Конструкции и принцип работы основных узлов и агрегатов: многолопастных ветродвигателей, малолопастных (быстроходных) ветродвигателей.

ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ преобразует энергию ветра в механическую работу. Основная рабочая часть ветродвигателя - ветровое колесо. Ветродвигатель по принципу работы разделяются на 3 основных типа: 1) карусельные, 2) барабанные и 3) крыльчатые. Барабанные ветродвигатели отличаются от карусельных лишь расположением ветрового колеса в воздушном потоке; ось ветрового колеса барабанного В. Д. располагается в горизонтальной плоскости, перпендикулярно к направлению ветра (рис. 1), а ось ветрового колеса карусельного В. Д. располагается в вертикальной плоскости (рис. 2). Принцип работы карусельных и барабанных В. Д. основан на использовании силы сопротивления поверхности, находящейся под действием воздушного потока и перемещающейся в его направлении. Отсюда крупные недостатки данного принципа работы: воздушный поток, обтекающий ветровое колесо, действует только на половину лопастей, в то время как другая часть лопастей либо прикрыта ширмой, либо расположена ребром к направлению ветра. Движение лопастей в направлении ветрового потока обусловливает тихоходность двигателя (поверхности не могут перемещаться быстрее движущего их потока). В результате В. Д. карусельного и барабанного типа отличаются низким коэффициентом использования энергии ветра. Принцип работы крыльчатых В. Д. отличен от принципа работы карусельных и барабанных. У крыльчатых ветродвигателей крутящий момент ветрового колеса создаётся за счёт подъёмных сил, которые возникают при набегании воздушного потока на его лопасти, стоящие под некоторым углом к направлению относительной скорости потока. Этот угол называют углом атаки (рис.3). В данном случае лопасти перемещаются перпендикулярно к направлению потока и находятся под одинаковой нагрузкой в течение всего процесса их работы при определённой скорости ветра. Благодаря этому получается высокий коэффициент использования энергии ветра и большая быстроходность ветродвигателя. При протекании воздушного потока через ветровое колесо некоторая часть его энергии превращается в механическую работу. Отношение энергии, полученной в виде механической работы, к энергии, заключённой в воздушном потоке, протекающем через ветровое колесо, принято называть коэффициентом использования энергии ветра. По теории Н. Е. Жуковского, В. П. Ветчинкина, теоретический коэффициент использования энергии ветра равен 0,593; по новой теории Г. X. Сабинина, он равен 0,68. Этот коэффициент называют идеальным, т. к. приведённое значение его м. б. получено лишь от ветрового колеса, работающего без потерь. Реальный коэффициент использования энергии ветра значительно ниже и характеризуется след. данными: 1) крыльчатые В. Д. - 0,35 - 0,42; 2) карусельные - 0,06 - 0,10; 3) роторные - 0,15 - 0,24. В практике широко применяются крыльчатые В. Д. 2 типов: 1) многолопастные тихоходные и 2) малолопастные быстроходные.

Рис. 1. Схема ветрового колеса барабанного типа

Рис. 2. Схема ветрового колеса карусельного ветродвигателя

Рис. 3. Схема крыльчатого ветрового колеса и его положение в потоке ветра: Р_x - сила, создающая лобовое давление; Р_y - сила, создающая крутящий момент: а - угол атаки; р - угол заклинения лопасти; у-у - плоскость вращения ветрового колеса

Многолопастные ветродвигатели имеют ветровое колесо с 8 и более лопастями. Особенностью многолопастных ветродвигателей является тихоходность и большой начальный - пусковой момент ветрового колеса, что делает их удобными для работы с машинами, требующими большого начального момента при трогании, напр., поршневой насос, чигирь и т. п. Многолопастные В. д. применяются, гл. обр., для работы с поршневыми насосами.

Рис. 4. Общий вид ветродвигателя ТВ-5

Рис. 5. Схема регулирования ветродвигателя ТВ-5 выводом ветрового колеса из-под ветра

Малолопастные ветродвигатели имеют ветровое колесо с числом лопастей от 2 до 6. Особенность этих двигателей - быстроходность. В отношении же пускового момента быстроходные В. Д. уступают многолопастным, т. к. этот момент у них мал. Поэтому быстроходные ветродвигатели удобны для работы с такими машинами, которые требуют малого момента при трогании и большого числа оборотов, при установившемся режиме работы, как, например, генераторы и центробежные насосы.

Цельнометаллические ветродвигатели. 3 типа этих В. д., изготовляемых промышленностью: ТВ-5, ТВ-8 и ВИМЭ-Д-12. В. д. ТВ-5 имеет многолопастное ветровое колесо с диаметром в 5 м (рис. 4). Начинает работать при скорости ветра от 3 до 4 ^м/_сек. При скорости ветра 8 ^м/_сек начинает действовать регулирование, ограничивающее обороты и мощность двигателя путём вывода ветрового колеса из-под ветра (рис. 5). При скорости ветра до 8 ^м/_сек ветровое колесо занимает положение 1, а при скорости ветра выше 8 ^м/_сек - положение 2, и, наконец, при скорости ветра выше 14 ^м/_сек ветровое колесо занимает положение 3 и останавливается. Выход колеса из-под ветра при скорости последнего выше 8 м/сек обусловливается тем, что ось вращения колеса смещена относительно вертикальной оси головки В. д. Центр давления ветрового потока также смещён относительно вертикальной оси. Вследствие этого сила ветра создаёт крутящий момент, поворачивающий головку В. д. в горизонтальной плоскости и уводящий ветровое колесо от прямого воздействия воздушного потока. В обратное положение ветровое колесо возвращается пружиной, которая с одной стороны прикреплена к хвосту, располагающемуся приблизительно параллельно направлению ветра, а с другой - к головке ветродвигателя. Таким образом, в процессе регулирования всё время соблюдается равновесие между моментом от усилия пружины и моментом от давления ветра на ветровое колесо, стремящимся повернуть колесо вокруг вертикальной оси головки. В зависимости от степени натяжения пружины, ветровое колесо может выходить из-под ветра при большей или меньшей его скорости. В. д. монтируют на металлической башне ферменной конструкции высоты в 15 м и применяют только для подъёма воды поршневым насосом.

Рис 6. Общий вид ветродвигателя ТВ-8

Рис.7. Регулирование ветродвигателя ТВ-8 выводом ветрового колеса из-под ветра боковой лопатой

Ветродвигатель ТВ-8 имеет ветровое колесо диаметром 8 м с 18 лопастями (рис. 6). Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических зубчатых колёс вертикальному валу, который у основания башни приключён к приводной лебёдке, имеющей кривошипный механизм для привода штанги насоса и шкив от которого ременной передачей можно вращать центробежный насос, мельничный постав и др. с.-х. машины. Установка на ветер осуществляется хвостом (подобно флюгеру). Регулирование оборотов и мощности осуществляется боковой лопатой, закреплённой позади плоскости вращения ветрового колеса. При увеличении скорости ветра выше 8 ^м/_сек сила ветра, действующая на лопату, поворачивает головку В. д. в горизонтальной плоскости и выводит ветровое колесо из-под ветра (рис. 7). В. д. смонтирован на металлической башне ферменной конструкции высотой 15 м.

В. д. ВИМЭ-Д-12 - быстроходный (рис. 8.) Ветровое колесо двигателя имеет в диам. 12 м и состоит из 3 лопастей, с обтекаемым аэродинамическим профилем. Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических шестерён вертикальному валу, который внизу приключён к редуктору.

Рис. 8. Общий вид ветродвигателя ВИМЭ-Д-12

Рис. 9. Различные положения конца лопасти в процессе работы ветродвигателя ВИМЭ-Д-12 (регулирование)

На концах горизонтального вала редуктора насажено 2 шкива для передачи вращения генератору, центробежному насосу, мельничному поставу или др. машинам. Установка на ветер осуществляется хвостом. Регулирование мощности и оборотов В. д. осуществляется поворотом конца лопасти под необходимый угол атаки к ветровому потоку. Различные положения конца лопасти в процессе работы В. д. показаны на рис. 9 (1 - В. д. остановлен, 2 - В. д. начинает работать, 3 - В. д. работает и регулируется). Регулирование В. д. обеспечивает постоянство оборотов ветрового колеса, с неравномерностью 1,5-3%. В. д. при наличии такого регулирования может работать с постоянными оборотами даже при скорости ветра 40 ^м/_сек. Пуск и остановка В. д. осуществляются снизу ручной лебёдкой, к-рая натягивает трос, соединённый через муфты, рычаги и блок с тягами центробежных грузов, расположенных в крыле. Равномерность хода этого В. д. позволяет использовать его для привода машин, требующих большую равномерность хода. Вообще регулирование В. д. устанавливается в соответствии со среднегодовыми скоростями ветра в данной местности. Регулирующие пружины подбирают так, чтобы в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 4 - 5 ^м/_сек В. д. начинали регулироваться при скорости ветра 8 м/сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 6 - 7 ^м/_сек - при скорости ветра 10 ^м/_сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 8 ^м/_сек и выше регулирование начинается при скорости ветра 14 ^м/_сек. Техническая характеристика современных В. д. и развиваемая ими мощность приводятся в табл. 1.

Табл. 1. Основные показатели современных отечественных ветродвигателей

Табл. 2. Часовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды на разные высоты в зависимости от рабочей скорости ветра

Эксплуатационные показатели ветродвигателей ТВ-5 и ТВ-8, применяемых в с. х-ве для водоснабжения, приведены в табл. 2 и 3.

Табл. 3. Годовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды в зависимости от среднегодовых скоростей ветра

(Примечание. Среднегодовая скорость ветра для данного р-на устанавливается по материалам наблюдения местной метеорологической станции.)

Данные этих табл. позволяют подобрать тот или иной тип ветродвигателя в зависимости от потребности х-ва в воде, а также в зависимости от среднегодовой скорости ветра и дебита источника воды.

Механизация различных процессов с.-х. работ (водоснабжение, осушение заболоченных мест, помол) требует огромного количества энергии. Эту энергию может дать сила ветра.