Рациональность силовой схемы ветротурбины

Инерционные нагрузки на лопасть горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ направлены вдоль лопасти, т. е. наиболее выгодным образом. Ступица колеса и элементы опорно-подшипникового узла компактны и малогабаритны. Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой ВЭУ направлены поперек лопасти вдоль траверсы. Ступица и опорно-подшипниковый узел имеют большие габариты. Таким образом, ветротурбина (ветро-ротор) вертикально-осевой ВЭУ в меньшей степени удовлетворяет требованию рациональности силовой схемы, чем ветротурбина горизонтально-осевой пропеллерной. Как результат этого ветотурбина с вертикально-осевой ВЭУ оказывается тяжелее горизонтально-осевой пропеллерной.

Между тем при переходе к ВЭУ мегаваттных мощностей необходимо учитывать значительно меняющийся характер нагружения. Во-первых, аэродинамические нагрузки на лопасть горизонтально-осевой ВЭУ в верхнем в нижнем положении неодинаковы из-за разницы скоростей ветра по длине размаха лопастей. Лопасть работает в разных быстроходностях и передает ступице пульсирующий крутящий момент. Во-вторых, возрастает значение сил гравитации. Пульсирующие аэродинамические и гравитационные нагрузки существенно снижают виброживучесть лопасти, ступицы и опорно-трансмиссионной системы. Возрастают также силы Кориолиса при поворотах турбины на ветер.

Конструкция лопасти

Все сечения лопасти горизонтальной пропеллерной ВЭУ находятся в разных энергетических состояниях из-за различия в них окружных скоростей и углов атаки. Это различие значительно снижается благодаря скрутке сечений лопасти одно относительно другого. Особенности инерционного нагружения лопасти приводят к необходимости сужения профиля к концу лопасти. Таким образом, пропеллерная лопасть конструктивно представляется значительно более сложной, чем прямоугольная, симметричная относительно хордовой плоскости лопасть вертикально-осевой ВЭУ. С другой стороны, сборка стеклопластиковой лопасти вертикально-осевой ВЭУ из отдельных секций представляет значительную трудность ввиду необходимости организации фланцевых стыков.

Поворот лопастей

Поворот лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не только как средство торможении ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе оборотов во избежание выхода его в разнос.

Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, так как при этом нужны и система непрерывного слежения за числом оборотов, и поворотные устройства с приводами для каждой лопасти, и система автоматического управления углами поворота лопастей. С точки зрения предотвращения опасности выхода на аварийный режим вращения ветроколеса поворотные системы и устройства для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ совершенно необходимы.

Поворот лопастей вертикально-осевой турбины был бы весьма эффективен не только для торможения, но и для поддержания оптимального угла атаки при всех положениях лопасти на окружности вращения. Установки с таким принципом работы в настоящее время применения не находит по следующим соображениям: массивная лопасть за время одного оборота вокруг оси вращения должна сделать несколько качаний, сориентированных на направление ветра. Не говоря уже о сложности создания самих систем и устройств для таких поворотов, установка становится зависящей от направления ветра, а ее конструкция будет значительно усложнена. Однако главным соображением по этому поводу остается тот факт, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевой ВЭУ находится на уровне эффективности горизонтально-осевой пропеллерной.