Большая Советская Энциклопедия (ВЕ)

  В зависимости от числа лопастей различают ветроколеса быстроходные (менее 4), средней быстроходности (от 4 до 8) и тихоходные (более 8 лопастей). Быстроходность ветроколеса оценивается числом модулей Z , равным отношению окружной скорости wR внешнего конца лопасти радиусом R, вращающейся с угловой скоростью w , к скорости v набегающего потока. 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. 2 ) обычно состоит из ступицы и лопастей, соединённых с ней жестко под некоторым углом j к плоскости вращения (рис. 3 ) или с помощью подшипниковых узлов, в которых лопасть поворачивается для изменения угла установки j. Воздушный поток набегает на лопасть с относительной скоростью w под некоторым углом атаки a . Возникающая на каждой лопасти полная аэродинамическая сила  раскладывается на подъёмную силу Р_у , создающую вращающий момент М, и на силу P_x лобового давления, действующую по оси ветроколеса. При поворотных лопастях с быстроходным ветроколесом часто конструктивно объединены механизмы регулирования частоты вращения, ограничения мощности и пуска-останова В., осуществляющие поворот лопасти относительно продольной оси В. Многолопастное ветроколесо (рис. 4 ) состоит из ступицы с каркасом, на котором жестко закрепляются специально спрофилированные лопасти из листовой стали. У тихоходных ветроколёс значение x доходит до 0,38. Ограничение развиваемой мощности обычно производится 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 ·rD² v³ x ,

  где Р _вк — мощность на валу ветроколеса, квт, r — плотность воздуха, кг/м² , v — скорость ветра, м/сек² , D — диаметр ветроколеса, м.

  Относительный момент , равный

 

  зависит от быстроходности ветроколеса (рис. 5 ). У тихоходных максимальное значение  совпадает с начальным моментом , у быстроходных, напротив, номинальное значение , соответствующее x _макс , в несколько раз больше .

  К изучению физических явлений при прохождении воздушного потока через ветроколесо применяют теорию крыла и воздушного винта самолёта. Теоретические основы расчёта ветроколеса были заложены в 1914—22 русским учёным Н. Е. Жуковским . Кроме того, он доказал, что x идеального ветроколеса равен 0,593. Его ученики В. П. Ветчинкин, Г. Х. Сабинин, а также др. советские учёные развили теорию ветроколеса, разработали методы расчёта аэродинамических характеристик и систем регулирования В.

  Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых В.: или с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным механизмом (рис. 6 , а), или с расположением всех узлов в головке В. (рис. 6 , б). Головку монтируют на поворотной опоре башни, и при изменении направления ветра она поворачивается относительно вертикальной оси. Высота башни определяется диаметром ветроколеса и высотой препятствий, мешающих свободному прохождению воздушного потока к В. Для работы с более тихоходными исполнительными машинами используют обычно многолопастные В., а для агрегатирования с генераторами, центробежными насосами и др. быстроходными машинами — двух-, трёхлопастные В. Кроме механического привода, применяют также электрический, пневматический, гидравлический и смешанный приводы. Ориентация ветроколеса по направлению ветра у В. осуществляется автоматически хвостовым оперением, поворотными ветрячками (см. Виндроза ) или расположением В. за башней (самоориентация).

  Так как мощность В. пропорциональна кубу скорости ветра, то в реальных условиях эксплуатации необходимо ограничение мощности при v > v_p и регулирование частоты вращения ветроколеса. Действие различных систем автоматического регулирования основано на изменении аэродинамических характеристик лопасти или всего ветроколеса в соответствии с действующей скоростью ветра, частотой вращения ветроколеса и значением нагрузки. До определённых расчётных значений скорости ветра v_p система регулирования в действие не вступает и В. работает с переменной мощностью. При скоростях, больших v_p , с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной. В районах со среднегодовыми скоростями ветра  4—5 м/сек v_p обычно принимается 7—9 м/сек, при  6—7 м/сек — 10—12 м/сек, а при , более 7 м/сек — 13—14 м/сек. В табл. 1 приведены мощности, которые может развить В. при x = 0,35 и v_p = 8 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса 2—12 м ) и v_p = 10 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса более 12 м ).

  Табл. 1. — Мощность на ветроколесе