В дореволюционной России не было промышленности, производящей ветродвигатели; они строились лишь кустарным способом. Но мысль о способе наилучшего, наивыгоднейшего использования энергии ветра зародилась в России.

Великий русский ученый, "отец русской авиации", профессор Н. Е. Жуковский (1847-1921) создал также теоретические основы ветродвигателя. Его замечательные труды только при советской власти нашли практическое применение.

По инициативе Н. Е. Жуковского и при поддержке В. И. Ленина в 1918 году был организован в Москве Центральный аэро-гидродинамический институт (ЦАГИ). Здесь и были построены первые отечественные быстроходные ветродвигатели.

На основе трудов проф. Н. Е. Жуковского его ученики проф. В. П. Ветчинкин (1888-1950), заслуженный деятель науки и техники проф. Г. X. Сабинин и проф. Н. В. Красовский разработали теоретические основы конструирования высококачественных современных ветродвигателей, а проф. Е. М. Фатеев разработал основы правильной эксплуатации их в сельском хозяйстве.

Советские конструкторы создали оригинальные и еще непревзойденные по своим качествам быстроходные ветродвигатели мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких тысяч киловатт.

Цельнометаллические ветродвигатели заводского производства, в отличие от рассмотренных деревометаллических ветросиловых установок, имеют специальные устройства для борьбы с "капризами" ветра.

Всем известно, что ветер может менять свое направление и скорость по нескольку раз в сутки.

Простейшие барабанные ветродвигатели имели прием" ник энергии ветра, который жестко, раз навсегда устанавливался в каком-либо одном положении. Карусельные и роторные ветродвигатели работоспособны при любом направлении ветра, но они, как и ветродвигатели барабанного типа, не защищены от возможных разрушений при сильном ветре. Простейшая ветряная мельница может нормально работать только в присутствии человека. Человек должен следить за ветром и вовремя устанавливать ветровое колесо в нужное положение. Если ветряная мельница большая, то для установа колеса на ветер необходимо не менее двух человек, если она не имеет специального ворота (простейшей машины для подъема груза). При дальнейшем развитии техники строительства ветродвигателей стали стремиться использовать силу ветра не только для вращения ветрового колеса, но и для автоматической его установки против ветра, как это можно видеть у обычного флюгера, показывающего направление ветра. Для этого к задней части поворотной головки стали прикреплять хвост, состоящий из длинного штока или специальной фермы с поверхностью на конце, которую называют оперением хвоста (см. рис. 24).

Рис.24. Схема крыльчатого ветродвигателя

Если ветер менял свое направление, хвост автоматически поворачивал головку. Ветровое колесо вновь устанавливалось в лоб к ветру. Так появилось простейшее устройство для поворота ветрового колеса на ветер без вмешательства человека. У современных ветродвигателей хвосты рассчитываются так, чтобы они начинали поворачивать головку с ветровым колесом на ветер, когда его направление изменится на угол около 10 градусов.

Для поворота головок больших ветродвигателей иногда делают оперение хвоста в виде двух или трех вертикальных поверхностей, поставленных параллельно на некотором расстоянии друг от друга (см. рис. 27).

У других систем ветродвигателей роль хвоста выполняет само ветровое колесо. Оно устанавливает себя против ветра, как только ветер меняет свое направление. Для этого ветровое колесо помещается не впереди башни, а за башней. В этом случае колесо, как флюгер, автоматически следует за ветром.

При больших размерах ветрового колеса резкие повороты хвостом могут вызвать поломку крыльев. Поэтому при помощи хвостов обычно устанавливают на ветер только небольшие ветровые колеса с диаметрами до 18 метров.

Наиболее распространены устройства, состоящие из двух многолопастных ветровых колес, помещающихся на задней части фермы головки. Такие устройства называются виндрозами. Виндрозы расположены так, что если ветер дует в лоб рабочему колесу, они оказываются расположенными ребром к направлению ветра и стоят неподвижно. Когда же ветер дует сбоку, виндрозы приходят в движение и передаточным механизмом поворачивают головку с ветровым колесом на ветер до тех пор, пока оно не станет строго против ветра (рис. 26). В это время виндрозы вновь расположатся ребром к ветру и остановятся, пока ветер снова не изменит свое направление.

Рис.26. Схема поворота головки ветродвигателя на ветер при помощи виндроз

Для поворота на ветер больших ветровых колес современных быстроходных ветродвигателей применяются другие остроумные устройства. Они при любом ветре аккуратно и плавно выводят ветровое колесо на ветер.

Обычно внндрозные механизмы поворачивают головку относительно башни с очень небольшой скоростью один полный оборот за несколько минут.

У крупных ветродвигателей головка устанавливается на ветер при помощи электромотора, управляемого небольшим флюгером. При изменении направления ветра флюгер поворачивается и замыкает электрическую линию, включая автоматически электромотор.

Электромотор остановится лишь при разъединении линии. А это произойдет тогда, когда флюгер расположится вдоль воздушного потока, а ветровое колесо - в лоб к ветру.

Таковы основные устройства у современных ветродвигателей для автоматического поворота ветрового колеса на ветер.

Однако ветер может менять не только свое направление, но и скорость. Следовательно, меняется и сила давления на ветровое колесо. С увеличением скорости ветра увеличивается число оборотов ветрового колеса. Они могут достигнуть больших значений. Это опасно не только для прочности колеса, но и для всей установки и приключенных к ней машин.

Чтобы избежать этого, современные ветродвигатели снабжаются специальными устройствами, которые вступают в действие при большой скорости ветра. Они следят за тем, чтобы при дальнейшем усилении ветра число оборотов ветрового колеса не увеличивалось, а в случае бури останавливалось.

Наиболее простой метод ограничения оборотов у ветрового колеса заключается в том, что оно при ветре с определенной скоростью начинает частично выходить из-под ветра.

По мере увеличения скорости ветра ветровое колесо поворачивается на все более значительный угол, а при буре располагается ребром к воздушному потоку и останавливается. При этом растягиваются регулирующие пружины или поднимается специальный груз, которые при уменьшении скорости ветра вновь выводят ветровое колесо на ветер.

Регулирование оборотов путем вывода всего ветрового колеса из-под ветра применяется обычно лишь у тихоходных ветродвигателей с небольшими ветровыми колесами.

Для регулирования оборотов у больших быстроходных ветродвигателей из-под ветра выводят не ветровые колеса, а отдельные крылья или их концевые части, равные 1/4 или 1/8 полной длины крыла.

В настоящее время наиболее совершенным является регулирование быстроходных ветродвигателей при помощи особых обтекаемых поверхностей - стабилизаторов, которые на стойках прикрепляются к поворотным частям крыльев. Стабилизаторы управляются центробежными грузами, находящимися внутри крыльев. Грузы очень чувствительны к изменениям оборотов у ветрового колеса, а следовательно, и к скорости ветра. Незначительное перемещение центробежных грузов вызывает поворот стабилизаторов, на которых при этом возникает сила от встречного ветра, поворачивающая концы лопастей подобно тому, как маленький руль поворачивает большую лодку. При выходе поворотных частей крыльев из-под ветра число оборотов ветрового колеса уменьшается.

Это оригинальное регулирование разработано советскими учеными и конструкторами под руководством заслуженного деятеля науки и техники проф. Г. X. Сабинина и проф. Н. В. Красовского. Оно применяется у большинства современных быстроходных ветродвигателей мощностью от 10 до 1000 киловатт.

Изобретатель А. Г. Уфимцев и проф. В. П. Ветчинкин предложили регулирование оборотов у ветровых колес быстроходных ветродвигателей путем вывода из-под ветра крыльев за счет давления на них воздушного потока. При сильном ветре крылья, как флюгеры, могут поворачиваться относительно осей махов, свободно пропуская воздушный поток. Необходимая равномерность оборота ветроколеса с этим регулированием достигается за счет работы так называемого инерционного аккумулятора, говоря проще, маховика, включаемого в трансмиссию. Быстро вращаясь, диск аккумулятора поглощает избыток энергии при возрастании скорости ветра и отдает эту энергию рабочим машинам при снижении скорости ветра. Такое регулирование установлено, например, у ветродвигателей 1-Д-18 системы Уфимцева-Ветчинкина (рис. 27).

Рис.27. Ветродвигатель 1-Д-18 мощностью до 30 киловатт.

У небольших быстроходных ветродвигателей поворот крыльев осуществляется за счет дополнительных центробежных сил, которые возникают на специальных грузах, закрепленных у крыльев вблизи вала ветроколеса.

Это простейшее по выполнению и весьма оригинальное по замыслу устройство было предложено лауреатом В. С. Шаманиным.

Таковы основные автоматические механизмы современных крыльчатых ветродвигателей, при помощи которых ветровые колеса устанавливаются на ветер и удерживают заданные обороты при больших его скоростях.

Автор: Кармишин А.В.