Ветряные двигатели

Ветряной двигатель

ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, двигатели, приводимые в движение силой ветра, давящего на крылья. Воздух, подходя к ветряному двигателю и проходя через площадь, ометаемую его крыльями, создает перед ним увеличенное давление, уменьшает свою скорость и частично растекается вокруг ветряного двигателя (см. Аэродинамика). Схему течения воздуха около ветряного двигателя можно представить в виде фиг. 1.

Схема течения воздуха около ветряного двигателя

Линии АБВ и А1Б1В1 представляют собой границы частиц воздуха, прошедших и не прошедших сквозь площадь, ометаемую крыльями ветряного двигателя; при этом за двигателем объем ВББ1В1 обработанного воздуха мы рассматриваем изолированным от воздуха с более спокойным течением. Обозначим скорость воздуха далеко перед двигателем в сечении АА1 через W, скорость в плоскости вращения ББ1 через W—w, скорость отработанного воздуха далеко за двигателем в ВВ1 через W—w1 и площадь, ометаемую крыльями двигателя, в сечении ББ1 через F. По теореме о количестве движения (полагая в ней элемент времени t = 1 сек.) имеем силу лобового давления двигателя

Сила лобового давления двигателя

где m - масса прошедшего в 1 сек. через площадь F воздуха; мощность двигателя

Мощность двигателя

Та же мощность выражается как разность живых сил потока в сечениях АА1 и ББ1. В сечении ВВ1 давление равно атмосферному и линии тока воздуха параллельны средней оси потока. Имеем:

vetr dvigatel 4

Сравнение выражений (2) и (3) дает нам:

vetr dvigatel 5

Для средней скорости потока в сечениях АА1 и ВВ1 имеем:

vetr dvigatel 6

т. е. скорость воздуха в плоскости вращения ветряного двигателя является средней арифметической из скоростей воздуха далеко перед двигателем и далеко за ним. Масса воздуха, проходящего в 1 секунду через сечение F плоскости вращения ветряного двигателя:

vetr dvigatel 7

где ϱ - плотность воздуха (в наших условиях при температуре 15°, при 45 северной широты, на уровне моря ϱ = 1/8 кг·сек2/м.

Т. о. работа, отданная потоком воздуха ветряного двигателя, согласно (2), равна

Работа, отданная потоком воздуха ветряного двигателя

Энергия ветра измеряется его живой силой

Энергия ветра измеряется его живой силой

Деля работу ветряного двигателя на энергию ветра и заменяя w1 через 2w, получим коэффициент использования энергии ветра, или КПД его,

Коэффициент использования энергии ветра, или КПД его

Для получения максимума ξ определяем производную dξ/dw и приравниваем ее нулю:

vetr dvigatel 11

откуда

vetr dvigatel 12

Отсюда видно, что более 16/27 энергии ветра, проходящей через ометаемую крыльями ветряного двигателя площадь, получить нельзя. Это относится ко всякого рода ветряным двигателям - крыльчатым и карусельным.

Работы Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) в 1920 г. показали, что получаемый из опыта КПД ξ зависит от метода испытания ветряных двигателей. Ветер в периоды усиления расходует свою энергию не только на полезную работу, отдаваемую двигателю, но и на образование в крыльях запаса живой силы, как в маховике; в период ослабления ветра накопленная в двигателе энергия отдается рабочим машинам в дополнение к энергии, получаемой двигателем от ветра. В первом случае мощность, показываемая измерительными приборами, имеет слишком низкие КПД, во втором - слишком высокие, в виду чего необходимо делать не мгновенные отсчеты, а непрерывные записи всех элементов работы двигателя в течение нескольких минут и брать из этого материала средние величины.

Все ветряные двигатели можно разбить на два главных класса: 1) крыльчатые, у которых ось двигателя направлена по потоку (наши обычные ветряные мельницы или «американский» двигатель многолопастного типа), и 2) двигатели карусельного типа, у которых ось поставлена перпендикулярно к потоку. На фиг. 2 представлена характеристика ветряного двигателя многолопастного типа «Аэромотор», с диаметром лопастей D = 2,5 м и при скорости W = 4 м/сек.

Характеристика ветряного двигателя многолопастного типа «Аэромотор»

Размеры ветряных двигателей карусельного типа в несколько раз больше размеров крыльчатых двигателей той же мощности; в то же время двигатели карусельного типа обладают низким коэффициентом использования энергии ветра, тихоходностью и громоздкостью. Почти вся площадь, подставляемая действию ветра, у них закрыта материалом, что делает их неспособными выдерживать бури. До сих пор над карусельного типа двигателями производились только эксперименты, будущее же их сомнительно. На фиг. 3 показаны особенности ветряных двигателей крыльчатого типа, разной быстроходности.

Особенности ветряных двигателей крыльчатого типа, разной быстроходности

По оси абсцисс отложена величина

vetr dvigatel 15

где W - скорость ветра, a wR - окружная скорость на внешнем конце радиуса колеса ветряного двигателя. Величина z, число модулей, характеризует меру быстроходности двигателей. На этой фиг. пунктирная прямая изображает максимальный теоретически возможный коэффициент использования энергии ветра, равный 0,593; кривая I дает этот коэффициент для крыла хорошего в аэродинамическом отношении профиля; кривая II дает отношение мощностей ветряных двигателей с разными модулями; кривые III, IV, Vдают отношения размеров диаметров, суммарных площадей и веса крыльев ветряных двигателей с разными модулями. На фиг. 3 схематически изображены крылья ветряных двигателей, соответствующие разным значениям W. Эти кривые показывают выгодность замены колеса ветряных двигателей более быстроходными. В самом деле, при такой замене для сохранения прочности головки двигателя необходимо сохранить тот же крутящий момент, а это значит, что диаметр крыльев увеличился, но т. к. число крыльев уменьшится, то вес колеса и давление на него ветра уменьшатся. А между тем с увеличением быстроходности мощность быстро растет, ξ же меняется мало, если крыло имеет хороший профиль. Единственно, что изменяется в условиях работы головки двигателя, это - скорость вращения колеса его, увеличивающаяся пропорционально увеличению мощности, но эта скорость не увеличивается более чем в 2—3 раза и, в виду малой абсолютной скорости вращения существующих многолопастных ветряных двигателя, не отразится существенно на прочности головки.

Для трогания с места ветряного двигателя с установкой, работающей при постоянном крутящем моменте (поршневой насос, чигирь, нория), необходим достаточно большой начальный крутящий момент; а между тем с увеличением быстроходности ветряного двигателя уменьшается отношение начального крутящего момента к рабочему при максимальном ξ, причем даже у сравнительно тихоходного многолопастного двигателя с W= 0,8 это отношение меньше 1, как показывает табл. 1.

Отношение крутящих моментов ветряных двигателей разных модулей

Т. к. у ветряного двигателя с поворотными лопастями отношение начального крутящего момента к рабочему, даже при z = 5, мало отличается от единицы, то для увеличения начального крутящего момента необходимо в быстроходных ветряных двигателях делать лопасти поворотными около своего радиуса.

На основе этих теоретических соображений сконструированы ветряные двигатели типа ЦАГИ. Применение использования самого потока воздуха для поворота крыльев двигателя (идея Г. X. Сабинина) позволило создать тип саморегулирующегося двигателя, скорость вращения которого при разных скоростях ветра и нагрузках сохраняется постоянной в пределах до ±3,0% от средней величины. Постоянство скорости вращения и свободное вращение крыльев двигателя вокруг своих махов имеют следствием нечувствительность (практически) двигателя к бурям. Серийное производство двигателей ЦАГИ поставлено в Костроме на заводе «Рабочий металлист».

Для ветряных двигателей малых мощностей более дешевыми являются двигатели многолопастного типа, так как вес конструкции не оказывает в этом случае столь большого влияния на стоимость, как при двигателях более крупных мощностей. Общий вид ветряных двигателей многолопастного типа, приводящего в движение поршневой насос, представлен на фиг. 4 и 5.

Общий вид ветряных двигателей многолопастного типа

Колесо двигателя 1 состоит из многих (в общем от 12 до 64) лопастей, изготовленных из листовой стали и изогнутых по дуге круга. Вогнутая часть лопастей обращена к ветру, и угол между хордой лопасти и плоскостью вращения колеса имеет обычно постоянную величину равную З0°.

Общий вид ветряных двигателей многолопастного типа

Постановкой лопастей по винтовой линии можно увеличить ξ до 20 %. Главный вал колеса 3 лежит или горизонтально, или наклонно к горизонту до 12°, причем передний конец приподнят. При наклонном положении вала мощность двигателя уменьшается пропорционально кубу косинуса угла между осью вала и горизонтом; делается же это обычно для того, чтобы лопасти нижнего края колеса не цеплялись за башню. Вращение главного вала двигателя через кривошипный механизм передается в виде качательного движения к насосу. Главный вал двигателя помещен эксцентрично по отношению к оси вращения двигателя вокруг башни. Ферма хвоста 4 прикреплена к головке двигателя на шарнире и со стороны, противоположной валу, соединена с головкой пружинами 5, фиксирующими определенное положение хвоста 2 по отношению к головке. Во время сильного ветра давление его на колесо преодолевает натяжение пружины, и колесо выводится из-под ветра, чем и предохраняется от разноса (фиг. 6 - обозначения те же, что на фиг. 4 и 5).

Во время сильного ветра давление его на колесо преодолевает натяжение пружины, и колесо выводится из-под ветра, чем и предохраняется от разноса

Хвост имеет следующие нормальные размеры: расстояние от центра башни до центра плоскости хвоста 0,75 D, и площадь плоскости хвоста равна 0,125·D2 (здесь D- диаметр колеса двигателя).

Теоретически мыслимы ветряные двигатели, у которых крылья заменены вращающимися цилиндрами, но вследствие большой окружной скорости для двигателей малого диаметра эта замена совершенно нецелесообразна. Для ветряных двигателей очень больших диаметров такая замена допустима, но преимуществ, по сравнению с ветряными двигателями быстроходного типа, здесь ожидать трудно, вследствие относительно низкого аэродинамического качества и, следовательно, низкого КПД ξ вращающихся цилиндров, а также сравнительно небольшой быстроходности их.

Техника безопасности. Ветряной двигатель должен быть снабжен надежно действующим тормозным приспособлением, устроенным так, чтобы он не мог быть выведен из действия без ведома рабочего, обслуживающего ветряной двигатель. Смазка верхних частей ветряного двигателя должна быть или автоматическая, или при помощи масленок с резервуарами, наполняемыми до пуска ветряного двигателя в ход. Башня ветряного двигателя должна иметь прочные лестницы с перилами высотой не менее 1 м, со сплошной зашивкой внизу на высоту 18 см.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.