Ветротурбины, использующие подъемную силу
В таких машинах ветер, действующий на лопасти, создает силу, перпендикулярную направлению своего движения. Хорошо всем знакомая пропеллерная ветротурбина относится к типу ветротурбин, использующих аэродинамическую подъемную силу. Принцип работы этих машин аналогичен принципу движения парусных судов против ветра за счет аэродинамической подъемной силы. В этом ветровом потоке сама лодка или в нашем случае лопасти ветроколеса могут двигаться даже со скоростью, превышающей скорость ветра. Такие машины представлены на рис. 13.4.
Заметим, что существуют два способа передачи механической энергии с рабочего вала пропеллерной машины на вал генератора. В первом случае, когда генератор расположен на башне на одной высоте с ветроколесом. момент с вала ветроколеса передается непосредственно на вал генератора через муфту. При необходимости повысить часоту врашения вала устанавливают мультипликатор. Во втором случае генератор может быть установлен на земле, и момент на него передается с помощью дополнительного длинного вертикального вала. Хотя в первом случае башня и несет на себе большую механическую нагрузку, этот вариант считается предпочтительным, поскольку характеризуется меньшими затратами и в нем отсутствует длинный вал, передающий большую механическую мощность.
Существуют два способа установки лопастной системы ветроколеса. В первом случае лопастная система ветроколеса находится перед гондолой и непосредственно «встречает» поток набегающего воздуха. Во втором случае лопастная система ветроколеса устанавливается за гондолой и ветровой поток сначала обтекает гондолу и только затем натекает на лопасти. Практика использования ветротурбин показала, что в первом случае шум, создаваемый машиной, оказы вается меньше, чем во втором.
|
Рис. 13.4. Слева направо: горизонтально-осевая пропеллерная ветротурбина и две вертикально-осевые машины — «Гиромилл» и конструкции Дарье |
Следует упомянуть, что известно также оригинальное техническое решение, в котором генератор располагается на земле и отсутствует длинный вертикальный вал для передачи на него механической энергии с ротора ветроколеса. Ветроустановка имеет обыкновенные пропеллерные ветроколеса, только последние выполнены полыми внутри и с отверстиями, соединяющими полости с атмосферой на их периферии. При вращении под действием центробежной силы воздух вытекает из лопасти и в полости создается разрежение. Полости специальными трубками соединены с выходом воздушной турбины, находящейся на земле. При вращении ветроколеса внутри него получается разрежение, передаваемое на выход назем-
ной турбины, что приводит к ее вращению и выработке электроэнергии с помощью подключенного к ней и расположенного также на земле генератора. Ветротурбины такого типа малоэффективны и поэтому не нашли практического применения.
Другим типом ветротурбин, которые не только позволяют размещать генератор на земле, но и не требуют ориентации на направление ветра, являются вертикально-осевые ветротурбины. Одна из первых таких ветротурбин была сконструирована фирмой Мак Доннел-Дуглас и называлась «Гиромилл» («Gyromill») — см. рис. 13.4 в центре. Её номинальная мощность 120 кВт.
Один из основных недостатков ветроколес типа «Гиромилл» заключается в том, что под действием центробежных сил лопасти деформируются и создаются большие внутренние напряжения. Элегантное решение проблемы внутренних напряжений, вызываемых центробежными силами, состоит в использовании лопастей специальной формы, которые работают только на растяжение. Автором известной разработки такого вертикально-осевого колеса является французский инженер Дарье. Он применил форму колеса, называемую тропоскейн, которую принимает вращающийся гибкий шнур, прикрепленный к оси вращения обоими концами. Ветротурбины с лопастями формы тропоскейн были в честь своего изобретателя названы роторами Дарье.