Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (параллельно плоскости вращения)

Включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие двигатели называются крыльчатами.

Vв- скорость ветра,

Vл- скорость элемента лопасти. лопасти,

Vr – скоростьв етра относительно лопасти

Воздушный поток имеющий скорость Vв набегает на лопасть ВК вращая его со скорость Vл.

При взаимодействии потока с лопастью ВК возникает:

-сила сопротивления Fc параллельно Vr набегающего потока

-подъемная сила Fп перпендикулярная Fc (это не означает, что сила направлена вверх)

-завихрение обтекающего лопасти потока (происходит закрутка воздушного потока за лопастью ВК)

- турбулентность потока (хаотич. Возмущение скорости по величине и направлению) как перед ВК так и за ним

- препятстствие для набегающего потока.

Основной вращающей силой в ВЭУ крыльчатого типа является подъемная сила

1. Относительно ветра ВК в рабочем положении может располагаться: перед опорной башней и за опорной башней

При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ВК и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенные шум и флуктуация выходных параметров ветроустановки.

2. Направление ветра может изменяться очень быстро, поэтому ВК должно отслеживать эти изменения скорости.

А) в ВЭУ до 50 кВт изменения скорости ветра отслеживают с помощью хвостового оперения

Б) В ВЭУ больше 50 кВт для этих целей используют электрические серводвигатели

В ВЭУ наиболее напряженным и ответственным узлом являются ВК. Очень большое внимание уделяется разработке наиболее современных аэродинамических форм лопастей, а также выбору материалов для лопастей для их изготовления (легкие композиц. материалы с повышенной прочностью и долговечностью). Для работы ВЭУ в северных условиях наносят напыления, чтобы не было обледенения лопастей.

Для увеличения скорости вращения применяют повышающий редуктор, т.к. иначе большие размеры электрогенератора. Тихоходные генераторы имеют большие размеры, что приводит к утяжелению гондолы. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно на верху опорной башни в поворотной головке. В принципе их удобнее разме­щать внизу, возникающие при этом сложности с передачей крутящего мо­мента обесценивают преимущества такого размещения. Многолопастные ко­леса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, использу­ются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.

Этот тип ВЭУ самый распространенный в мире (около 90% всех функционирующих ВЭУ в мире). Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генерато­ром электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Основные преимущества:

1. Условие обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ВК, а определяются только скоростью ветра.

2. Не требуют устройства для запуска (самозапускающиеся)

3. Возможность изготовления на большую мощность

4. Легкий вес на единицу мощности

Недостатки:

1. Требуется система ориентации на ветер. До 50 кВт - хвостовое оперение, более- электрические сервомоторы.

2. Редуктор - слабое звено, дополнительные затраты

3. Сложность обслуживания: с одной стороны большая высота hб до 100 м и выше, с другой гондола – в ней минимальные габариты и очень малые расстояния между оборудованием.

4. Редуктор и генератор наверху, т. к. сложные передачи крутящего момента вниз

Быстроходность : Z= ωR/V, где

ω- окружная скорость конца лопастей

R – радиус ВК

V- скорость ветра

Крыльчатые – хорошее решение для малых размеров и мощностей.

В крупных агрегатах возникает сложность управления - ориентация на ветер. Большие лопасти - разное давление в разных точках, т.к скорость ветра по высоте меняется