Ветер и его использование

Сельские ветряные мельницы старой постройки были очень громоздкими. На их строительство затрачивалось много труда и материалов.

Попытку усовершенствовать сельскую ветряную мельницу ещё 60 лет тому назад сделал русский инженер В. П. Давыдов. Он разработал оригинальный деревоме-таллический ветродвигатель. Ветровое колесо автоматически выводилось из-под ветра, когда его скорость достигала больших значений и представляла опасность для ветродвигателя.

Деревометаллические ветродвигатели В. П. Давыдова могли использоваться как для помола зерна, так и для механизации водоснабжения и других производственных процессов в сельском хозяйстве.

На рисунке 21 показаны ветродвигатели В. П. Давыдова на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде в 1896 году.

Однако царское правительство не заботилось о серьёзной механизации сельского хозяйства. Поэтому ветродвигатели В. П. Давыдова, хотя и были признаны очень хорошими для того времени машинами, не получили широкого распространения.

После Великой Октябрьской революции положение изменилось. Вопросами механизации сельского хозяйства стали заниматься крупные научные учреждения страны. Для повышения мош,ности ветряных мельниц Центральный аэро-гидродинамический институт (ЦАГИ) ещё в 1923 году разработал усовершенствованную конструкцию крыльев. Это дало возможность повысить мощность и производительность ветряной мельницы в 2—2,5 раза.

В годы Великой Отечественной войны в Научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (ВИМЭ), под руководством проф. Е. М. Фатеева, была произведена реконструкция старой ветряной мельницы. Созданные здесь дерево-металлические ветродвигатели имеют четырёхлопастные ветровые колёса с диаметром от 8 до 16 ж и мощностью от 4 до 20 лошадиных сил (рис. 22). Производительность новых усовершенствованных ветряных мельниц в 2—3 раза выше, чем у старых мельниц.

Такие ветродвигатели в основном предназначены для размола зерновых продуктов, но могут быть также приспособлены и для выполнения других работ. Для этого к нижней части вертикального вала через дополнительную металлическую или деревянную зубчатую передачу подключается горизонтальный вал. На нём размещаются рабочие шкивы для привода различных машин.

3. СИСТЕМЫ СОВРЕМЕННЫХ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В настоящее время имеется много систем ветродвигателей, как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения. Отличаются они друг от друга не только внешним видом и устройством, но и техническими возможностями в зависимости от того, для каких целей они применяются. По устройству приёмника энергии ветра и по расположению его в воздушном потоке различают несколько систем ветродвигателей.

Мы уже говорили о ветродвигателях карусельного и барабанного типа. Известен ещё так называемый р о-торный ветродвигатель (рис. 23). Его лопасти вращаются, как у карусельного ветродвигателя, в горизонтальной плоскости и приводят в движение вертикальный вал.

Широко распространены в настоящее время крыльчатые ветродвигатели, самым древним типом которых и являются обычные ветряные мельницы. Основной частью любого крыльчатого ветродвигателя является ветровое колесо. Оно состоит из нескольких лопастей и вращается под действием ветра. При помощи пары конических шестерён, смонтированных на головке ветродвигателя (рис. 24), вращение колеса превращается в более быстрое движение вертикального вала или в воз-вратно-поступательное перемещение приводной штанги. Для поворота головки и ветрового колеса на ветер у ветряных мельниц имеется водило, а у современных небольших ветродвигателей — хвост с вертикальным оперением на конце. У крупных крыльчатых ветродвигателей существуют и другие более сложные механизмы для автоматического установа ветрового колеса на ветер (о них будет сказано ниже). Чтобы скорость вращения ветра-колеса не превышала предельной, имеется специальное устройство для автоматического регулирования числа оборотов.

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.