotor m

устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.

Историческая справка. Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.

Современные типы ветродвигателей. В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).

Барабанный и крыльчатый. Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.

Рис.1. ВЕТРОКОЛЕСО барабанного типа.

S-образный ротор. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.

Рис. 2. S-ОБРАЗНЫЙ РОТОР (коэффициент использования ветра 30-35%, w/u = 1,8).

Коэффициент использования энергии ветра. Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Ј w/u Ј 10).

ЛИТЕРАТУРА

Ветроэнергетика. М., 1982 Ярас Л. и др. Энергия ветра. М., 1982

ВЕТРОДВИ́ГАТЕЛЬ -я; м. Двигатель, приводимый в действие силой ветра.

* * *

использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с направлением воздушного потока.

* * *

ВЕТРОДВИ́ГАТЕЛЬ, использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с направлением воздушного потока.

двигатель, использующий кинетич. энергию ветра для выработки механич. энергии. Различают В. крыльчатые (см. рис.), как правило, с горизонтальной осью вращения, с коэфф. использования энергии ветра до 0,48 (наиболее распространены); карусельные, или роторные (обычно с вертикальной осью вращения), с коэфф. использования до 0,32, а также барабанные. В. применяют в ветроэлектрических станциях, ветроэнергетических установках.

Крыльчатый многолопастный ветродвигатель.

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ — (ветряной двигатель) — двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Примитивный вид В. — ветряная мельница. Различают В.: крыльчатые, карусельные, или роторные, и барабанные.