> Техника, страница 29 > Ветряные двигатели

Ветряные двигатели

Ветряные двигатели, двигатели,приводимые в движение силою ветра, давящего на крылья. Воздух, подходя к В. д. и проходя через площадь, ометаемую его крыльями, создает перед ним увеличенное давление, уменьшает свою скорость и частич-. но растекается вокруг В. д.

1 (смотрите Аэродинамика). Схему течения воздуха около В. д. можно представить в виде фигура 1. Линии АБВ и Α_ΧΒ₁Β₁представляют собою границы частиц воздуха, прошедших и не прошедших сквозь площадь, ометаемую крыльями В. д.; при этом за двигателем объём ВББ₁В₁ обработанного воздуха мы рассматриваем изолированным от воздуха с более спокойным течением. Обозначим скорость воздуха далеко перед двигателем в сечении АА_Х через W, скорость в плоскости вращения ВБ, через W—w, скорость отработанного воздуха далеко за двигателем в ВВ_Х через W— га ₁ и площадь, ометаемую крыльями двигателя, в сечении БВ_Х через F. По теореме о количестве движения (полагая в ней элемент времени ί=1 ск.) имеем силу лобового давления двигателя

P—mW— m(W— w_l)=mw₁, (1)

где .т—масса прошедшего в 1 ск. через площадь F воздуха; мощность двигателя T=P(W— w)=mw₁{W— w). (2)

Та же мощность выражается как разность живых сил потока в сечениях АА_Х и ББ,. В сечении ВВ_г давление равно атмосферному и линии тока воздуха параллельны средней оси потока. Имеем:

,WL^L_=mWi(w- ψ). (3)

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

(4)

Для средней скорости потока в сечениях АА_Х и ВВ_Х имеем: w+gy-Ki,)

Фигура 1.

окружающего то есть скорость воздуха в плоскости вращения В. д. является средней арифметической из скоростей воздуха далеко перед двигателем и далеко за ним. Масса воздуха, проходящего в 1 секунду через сечение F плоскости вращения В. д.: m=QF(W—w), где ρ—плотность воздуха (в наших условиях при t° 15°, при 45° с. ш., на уровнв^моря ρ=-i. Т. Э. m. III.

Т. о. работа, отданная потоком воздуха В. д., согласно (2), равна qF(W— w)·w_x. Энергия ветра измеряется его живой силой

Деля работу В. д. на энергию ветра и заменяя w_x через Zw, получим коэффициент использования энергии ветра, или кпд его, pF(W -w)·uv 4 (W -t ρ)·»ρ

$=-

„r

?F—

W·*

Для получения максимума £ определяем производную и приравниваем ее нулю:

^dK=w>[(W-w?-2{W-w)w =0,

откуда

W— w —2w, w=~n W—w=^W;

= 1 =°’(·⁵⁹²)·

Отсюда видно, что более ^Ιβ/₂₇ энергии ветра, проходящ. через ометаемую крыльями В. д. площадь, получить нельзя. Это относится ко всяк. рода В. д.—крыльчат. и карусельным.

Работы Центр, аэро-гидродинамич. ин-та (ЦАРИ) в 1920 году показали, что получаемый из опыта кпд ξ зависит от метода испытания В. д. 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, показыв. 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 В. д. 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 к а-русельного типа, у которых ось поставлена перпендикулярно к потоку. На фигуре 2 представлена характеристика В. д. многолопастного типа «Аэромотор», с диаметр. лопастей D —

=2,5 метров и при скорости W=4 м/ск.

Размеры В. д. 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 фигуре 3 показаны особенности В. д. крыльчатого типа, разной быстроходности. По оси абсцисс отложена величина W=~=—> где W— ско-wR ζ

рость ветра, а ωΒ—окружная скорость на внешнем конце радиуса колеса В. д. Величина ζ, число модулей, характеризует меру быстроходности двигателей. На этой фигура пунктирная прямая изображает максимальный теоретически возможный коэффициент использования энергии ветра, равный 0,593;

кривая I дает этот коэфф. для крыла хорошего в аэродинамич. отношении профиля; кривая II дает отношение мощностей В. д. с разными модулями; кривые III, IV, Тдают отношения размеров диам., суммарных площадей и веса крыльев В. д. с разными модулями. На фигуре 3 схематически изображены крылья В. д., соответствующие разным значениям W. Эти кривые показывают выгодность замены колеса В. д. 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 В. д., не отразится существенно на прочности головки.

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

Т. к. у В. д. с поворотными лопастями отношение начального крутящего момента к рабочему, даже при ζ — 5, мало отличается

Таблица IО тношение крутящих моментов В.д. разных модулей.

W	Ζ	Отношение нач. крутящ. момента к рабочему при неподвижно за-крепл. на махах лопастях	Отношение нач. крутящ. момента к рабочему при подвижных около махов лопастях
0,8	1,25	0,854	1,945
0,6	1,67	0,677	1,220
0,4	2,5	0,483	1,055
0,2	5,0	0,171	0,908

от единицы, то для увеличения начального крутящего момента необходимо в быстроходных В. д. делать лопасти поворотными около своего радиуса.

На основе этих теоретическ. соображений сконструированы В. д. 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 В. д. 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 многолопастн. типа, приводящего в движение поршневой насос, представлен на фигуре 4 и 5. Колесо двигателя ί состоит из многих (в общем от 12 до 64) лопастей, изготовлен. 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 30°.

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 го ризонтом; 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 (фигура 6—обозначения те же, что на фигуре 4 и 5). Хвост имеет следующие нормальные размеры: расстояние от центра башни до центра плоскости хвоста 0,75 D, и площадь хвоста равна 0,125Х>² (здеа D—диам. коле са

Фигура 5.

Теоретически мыслимы В. д., у которых крылья заменены вращающимися цилиндрами, но вследствие большой окружной скорости для двигателей малого диаметра эта замена совершенно нецелесообразна. Для В. д. очень больших диаметров такая замена допустима, но преимуществ, по сравнению с В. д. быстроходного типа, здесь ожидать трудно, вследствие относительно низкого аэродинамич. ка-

Фигура 6.

чества и, следоват., низкого кпд ξ вращающихся цилиндров, а также сравнительно небольш. быстроходности их.

Лит.: Красовский Н. В. и СаОинин

Г. Х„ «Труды ЦАГИ», Москва, 1923, вып. 2, 4, и 1926, вып. 22, 28: Betz A., Wind-Energie und ibre Ausnutzung durch Windmtihlen, Naturwissenschaft und Technik, Gottingen, 1926, H. 2; Fuller P., Use of Windmills in Irrigation in the Semiandwest, United States Bureau of Agriculture Farmers, Bulletin 866, Wsh., 1917; Bilau K., Die Windkraft in Theorie u. Praxis, B., 1927. H. Красовский.

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

Лит.: Р а д ц и г А. А., Машины-двигатели, «Охрана жизни и здоровья рабочих в промышленности», СПБ, 1913, ч. I, вып. 1. П. Синев.