Работа ветрогенератора, скорость вращения, углы атаки лопасти, устройство редуктора.

Давайте более подробно рассмотрим работу ветрогенератора и силы действующие на лопасти ветряка представленного в статье Винт ветрогенератора . На первом рисунке показано в каких положениях может находиться лопасть относительно направления ветра и набегающего потока. Стрелками показано направление возникающий подъемной силы ветра, размеры стрелок условно отображают увеличение подъемной силы ветра.

рис 1

Считаем что ветряк крутится со скоростью движения ветра. При такой скорости вращения, набегающий поток параллелен хорде лопасти. Если мы будем нагружать ветряк затормаживая его, он станет крутиться медленнее скорости ветра но угол атаки лопасти вырастет. Угол атаки набегающего потока станет положительным и этим увеличит подъемную силу ветра. Увеличиться и крутящий момент ветрогенератора компенсируя тем самым приложенную к нему нагрузку. Показано на втором рисунке.

рис 2

Но увеличив крутящий момент мы потеряли скорость вращения, а это не желательно. Данная конструкция позволяет нам увеличить угол атаки лопасти не теряя в скорости. Что позволит увеличить крутящий момент не теряя скорости вращения ветряка. Для этого необходимо изначально изменить угол атаки лопасти как показано на третьем рисунке.

рис 3

Для изменения угла атаки необходимо менять скорость вращения лопасти вокруг своей оси. Когда лопасть проходит по фронту или тылу лопасть должна вращаться вокруг своей оси быстрее чем когда она движется по флангам. Меняя скорость вращения лопасти мы добьемся что проходя по фронту и тылу лопасть будет всегда расположена к набегающему потоку с положительным углом атаки. Проходя по флангам лопасть должна замедляться чтобы сохранять нужные нам пропорции вращения. За один оборот ветрогенератора лопасть должна повернуться на пол оборота вокруг своей оси.

Как этого добиться.

Один из способов получения нужных нам траекторий вращения это применение сельсинов. Применяя сельсины мы можем выставлять любые углы в любой момент времени, можем даже повернуть все лопасти параллельно потоку чтобы остановить ветряк, или при желании запустить его в обратную сторону. Но такая система управления будет относительно дорогой, и поэтому лучше остановиться на механическом редукторе, немного изменив существующий.

В статье Винт ветрогенератора на рисунке 6 условно изображено одно плечо ветрогенератора. Для получения нужной нам траектории вращения лопасти необходимо заменить шестеренки на которые указывает цифра 4 на пару других. Давайте подробнее рассмотрим устройство редуктора.

На рисунке представлено условное изображение ветряка, чтобы просто объяснить саму идею. На практике ветряк будет изготовлен сборным разборным. То есть траверсы, держащие лопасть, будут съемными а редуктор будет изготовлен в отдельном корпусе и будет крепиться на траверзе.

Для получения не линейного движения лопасти используем шестеренки со смещенным центром. Работая в паре такие шестеренки обеспечивают не линейное движение. Ведущая шестеренка крутиться с постоянной скоростью а ведомая вращается вокруг своей оси то ускоряясь то притормаживая.

рис 4

На четвертом рисунке условно изображен редуктор в корпусе 7, шестеренки 3 и 4 шестеренки со смещенным центром которые и обеспечивают не линейное движение лопасти. Так как нам необходимо чтобы лопасть в промежутке от положения 1 до положения 5 ускорялась, от положения 5 до положения 9 замедлялась, от положения 9 до положения 13 ускорялась, от положения 13 до положения 1 замедлялась, передаточное число между шестеренками 1 и 2 должно быть 1/2. То есть шестеренка 1 в два раза больше шестеренки 2. Чтобы сохранить необходимую нам закономерность вращения лопасти шестеренки 5 и 6 должны быть одинаковые, передаточное число 1/1.

Увеличив угол атаки лопасти заранее, мы обеспечим конструкции возможность крутиться со скоростью ветра под нагрузкой. Если мы снимем нагрузку с ветряка, он будет пытаться крутиться быстрее скорости ветра, но лопасть в положении 1 не даст ему сделать это. Ветрогенератор всегда будет крутиться со скоростью ветра. Но давайте вернемся к рисунку 2, где ветряк крутиться медленнее ветра. В отличии от классического винта у моей конструкции лопасти могут двигаться по направлению ветра и поэтому она может получать пользу от прямого давления потока. Когда ветрогенератор крутился со скоростью ветра мы не могли получить от лопасти в положении 1 ни какой пользы. Теперь представим что ветряк крутиться в два раза медленнее ветра, лопасть в положении 1 испытывает силу прямого давления ветра и теперь приносит пользу. Как известно мощность это произведение силы на скорость, мы потеряли в скорости, но приобрели дополнительную силу прямого давления потока.

рис 5

На пятом рисунке изображена характеристика идеального коэффициента использования энергии ветра поверхностью, перемещающейся по направлению ветра. Известно что пластина движущаяся по направлению ветра выполняет максимальную работу когда ее скорость в три раза меньше скорости ветра, но даже при скорости 0,5 ветра, судя по графику это солидная прибавка силы давления потока. И если суммарная мощность ветрогенератора вращающегося медленнее скорости ветра останется равной мощности ветрогенератора вращающегося со скоростью ветра, не стоит расстраиваться с какой скоростью крутиться ветряк.