10. Аеродинаміний розрахунок вітроколеса

Для розрахунків вітроколеса повинні бути задані :

1. Потужність N, яку необхідно отримати від вітродвигуна.

2. Швидкість вітру V, при якій вітродвигун повинен розвинути дану потужність.

3. Швидкохідність Z вітряка при максимальному коефіцієнті використання енергії вітру .

4. Коефіцієнт використання енергії вітру

Потужність дорівнює [кВт] , звідки можна знайти діаметр вітроколеса.

Швидкість вітру ,при якій вітроколесо повинно досягти заданої потужності, зазвичай приймають рівною від 8 до 14 м/с. Швидкість або задається, або вибирається, якщо задано кількість обертів n вітроколеса.

Оскільки

.

Далі на основі конструктивних міркувань і дослідних даних вибирають товщину профілю лопаті. На кінці лопаті беруть профіль товщиною від , деb – ширина лопаті .До втулки товщина профілю збільшується, досягаючи у вітряків з поворотними лопатями біля вісі 0,2b до 0,35b .

Для розрахунку рівнянь, які описують форму лопаті, їх кількість та ідеальний коефіцієнт задаються декількома значеннями коефіцієнта гальмування, наприклад , е = 0,3; 0,35; 0,40. Будують залежністьі вибирають е, що відповідає. Потім за формулами розраховують перерізи лопатей на різних відстанях від початку лопаті, далі - ширину лопатей і кут

11. Встановлення вітродвигунів на вітер

Вітер постійно змінює свій напрямок , в основному, в горизонтальній площині. Вітродвигун найефективніше працює тоді, коли швидкість вітру направлена перпендикулярно до площини обертання вітроколеса. Тому виникає необхідність заставити вітроколесо слідувати за зміною напрямку вітру. У найпростіших вітродвигунів ручне встановлення на вітер здійснюється або звичайним важелем, закріпленим на поворотній частині вітряка, або за допомогою зубчастої передачі. Автоматичне встановлення на вітер здійснюється чотирма способами : 1) хвостом, що діє як флюгер; 2)  невеликими вітрячками, які називаються віндрозами і діють на поворотну частину вітряка через зубчасту передачу; 3)  розміщенням вітроколеса позаду башти вітряка за принципом встановлення за допомогою хвоста; 4) електромотором .

1. У малопотужних вітродвигунів вітроколесо встановлюється за допомогою першого способу .Рис.98 на стор.182. Коли вітер направлений перпендикулярно вітроколесу 1, на поверхні хвоста не виникає сил, які б відхиляли його в ту чи іншу сторону. Як тільки вітер змінює напрямок 2, на поверхні хвоста виникає бічна сила , яка повертає і його, і головку вітродвигуна навколо вертикальної осі. Цей поворот продовжується доти, поки хвіст не стане паралельно, а площина обертання вітроколеса -перпендикулярно на напрямку вітру . Хвіст – це вертикальна пластина, закріплена на жорсткому довгому стержні . Цей пристрій, що називається стабілізатором, виконує роль флюгера.

2. Віндроза – це два вітрячка, які встановлюються позаду основного вітроколеса , площина обертання яких перпендикулярна площині обертання і N-на напрямку вітру. Рис.114 на стор.195. Як тільки вітер дує під деяким кутом до осі обертання ротора двигуна, починають обертатись віндрози. За допомогою механічної трансмісії, яка є сукупністю конічних і циліндричних (черв’ячних) передач (шестерен), крутильний момент передається на вал повороту в системі орієнтації, і двигун встановлюється так, щоб повздовжня вісь обертання співпадала з напрямком вітру. Віндрози стають паралельно потоку, а вітроколесо – перпендикулярно напрямку вітру. Діаметр віндроз беруть від 0,15 до 0,2 від діаметра вітроколеса . Розміри лопатей такі:: ширина на зовнішньому кінці довжинадіаметр віндроз. Кількість лопатей 4, 6 і більше .

3. Одним із простих способів орієнтації на вітер є встановлення вітроколеса позаду башти , в кормовій частині за вертикальною віссю обертання. Рис.116 на стор.197. Вітроколесо саме встановлюється позаду башти в напрямку вітру, тому що воно відіграє роль флюгера в даному випадку. Недоліком такого пристрою є те, що лопаті, попадаючи в затінення від башти, працюють із змінним навантаженням. Центр тяжіння системи, що повертається, зміщений на одну сторону відносно вертикальної осі, що спричинятиме перенавантаження підшипників в опорах.

4.В потужних двигунах часто використовуються електричні системи регулювання. Який-небудь елемент, наприклад віндроза, передає механічний сигнал на пристрої, які регулюють подачу струму до електродвигуна системи повороту, який і включається в роботу з орієнтації на вітер.

Системи регулювання швидкості обертання є найважливішим елементом керувння процесом одержання енергії. Основна ідея кожної з цих систем полягає в тому , щоб змінити аеродинамічні характеристики лопатей. Якщо, наприклад, змінити кут атаки лопаті, то можна добитись того, щоб колова сила, а отже, і обертальний момент змінювались в широких межах: від свого максимального значення до 0 . Найчастіше використовуються методи, які ґрунтуються на застосуванні допоміжних навантажень, які рухаються під дією відцентрованої сили.