ВЕТРОДВИ́ГАТЕЛЬ

Внешний вид рабочих органов ветродвигателей: а – карусельного; б – ортогонального; в и г – крыльчатого двухлопастного и многолопастного соответственно. Рис. С. В. Карповича

ВЕТРОДВИ́ГАТЕЛЬ, дви­га­тель, ис­поль­зую­щий ки­не­тич. энер­гию вет­ра для вы­ра­бот­ки ме­ха­нич. энер­гии. В ка­че­ст­ве ра­бо­че­го ор­га­на В., вос­при­ни­маю­ще­го энер­гию (дав­ле­ние) вет­ро­во­го по­то­ка и пре­об­ра­зую­ще­го её в ме­ха­нич. энер­гию вра­ще­ния ва­ла, при­ме­ня­ют ро­тор, ба­ра­бан с ло­пат­ка­ми, вет­ро­ко­ле­со и т. п. Клас­си­фи­ка­ция В. про­во­дит­ся в за­ви­си­мо­сти от ти­па ра­бо­че­го ор­га­на и по­ло­же­ния его оси от­но­си­тель­но на­прав­ле­ния вет­ра. Раз­ли­ча­ют В. ка­ру­сель­ные (или ро­тор­ные), ор­то­го­наль­ные и крыль­ча­тые. У ка­ру­сель­ных В. (рис., а) ось вра­ще­ния ра­бо­че­го ор­га­на вер­ти­каль­на. Ве­тер да­вит на ло­па­сти, рас­по­ло­жен­ные по од­ну сто­ро­ну оси; ло­па­сти по др. сто­ро­ну оси при­кры­ва­ют­ся шир­мой ли­бо по­во­ра­чи­ва­ют­ся спец. при­спо­соб­ле­ни­ем реб­ром к вет­ру. Ло­па­сти дви­жут­ся по на­прав­ле­нию по­то­ка, по­это­му их ок­руж­ная ско­рость (на­прав­лен­ная по ка­са­тель­ной к ок­руж­но­сти) не мо­жет пре­вы­шать ско­ро­сти вет­ра. Та­кие В. от­но­си­тель­но ти­хо­ход­ны. Эф­фек­тив­ность В. оце­ни­ва­ют с по­мо­щью ко­эф. ис­поль­зо­ва­ния энер­гии вет­ра $ξ$, ко­то­рый по­ка­зы­ва­ет, ка­кая до­ля энер­гии вет­ро­во­го по­то­ка пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­нич. энер­гию. Из чис­ла вер­ти­каль­но-осе­вых В. наи­боль­ший $ξ$ име­ет ор­то­го­наль­ный В. (рис., б). Пре­иму­ще­ст­вен­ное рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли крыль­ча­тые В., у ко­то­рых ось вет­ро­ко­ле­са го­ри­зон­таль­на и па­рал­лель­на на­прав­ле­нию по­то­ка; ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким $ξ$ и на­дёж­но­стью в экс­плуа­та­ции. В та­ких В. ло­пасть с на­ко­неч­ни­ком кре­п­ле­ния к сту­пи­це на­зы­ва­ет­ся кры­лом (от­сю­да на­зва­ние). В за­ви­си­мо­сти от чис­ла ло­па­стей раз­ли­ча­ют ветроколёса бы­ст­ро­ход­ные (ме­нее 4 ло­па­стей), ср. бы­ст­ро­ход­но­сти (от 4 до 8) и ти­хо­ход­ные (бо­лее 8). Бы­ст­ро­ход­ность вет­ро­ко­ле­са оце­ни­ва­ет­ся чис­лом мо­ду­лей $Z$, рав­ным от­но­ше­нию ок­руж­ной ско­ро­сти $ωR$ внеш­не­го кон­ца ло­па­сти ра­диу­сом $R$, вра­щаю­щей­ся с уг­ло­вой ско­ро­стью ω, к ско­ро­сти на­бе­гаю­ще­го по­то­ка $v$. При оди­на­ко­вом $Z$ вет­ро­ко­ле­со боль­ше­го диа­мет­ра име­ет мень­шую час­то­ту вра­ще­ния. При про­чих оди­на­ко­вых ус­ло­ви­ях уве­ли­че­ние чис­ла ло­па­стей так­же сни­жа­ет час­то­ту вра­ще­ния вет­ро­ко­ле­са. Вет­ро­ко­ле­со с не­боль­шим чис­лом ло­па­стей (рис., в) обыч­но со­сто­ит из сту­пи­цы и ло­па­стей, со­еди­нён­ных с ней жёстко под не­ко­то­рым уг­лом к плос­кости вра­ще­ния или с по­мо­щью под­шип­ни­ко­вых уз­лов, в ко­то­рых ло­пасть по­во­ра­чи­ва­ет­ся для из­ме­не­ния уг­ла ус­та­нов­ки. Воз­душ­ный по­ток на­бе­га­ет на ло­пасть под не­ко­то­рым уг­лом ата­ки. Воз­ни­каю­щая на ка­ж­дой ло­па­сти пол­ная аэ­ро­ди­на­мич. си­ла рас­кла­ды­ва­ет­ся на подъ­ём­ную си­лу, соз­даю­щую вра­щаю­щий мо­мент, и на си­лу ло­бо­во­го дав­ле­ния, дей­ст­вую­щую по оси вет­ро­ко­ле­са. Бы­ст­ро­ход­ное вет­ро­ко­ле­со с по­во­рот­ны­ми ло­па­стя­ми час­то кон­ст­рук­тив­но объ­е­ди­не­но с ме­ха­низ­ма­ми ре­гу­ли­ро­ва­ния час­то­ты вра­ще­ния, ог­ра­ни­че­ния мощ­но­сти и пус­ка-ос­та­нов­ки В., осу­ще­ст­в­ляю­щи­ми по­во­рот ло­па­сти от­но­си­тель­но его про­доль­ной оси. Мно­го­ло­па­ст­ное вет­ро­ко­ле­со (рис., г) со­сто­ит из сту­пи­цы с кар­ка­сом, на ко­то­ром жёстко за­кре­п­ле­ны спе­ци­аль­но спро­фи­ли­ро­ван­ные ло­па­сти из лис­то­вой ста­ли. Ог­ра­ни­че­ние раз­ви­вае­мой мощ­но­сти обыч­но осу­ще­ств­ля­ет­ся по­во­ро­том ти­хо­ход­но­го вет­ро­ко­ле­са от­но­си­тель­но плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной на­прав­ле­нию дей­ст­вия вет­ро­во­го по­то­ка. Мощ­ность, раз­ви­вае­мая на ва­лу вет­ро­ко­ле­са, за­ви­сит от его диа­мет­ра, фор­мы и про­фи­ля ло­па­стей и прак­ти­че­ски не за­ви­сит от их чис­ла: $P_{вк}≈3,85·10–3·ρD^2v^3ξ$, где $P_{вк}$ – мощ­ность на ва­лу вет­ро­ко­ле­са (кВт), $ρ$ – плот­ность воз­ду­ха (кг/м³), $v$ – ско­рость вет­ра (м/с), $D$ – диа­метр вет­ро­ко­ле­са (м).

К изу­че­нию фи­зич. яв­ле­ний при про­хо­ж­де­нии воз­душ­но­го по­то­ка че­рез вет­ро­ко­ле­со при­ме­ня­ют тео­рию кры­ла и воз­душ­но­го вин­та са­мо­лё­та. Тео­ре­тич. ос­но­вы рас­чё­та вет­ро­ко­ле­са за­ло­же­ны в 1920-х гг. Н. Е. Жу­ков­ским; им до­ка­за­но, что ξ иде­аль­но­го вет­ро­ко­ле­са ра­вен 0,593. Тео­рия вет­ро­ко­ле­са бы­ла раз­ви­та В. П. Вет­чин­ки­ным, Г. Х. Са­би­ни­ным, А. Г. Уфим­це­вым, Е. М. Фа­тее­вым, Г. А. Печ­ков­ским, Я. И. Шеф­те­ром и др., раз­ра­бо­тав­ши­ми ме­то­ды рас­чё­та аэ­ро­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­стик и сис­тем ре­гу­ли­ро­ва­ния В. Обыч­но при­ме­ня­ют од­ну из двух осн. схем крыль­ча­тых В.: с вер­ти­каль­ной транс­мис­си­ей и ниж­ним пе­ре­да­точ­ным ме­ха­низ­мом ли­бо с рас­по­ло­же­ни­ем всех уз­лов в го­лов­ке В. Го­лов­ка мон­ти­ру­ет­ся на по­во­рот­ной опо­ре баш­ни и при из­ме­не­нии на­прав­ле­ния вет­ра по­во­ра­чи­ва­ет­ся от­но­си­тель­но вер­ти­каль­ной оси. Вы­со­та баш­ни оп­ре­де­ля­ет­ся диа­мет­ром вет­ро­ко­ле­са и вы­со­той пре­пят­ст­вий, ме­шаю­щих сво­бод­но­му про­хо­ж­де­нию воз­душ­но­го по­то­ка к В. Кро­ме ме­ха­нич. при­во­да, при­ме­ня­ют так­же элек­трич., пнев­ма­тич., гид­рав­лич. и сме­шан­ный при­во­ды. Ори­ен­та­ция вет­ро­ко­ле­са В. по на­прав­ле­нию вет­ра осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ав­то­ма­тич. хво­сто­вым опе­ре­ни­ем, по­во­рот­ны­ми вет­ряч­ка­ми (т. н. винд­ро­за) или рас­по­ло­же­ни­ем В. за баш­ней (са­мо­ори­ен­та­ция). Ра­бо­та разл. сис­тем ав­то­ма­тич. ре­гу­ли­ро­ва­ния ос­но­ва­на на из­ме­не­нии аэ­ро­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­стик ло­па­стей или все­го вет­ро­ко­ле­са в со­от­вет­ст­вии с дей­ст­вую­щей ско­ро­стью вет­ра, час­то­той вра­ще­ния вет­ро­ко­ле­са и зна­че­ни­ем на­груз­ки. В ти­хо­ход­ных В. наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли сис­те­мы ав­то­ма­тич. ре­гу­ли­ро­ва­ния пу­тём вы­во­да вет­ро­ко­ле­са из-под вет­ра дав­ле­ни­ем, соз­да­вае­мым воз­душ­ным по­то­ком на до­пол­нит. по­верх­но­сти – бо­ко­вые пла­ны, или дав­ле­ни­ем на вет­ро­ко­ле­со, ось вра­ще­ния ко­то­ро­го сме­ще­на (рас­по­ло­же­на экс­цен­трич­но) от­но­си­тель­но вер­ти­каль­ной оси по­во­ро­та го­лов­ки. Сис­те­ма ре­гу­ли­ро­ва­ния с бо­ко­вым пла­ном при­ме­не­на в отеч. В. ТВ-8, «Бу­ран» и во мно­гих за­ру­беж­ных; сис­те­ма ре­гу­лиро­ва­ния при экс­цен­трич­ном рас­по­ло­же­нии вет­ро­ко­ле­са – напр., в отеч. В. ТВМ-3 и ТВ-5. Ре­гу­ли­ро­ва­ние боль­шин­ст­ва бы­ст­ро­ход­ных В. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­во­ро­том ло­па­сти или её кон­це­вой час­ти от­но­си­тель­но про­доль­ной оси.