Ветряные двигатели

Сколько бесполезно растрачивается энергии в природе!

Возьмите энергию морских приливов и отливов или волнений, когда громады воды, вздымаясь на большую высоту и обрушиваясь, бесполезно растрачивают свою энергию, шлифуя прибрежную гальку, или разрушают скалы и портовые сооружения. Или энергия ветра. Сколько её в атмосфере!

Люди упорно стремятся использовать дешёвую энергию, особенно для мирных целей, и часто это удаётся.

Энергия рек путём установки плотин приводит в действие турбогенераторы, вырабатывающие дешёвую электроэнергию.

Другим примером использования дешёвой энергии является использование энергии ветра с помощью ветродвигателей. Ветер обладает большим количеством энергии. Сильный ветер гнёт деревья, иногда срывает крыши с домов, а ураган сбрасывает железнодорожные вагоны и, вырывая деревья, бросает их на далёкие расстояния.

Энергия ветра улавливается ветроколесом (рис. 69). Ветроколёса бывают многолопастными и малолопастными.

Но не вся энергия ветра, проходящая через поверхность, ометаемую ветроколесом, может превратиться ветродвигателем в механическую работу. Аэродинамики теоретически доказали, что только около 60% этой энергии можно перевести в механическую работу. А практически современные ветродвигатели превращают в механическую работу только 25÷30% энергии ветра.

Теория и экспериментальные исследования ветродвигателей базируются на аэродинамике.

Рассмотрим, как создаются аэродинамические силы, заставляющие ветроколесо вращаться и производить полезную работу. [1]

Ветряные двигатели

У ветродвигателя на горизонтальном валу закреплены лопасти. Лопасти образуют с плоскостью вращения угол, называемый углом установки. В поперечном сечении лопасть современного ветродвигателя имеет вид профиля крыла самолёта. Набегающий на лопасть воздушный поток атакует лопасть под некоторым углом атаки а. В результате обтекания на лопасти (рис. 70) возникает сила полного аэродинамического сопротивления R. Силу R раскладывают по правилу параллелограмма на силы Рх и Ру. Сила Рх производит давление в направлении ветра и называется лобовым давлением. Она создаёт вредное трение в подшипниках ветродвигателя. Сила Ру действует в плоскости вращения ветроколеса и создаёт полезный крутящий момент.

Угол атаки лопасти ветродвигателя есть угол между хордой лопасти и направлением суммарной скорости потока. На лопасть набегают как бы два потока — первый поток есть сам ветер, направленный перпендикулярно к плоскости вращения ветроколеса. Второй поток

Ветряные двигатели

Рис. 70. Аэродинамические силы, действующие на лопасть ветродвигателя.

возникает от того, что ветроколесо вращается, он действует в плоскости вращения лопасти. Скорости потоков можно обозначить так же, как и силы, — через векторы. Если эти две скорости сложить, то получим направление и величину суммарной скорости набегающего воздуха. Заметим, что если ветроколесо не вращается, то на лопасть будет набегать только один поток—ветер, направленный перпендикулярно к плоскости вращения колеса.

На основе теории воздушного винта, созданной проф. Н. Е. Жуковским, его ученик В. П. Ветчинкин в 1914 г. впервые разработал теорию ветряка. В 1920 г. проф. Н. Е. Жуковский изложил теорию ветродвигателя в труде «Ветряная мельница Н. Е. Ж.» (Николай Егорович Жуковский).

Работами советских учёных В. П. Ветчинкина и Г. X. Сабинина ветродвигательная техника намного продвинулась вперёд. Большую роль в её развитии сыграл ЦАГИ, разработавший целый ряд ветродвигателей.

Иногда ветродвигатели устанавливаются на самолётах и планёрах для вращения электрогенератора.

Ветродвигатели имеют большое народнохозяйственное значение, особенно в механизации трудоёмких работ сельского хозяйства. Различают ветронасосные установки, ветряные мельницы и др.

Наряду с малыми ветродвигателями, как, например, «ТВ-8», у которого диаметр ветроколеса 8 м и мощность 6,2 л. с., при среднем ветре 8 м/сек, бывают более мощные ветродвигатели. Среди них примечательна советская ветроэлектростанция, построенная у Балаклавы в Крыму. Эта станция не имела себе равных во всём мире. В 1942 г. станция была разрушена немецко-фашистскими захватчиками. Размер её трёхлопастного ветроколеса достигал в диаметре 30 м. Ветродвигатель при 30 оборотах в минуту давал мощность, равную 135 л. с.

В настоящее время встречаются ветродвигатели с диаметром ветроколеса более 50 м и мощностью свыше 1000 л. с.

Смотрите также