Таким образом, фактическая величина мощности ветродвигателя зависит от коэффициента использования энергии ветра. Мощность ветродвигателя пропорциональна его значению. Это значит, что с увеличением коэффициента использования энергии ветра увеличивается мощность ветродвигателя, и наоборот.
Барабанные, карусельные и роторные ветродвигатели с простейшими лопастями имеют очень низкие коэффициенты использования энергии ветра. Их значения колеблются в широких пределах от 0,06 до 0,18. У крыльчатых же двигателей этот коэффициент находится в пределах от 0,30 до 0,42.
Кроме этого, полезная мощность любого ветродвигателя пропорциональна ещё коэффициенту полезного действия механизма передачи, а также плотности воздуха. Обычно коэффициент полезного действия механизмов современных ветродвигателей равен от 0,8 до 0,9.
Из сказанного о мощности ветродвигателя следует, что при данном ветре тот ветродвигатель будет иметь более высокую мощность, у которого через поверхность, ометаемую крыльями, протекает наибольшее количество воздушного потока, а лопасти ветроколеса имеют хорошо обтекаемый профиль.
4. КАК СОВРЕМЕННЫЕ ВЕТРОДВИГАТЕЛИ БОРЮТСЯ С «КАПРИЗАМИ» ВЕТРА
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 учёный, «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 экс-плоатации их в сельском хозяйстве.
Советские конструкторы создали оригинальные и ещё непревзойдённые по своим качествам быстроходные ветродвигатели мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких тысяч киловатт.
Цельнометаллические ветродвигатели заводского производства, в отличие от рассмотренных деревометалличе-ских ветросиловых установок, имеют специальные устройства для борьбы с «капризами» ветра.
Всем известно, что ветер может менять своё направление и скорость по нескольку раз в сутки.
Простейшие барабанные ветродвигатели имели приёмник энергии ветра, который жёстко, 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 во-время 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 подъёма 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).
Если ветер менял своё 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 трёх 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 своё 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 колёса с диаметрами до 18 метров.
Для поворота на ветер больших ветровых колёс современных быстроходных ветродвигателей применяются другие остроумные устройства. Они при любом ветре аккуратно и плавно выводят ветровое колесо на ветер.
Наиболее распространены устройства, состоящие из двух многолопастных ветровых колёс, 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 своё направление,
Обычно виндрозные 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 произойдёт 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 своё 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 приключённых 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 определённой скоростью начинает частично выходить из-под ветра.
По мере увеличения скорости ветра ветровое колесо поворачивается на всё 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 путём вывода всего ветрового колеса из-под ветра применяется обычно лишь у тихо-
ходных ветродвигателей с небольшими ветровыми колёсами.
Для регулирования оборотов у больших быстроходных ветродвигателей из-под ветра выводят не ветровые колёса, а отдельные крылья или их концевые части, равные или полной длины крыла.