Ветродвигатели с соосными ветроколесами

В связи с тем, что устройство ветродвигателя, как мы видим, не такое уж простое, естественно стремление изобретателей использовать башню, редукторы и другие узлы для установки двух или нескольких ветроколес с тем, чтобы получить от одного агрегата ббльшую мощность (рис. 25).

Рис. 25. Схема головки ветродвигателя с тремя соосными ветроколесами.

Изобретатели, предлагающие установку на одном или на со-осных валах двух и более ветроколес, предполагают получить от таких ветродвигателей соответственно двукратную или ббльшую мощность. Однако в действительности такого увеличения мощности не получается. Причина этого заключается в том, что ка второе ветроколесо, расположенное за первым, набегает поток, скорость которого, согласно теории идеального ветряка, должна быть в три раза меньше скорости потока, набегающего па первое ветроколесо. Это и понятно, так как часть своей энергии поток отдает ветроколесу, находящемуся впереди. Так как мощность изменяется пропорционально кубу скорости ветра, то, следовательно, мощность, развиваемая вторым ветроколесом, должна быть в 27 раз меньше мощности, развиваемой первым колесом.

Следовательно, даже если не считать взаимного вредного влияния ветроколес друг на друга, то мощность, развиваемая двумя ветроколесами, будет всего на 4 % больше мощности, развиваемой одним ветроколесом (при равных диаметрах).

Таким образом, установка друг за другом двух и более ветроколес может дать очень небольшое увеличение мощности агрегата, но пр.и этом вызывает значительное усложнение последнего.

Надо отметить, что вредное влияние ветроколес друг на друга будет уменьшаться с увеличением расстояний между ними,

30

особенно при расстояниях, равных или больших диаметра ветроколеса. Но в этом случае возникают непреодолимые трудности с устройством валов и их опор.

Отсюда видно, что подобные предложения являются невыгодными.

Соосиые ветроколеса П. В. Пылкова и А. с. Добросердова

(Авторская заявка № 14455)

Совершенно другой эффект от установки двух ветроколес на одной геометрической оси получился в небольшом ветроэлектрическом агрегате, предложенном П. В. Пыл-ковым и А. С. Добросердовым. В этом агрегате ветроколеса вращаются в разные стороны и основная цель заключается не в получении повышенной мощности, а в том, чтобы увеличить относительную скорость вращения ротора (по отношению к статору).

Рис. 26. Схема ветроэлектрического агрегата П. В. Пылкова и А. С. Добросердова:

/ — ротор, 2 — статор, 3 — подшипники статора, 4 — подшипники ротора.

Схема агрегата, представленная на рисунке 26, довольно проста: одно ветроколесо жестко связано с ротором /, а другое — со статором 2, который также может вращаться в подшипниках 3, соосных с подшипниками 4 ротора. Если одно ветроколесо вращается по часовой стрелке со скоростью, например, 500 оборотов в минуту, а второе ветроколесо вращается в обратную сторону с той же скоростью, то относительно друг друга они вращаются со скоростью 1000 оборотов в минуту. Следовательно, при меньших скоростях ветра и меньшей быстроходности ветроколес можно добиться необходимой скорости вращения ротора относительно статора и получить электрический ток заданных частоты и напряжения. Правда, установка двух ветроколес приводит к некоторому усложнению агрегата.

Ветродвигатель с аэродинамической передачей А. Г. Уфимцева

Выше указывалось, что мощность, развиваемая ветродвигателем, зависит от аэродинамических качеств, диаметра ветроколеса и скорости набегающего потока.

Увеличение диаметра ветроколеса приводит к значительному возрастанию его веса и вызывает усложнение его конструкции. Возможности значительного улучшения аэродинамических качеств крыльев весьма ограничены.

Как мы видели, установка раструбов перед ветроколесами с целью увеличения скорости потока не является эффективным средством для увеличения мощности двигателей. Нехороши и высокие трубы с помещенными в них ветроколесами.

А что, если само ветроколесо начать перемещать с большой скоростью так, чтобы относительные скорости взаимного перемещения потока и ветро-2~fl Jколеса были больши-

ми? Одно из таких предложений, принадлежащее известному курскому изобретателю А. Г. Уфимцеву, изображено на рисунке 27. Такой ветродвигатель получил название — «Ветродвигатель с аэродинамической передачей». Устройство ветродвигателя простое. На концах крыльев быстроходного ветроколеса / укрепляются небольшие ветроколеса 2, соединенные с генераторами 3, установленными там же, на концах лопастей.

Прн наличии ветра ветроколесо / начинает вращаться. Вместе с ним, в плоскости его вращения, начинают перемещаться и ^ветроколеса 2 со скоростью, равной окружной скорости конца лопасти. Ветроколеса 2 начнут вращаться относительно своих осей, и так как окружная скорость концов лопастей ветроколеса / достаточно велика, то удается благодаря небольшому диамет-32

Рис. 27. Схема ветродвигателя с аэродинамической передачей, предложенная А. Г. Уфимцевым: / — ветроколесо, 2 — небольшие ветроколеса, 3 — генераторы.

ру ветроколес 2 получить большое число оборотов, нужное для выработки электроэнергии генератором.

Мощность же агрегата получается примерно такой же, как и при обычной схеме ветродвигателя, так как уменьшение диаметра ветроколес компенсируется увеличением относительной скорости потока.

Такой ветроэлектрический агрегат получается более легким, громоздкие зубчатые передачи становятся ненужными.

Конечно, такие ветродвигатели имеют и свои недостатки: требуются более прочные ветроколеса, генераторы должны быть рассчитаны с учетом значительных центробежных сил.

Кроме того, некоторые трудности возникают в связи с необходимостью передачи мощности от электрических генераторов с помощью быстровращающихся токосъемных устройств. Такие ветроэлектрические агрегаты в опытной эксплуатации еще не проверены.

Изобретатели А. Н. Конов и А. И. Тараканов (авторская заявка № 12137), предлагают для ветронасосных установок другой принципиально возможный принцип использования энергии ветра для получения механической работы применение обычного крыла.

Этот же принцип исцользует и А. Н. Конов в своем ветродвигателе с качающимся хвостом (крылом), схема которого приведена на рисунке 28.

Ветродвигатель с качающимся хвостом А. Н. Конова

(Авторская заявка Ns 10166)

Рис. 28. Ветродвигатель с качающимся хвостом (крылом). А. Н. Конова-А—общий вид Б —схема передачи, В — схема устройства многоярусного крыла (хвоста): / ~ коромысло, 2 — поворотная головка, 3 — башня, < —крыло 5 — лонжерон, е — ветроколесо, 7 — уравновешивающий груз, S — опоры 9 — Штанга насоса, № — амортизирующие упоры, // — стабилизатор.

33

3.721

Ветродвигатель состоит из разноплечного, качающегося в вертикальной плоскости на оси в точке «К» коромысла (рычага) /, смонтированного на поворотной головке 2 и башне 3. На длинном плече коромысла укреплено крыло 4, аналогичное крылу самолета, с лонжероном 5, шарнирно укрепленным в точке «С». Крыло управляется крыльчатым ветроколесом 6, установленным на коротком плече коромысла. Вращательное движение ветроколеса преобразовывается при помощи системы шестерен, тяг и валов в возвратно-поступательное движение лонжерона. Короткое плечо коромысла уравновещено грузом 7 и при помощи свободно поворачивающихся передаточных рычагов и опоры 8, укрепленной на поворотной головке, соединено со штангой 9 насоса.

Амплитуда качания коромысла в вертикальной плоскости ограничивается хорошо амортизирующими упорами 10. Нижний предел отклонения коромысла определяется необходимым ходом штанги насоса, а верхний соответствует горизонтальному положению коромысла. Установка крыла на ветер осуществляется стабилизатором 11, укрепленным на крыле.

Возвратно-поступательное движение коромысла и штанги насоса обеспечивается за счет использования подъемной силы крыла, обтекаемого ветром, и регулирования ее величины лонжероном.

Усилие, которое можно получить на штанге насоса, при прочих равных условиях определяется соотношением плеч коромыс-лов, размерами площади крыла и лонжерона. Размер крыльчатого ветроколеса определяется из расчета усилия, необходимого для управления лонжероном заданного размера.

Использовать такой ветродвигатель на практике нецелесообразно, в первую очередь из-за необходимости установки больших поверхностей.

Так, например, даже при сравнительно большом отношении плеч (1:4) для поднятия воды насосом НП-95 (диаметр поршня 95 мм) при напоре 30 м потребуется крыло площадью более 50 м2 при условии начала работы двигателя при скоростях ветра 4 м в секунду и выше. При этом еще не учтен вес самой лопасти, который должен преодолеваться подъемной силой при ходе лопасти вверх (правда, при ходе вниз вес лопасти оказывается полезным). С учетом этого веса, т. е. считая, что лопасть должка преодолевать только свой собственный вес, скорость ветра, при которой двигатель сможет начинать работу, возрастет до 7—8 м в секунду, что неприемлемо для потребителя.

А. Н. Конов так же, как и ряд других изобретателей, допускает принципиальную ошибку, полагая, что изменением соотношения плеч или изменением передаточныхотношений можно добиться увеличения мощности.

На самом деле в предложении Кокова, например, при изменении длины рычагов и неизменных площади крыла и скорости ветра мощность не изменится. Может увеличиться, ход штан-34

"1

ги, но тогда уменьшится усилие или, наоборот, при необходимости увеличить усилие на штанге насоса придется уменьшить ход.-

Кроме того, нельзя забывать, что ветрокачалка при возвратно-поступательном движении на незначительной части окружности использует относительно малый объем воздушного потока.

Если крыло 4 качалки поставить так, чтобы оно могло двигаться по окружности в вертикальной плоскости, перпендикулярной потоку, т. е. так же, как лопасть ветроколеса, то это крцло могло бы охватить воздушный поток значительно большего сечения.

Следовательно, и мощность, развиваемая таким крылом, также была бы больше во много раз по сравнению с мощностью, развиваемой крылом ветрокачалки.

Вообще наилучшее использование поверхностей, преобразующих энергию ветра в механическую работу, достигается в том случае, когда они располагаются по радиусам ветроколеса и охватывают максимальную площадь потока.

Многоветряковые и высотные ветродвигатели

Следует коротко отметить еще две группы часто встречающихся предложений, которые, будучи принципиально верными, не являются в настоящее время актуальными.

Первая группа предложений касается различных вариантов многоветряковых и так называемых рамных ветродвигателей и преимущественно ветроэлектрических станций.

Впервые такое предложение было внесено известным изобретателем А. Г. Уфимцевым.

Предложенная А. Г. Уфимцевым рамная стаивдяТ.Т.™ф1и1цева ветроэлектростанция изображбна на рисунке 29.

Она имеет 10 ветроколес, укрепленных на одной раме, могущей поворачиваться относительно вертикальной оси при установке ветроколес на ветер. Каждое ветроколесо с помощью редуктора соединено с генератором. Все генераторы работают параллельно между собой на общего потребителя.

В вариантах других изобретателей ветроколеса связаны длинными валами с одним общим генератором.

Преимуществами таких станций являются наличие для многих ветроколес лишь одной башни, меньший вес на eдiяницy мощности, значительное уменьшение количества обслуживающего персонала..

К недостаткам следует отнести то, что при малых расстояниях между ветроколесами они будут вредно влиять друг на друга; снижая мощность каждого ветроколеса. Кроме того, значи-