Ветер и его использование

Обычно у поверхности земли воздушный поток вследствие различных препятствий бывает неравномерным, ослабленным, поэтому ветровое колесо устанавливают на высокой мачте или башне, выше препятствий.

По устройству ветровых колёс современные крыльча-тые ветродвигатели делятся на быстроходные и тихоходные.

У тихоходного ветродвигателя ветровое колесо состоит из большого числа лопастей (рис. 25). Оно легко трогается с места. Благодаря этому тихоходный ветродвигатель удобен для работы с поршневым насосом и другими машинами, требуюш^ими при пуске в работу большое начальное усилие.

Тихоходные ветродвигатели в основном используются в районах, где скорость ветра в среднем не превышает 4,5 метра в одну секунду. Все механизмы многопластных ветродвигателей, как правило, несколько проще, чем у быстроходных. Однако ветровые колёса тихоходных ветродвигателей представляют собой довольно громоздкие конструкции. При больших размерах таких колёс трудно создать необходимую устойчивость, особенно при высоких скоростях ветра. Поэтому вяастояш.ее время многолопастные ветродвигатели строятся с диаметрами ветровых колёс не более 8 метров. Мощность такого ветродвигателя достигает 6 лошадиных сил. Этой мощности вполне достаточно для того, чтобы подавать на поверхность воду из скважин глубиной до 200 метров.

Быстроходные ветродвигатели имеют в ветровом колесе не более четырёх крыльев с обтекаемым профилем (см., например, рис. 27). Это даёт возможность им хорошо выдерживать очень сильные ветры. Даже при сильном и порывистом ветре хорошо устроенные механизмы регулирования создают равномерное вращение ветровых колёс быстроходных ветродвигателей.

Эти положительные особенности быстроходных ветродвигателей позволяют им работать при переменном ветре любой силы.

Рис. 25. Современный многолопастный ветродвигатель ТВ-5 мощностью до 2,5 лошадиной силы.

Поэтому быстроходные ветродвигатели могут строиться с очень большими диаметрами ветровых колёс, достигающими пятидесяти и более метров и развивающими мощность несколько сот лошадиных сил.

Благодаря высокой и устойчивой равномерности у ветровых колёс быстроходные ветродвигатели используются для привода самых разнообразных машин и электрических генераторов. Современные быстроходные ветродвигатели являются универсальными машинами.

Сравнение ветродвигателей различных систем удобно производить, вводя понятие о нормальной быстроходности. Эта быстроходность определяется отношением окружной скорости на внешнем конце вращающейся лопасти при скорости ветра 8 метров в секунду к скорости воздушного потока.

Лопасти карусельных, роторных и барабанных ветродвигателей при работе перемещаются вдоль воздушного потока и скорость любой их точки никогда не может быть больше скорости ветра. Поэтому нормальная быстроходность ветродвигателей этих типов будет всегда меньше единицы (так как числитель будет меньше знаменателя).

Ветровые колёса крыльчатых ветродвигателей вращаются поперёк направления ветра, а поэтому скорость движения концевых частей у их крыльев достигает больших величин. Она может быть в несколько раз больше скорости воздушного потока. Чем меньше лопастей и лучше их профиль, тем меньшее сопротивление испытывает ветровое колесо. Значит, тем быстрее оно вращается. Лучшие образцы современных крыльчатых ветродвигателей имеют нормальную быстроходность, достигающую девяти единиц. Большинство ветродвигателей заводского производства имеет быстроходность, равную 5—7 единицам. Для сравнения отметим, что даже лучшие крестьянские мельницы имели быстроходность, равную всего 2—3 единицам (и в этом смысле они являются более совершенными, чем карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели).

С ростом числа лопастей у ветрового колеса увеличивается его способность трогаться с места при небольших скоростях ветра. Поэтому многолопастные крыльчатые ветродвигатели, у которых суммарная площадь лопастей составляет 60—70 процентов от ометаемой поверхности (см. рис. 20) ветрового колеса, вступают в работу при скоростях ветра 3—3,5 метра в секунду.

Быстроходные же ветродвигатели с малым числом лопастей трогаются с места при скоростях ветра от 4,5 до 6 метров в секунду. Поэтому их приходится пускать в работу или без нагрузки или при помощи специальных устройств.

Хорошее трогание с места и простота конструкции карусельных, роторных и барабанных ветродвигателей подкупают многих изобретателей и конструкторов, которые считают их идеальными ветродвигателями. В действительности, однако, эти машины имеют ряд существенных недостатков. Эти недостатки затрудняют их использование даже с такими распространёнными и простыми машинами, как поршневые насосы и жерновые мукомольные установки.

Ветродвигатели с приёмниками энергии ветра роторного типа очень плохо используют энергию воздушного потока, коэффициент использования энергии ветра у них в 2—2,5 раза меньше, чем у крыльчатых ветродвигателей. Поэтому при равных ометаемых лопастями поверхностях крыльчатые ветродвигатели могут развить мощность в 2— 2,5 раза большую, чем карусельные, роторные и барабанные ветросиловые установки.

Ветродвигатели роторного типа в настоящее время используются лишь в виде небольших кустарных установок мощностью до 0,5 лошадиной силы. Например, они находят применение для привода в движение различных вентиляционных устройств в помещениях для скота, кузницах и других производственных помещениях в сельском хозяйстве.

От чего зависит мощность ветродвигателя?

Мы знаем, что энергия воздушного потока непостоянна, поэтому любой ветряной двигатель имеет переменную мощность. Мощность любого ветродвигателя зависит от скорости ветра. Установлено, что при увеличении скорости ветра в два раза мощность на крыльях ветродвигателя увеличивается в 8 раз, а при росте скорости воздушного потока в 3 раза мощность ветродвигателя увеличивается в 27 раз.

Мощность ветродвигателя зависит также и от величины приёмника энергии ветра. В этом случае она пропорциональна той площади, которую ометают лопасти ветрового колеса или ротора. Например, у крыльчатых ветродвигателей ометаемая лопастями поверхность будет площадью круга, который описывает конец лопасти за один полный оборот. У барабанных, карусельных и роторных ветродвигателей ометаемая лопастями поверхность представляет площадь прямоугольника с высотой, равной длине лопасти, и с шириной, равной расстоянию между наружными кромками противоположных лопастей.

Однако любое ветровое колесо или ротор превращает в полезную механическую работу лишь часть энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую лопастями поверхность. Эта часть энергии определяется коэффициентом использования энергии ветра. Величина коэффициента использования энергии ветра всегда меньше единицы. У лучших современных быстроходных ветродвигателей этот коэффициент достигает 0,42. У серийных заводских быстроходных и тихоходных ветродвигателей коэффициент использования энергии ветра обычно равен 0,30—0,35; это значит, что примерно лишь одна треть энергии воздушного потока, проходящего через ветровые колёса ветродвигателей, превращается в полезную работу. Остальные две трети энергии остаются не использованными.

Советский учёный Г. X. Сабинин на основании расчётов установил, что даже у идеального ветряка коэффициент использования энергии ветра равен только 0,687.

Почему же этот коэффициент не может быть равным или даже близким к единице?

Объясняется это тем, что часть энергии ветра затрачивается на образование вихрей у лопастей и скорость ветра за ветроколесом падает.

Таким образом, фактическая величина мощности ветродвигателя зависит от коэффициента использования энергии ветра. Мощность ветродвигателя пропорциональна его значению. Это значит, что с увеличением коэффициента использования энергии ветра увеличивается мощность ветродвигателя, и наоборот.

Барабанные, карусельные и роторные ветродвигатели с простейшими лопастями имеют очень низкие коэффициенты использования энергии ветра. Их значения колеблются в широких пределах от 0,06 до 0,18. У крыльчатых же двигателей этот коэффициент находится в пределах от 0,30 до 0,42.