|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Ветродвигатель | Ветродвигатель (далее В) двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа В, воспринимающего энергию (давление) ветрового потока и преобразующего ее 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 x, 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 x, 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 x (до 0,48) и более надежны 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 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, соединенных 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 подъемную силу Ру, создающую вращающий момент М, и на силу 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 ветроколес 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:
вк " 3,85·10-3·rD2v3x,
где Рвк — мощность на валу ветроколеса, квт, r — 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  совпадает с начальным моментом  , у быстроходных, напротив, номинальное значение  , соответствующее xмакс, в несколько раз больше  .
К изучению физических явлений при прохождении воздушного потока через ветроколесо применяют теорию крыла и воздушного винта самолета. Теоретические основы расчета ветроколеса были заложены в 1914—22 русским ученым Н. Е. Жуковским. Кроме того, он доказал, что x идеального ветроколеса равен 0,593. Его ученики В П. Ветчинкин, Г. Х. Сабинин, а также др. советские ученые развили теорию ветроколеса, разработали методы расчета 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-, трехлопастные 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 > vp 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 определенных расчетных значений скорости ветра vp система регулирования в действие не вступает и В работает с переменной мощностью. При скоростях, больших vp, с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной. В районах со среднегодовыми скоростями ветра  4—5 м/сек vp 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 В при x = 0,35 и vp = 8 м/сек (для В с диаметром ветроколеса 2—12 м) и vp = 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
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 В получили наибольшее распространение системы автоматического регулирования путем 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 лебедкой 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 ее 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 нее давления воздушного потока и момента ее 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 j центробежными силами, развиваемыми лопастями и установленными на них грузами (метод В 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 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 подъемной силы лопасти при ее 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  = 0,35 в зависимости от среднегодовой скорости ветра vr, диаметра ветроколеса D и максимально возможного числа часов работы Траб В 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 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.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 21.11.2024 13:27:04
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
