现代风力涡轮机系统。方案、说明

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目前，有许多具有水平和垂直旋转轴的风力涡轮机系统。它们不仅在外观和设计上有所不同，而且在技术能力上也有所不同，具体取决于它们的使用目的。根据风能接收器的设计及其在气流中的位置，可以区分几种风力发动机系统。

我们已经讨论过转盘式和滚筒式风力涡轮机。所谓的旋转式风力涡轮机也是已知的(图23)。它的叶片像旋转木马风力涡轮机一样在水平面上旋转，并带动垂直轴运动。

现代风力涡轮机系统
图 23。旋转风力涡轮机

叶片式风力发电机现在被广泛使用，其中最古老的类型是普通风车。任何叶片式风力发电机的主要部分是风轮。它由多个叶片组成，在风的影响下旋转。借助安装在风力涡轮机头部的一对锥齿轮（图24），轮子的旋转被转换为垂直轴的更快运动或驱动杆的往复运动。

现代风力涡轮机系统
图 24。叶片风力涡轮机方案

为了将头部和风轮变成风，风车有一个载体，现代小型风力发电机有一个尾部，尾部有垂直的尾翼。大型叶片式风力涡轮机具有其他更复杂的机制，用于自动将风轮与风对齐。为保证风轮的转速不超过最大转速，有专门的速度自动控制装置。

通常，在地球表面，由于各种障碍物，气流不均匀且减弱，因此风轮安装在障碍物上方的高桅杆或塔上。

根据风轮的设计，现代叶片式风力发电机分为高速和低速。

在低速风力涡轮机中，风轮由大量叶片组成（图25）。它很容易移动。因此，低速风力涡轮机可以方便地与活塞泵和其他启动时需要较大初始力的机器一起使用。

现代风力涡轮机系统
图25。现代多叶片风力涡轮机 TB-5，功率高达 2,5 马力

低速风力发电机主要应用于平均风速不超过每秒4,5米的地区。一般来说，多板风力涡轮机的所有机构都比高速风力涡轮机的机构简单一些。然而，低速风力涡轮机的风轮结构相当庞大。对于大尺寸的此类轮子，很难产生必要的稳定性，尤其是在高风速下。因此，目前多叶片风力发电机的风轮直径不超过8米。这样的风力发电机的功率达到6马力。这个电力足以从深达200米的井向地面供水。

高速风力涡轮机的风轮具有不超过四个具有流线型轮廓的机翼（例如，参见图 27）。

现代风力涡轮机系统
图 27。风力涡轮机 1-D-18，功率高达 30 千瓦

这使它们能够很好地抵御强风。即使在强风和阵风的情况下，精心设计的控制机制也能使高速风力涡轮机的风轮均匀旋转。

高速风力涡轮机的这些积极特征使其能够在任何强度的多变风中运行。

因此，可以建造具有非常大的风轮直径的高速风力涡轮机，达到五十米或更长，并产生数百马力的功率。

由于风轮高度稳定的均匀性，高速风力电机被用来驱动各种机器和发电机。现代高速风力涡轮机是通用机器。

通过引入常速的概念，可以方便地比较各种系统的风力发电机组。该速度由每秒8米风速下旋转叶片外端的圆周速度与气流速度之比确定。

转盘式、旋转式和滚筒式风力发动机在工作时叶片沿气流运动，任意一点的速度决不能大于风速。因此，这些类型的风力涡轮机的正常速度将始终小于一（因为分子将小于分母）。

翼式风力机的风轮与风向相反地旋转，因此其机翼端部的运动速度达到很高的值。它可以比气流速度高几倍。叶片越少、外形越好，风轮受到的阻力就越小。这意味着它旋转得越快。现代叶片风力涡轮机的最佳例子具有高达九个单位的正常速度。大多数工厂生产的风力涡轮机的速度为 5-7 台。为了进行比较，我们注意到，即使是最好的农民磨坊的速度也只有 2-3 个单位（从这个意义上说，它们比转盘式、旋转式和鼓式风力发动机更先进）。

随着风轮上叶片数量的增加，其在低风速下移开的能力也会增加。因此，叶片总面积占风轮扫掠面积（见图60）70-20%的多叶片翼式风力发动机，在风速3-3,5米时投入运行每秒。

现代风力涡轮机系统
图 20。龙门磨

叶片数量较少的高速风力涡轮机在风速为每秒 4,5 至 6 米时启动。因此，它们必须在空载或借助特殊装置的帮助下投入运行。

转盘式、旋转式和滚筒式风力涡轮机良好的启动性和简单的设计吸引了许多发明家和设计师，他们认为它们是理想的风力涡轮机。然而实际上，这些机器有许多明显的缺点。这些缺点使得它们即使与活塞泵和毛刺铣床等常见且简单的机器也难以使用。

带有旋转式风能接收器的风力机对气流能量的利用很差，其风能利用系数比叶片式风力机低2-2,5倍。因此，在叶片扫过的表面相等的情况下，叶片式风力涡轮机可产生比转盘式、旋转式和滚筒式风力发电厂大2-2,5倍的功率。

旋转式风力涡轮机目前仅以容量不超过0,5马力的小型手工业装置的形式使用。例如，它们用于驱动畜舍、锻造厂和其他农业生产区域的各种通风装置。

什么决定了风力涡轮机的功率？

我们知道，气流的能量不是恒定的，因此任何风力涡轮机的功率都是可变的。任何风力涡轮机的功率都取决于风速。已确定，当风速增加一倍时，风力发电机机翼上的功率增加8倍，当气流速度增加3倍时，风力发电机的功率增加27倍。

风力涡轮机的功率还取决于风能接收器的大小。在这种情况下，它与风轮或转子叶片扫过的面积成正比。例如，对于叶片式风力涡轮机，叶片扫过的表面将是描述叶片一整圈末端的圆的面积。对于鼓式、转盘式和旋转式风力涡轮机，叶片扫过的表面表示矩形的面积，该矩形的高度等于叶片的长度，宽度等于相对叶片的外边缘之间的距离。

然而，任何风轮或转子仅将穿过叶片扫过的表面的气流的部分能量转换成有用的机械功。这部分能量由风能利用率决定。风能利用系数的值始终小于0,42。对于最好的现代高速风力涡轮机，该系数达到 0,30。对于系列工厂高速和低速风力发电机组，风能利用率通常为0,35-XNUMX；这意味着流过风力涡轮机风轮的气流能量中大约只有三分之一转化为有用功。剩余三分之二的能量仍未使用。

苏联科学家萨比宁经过计算发现，即使是理想的风车，风能利用率也只有0,687。

为什么这个系数不能相等甚至接近XNUMX？

这是因为部分风能消耗在叶片处形成涡流，导致风轮后面的风速下降。

因此，风力发电机的实际功率取决于风能利用率。风力涡轮机的功率与其价值成正比。这意味着，随着风能利用率的提高，风力发电机的功率增大，反之亦然。

滚筒式、旋转式和简单叶片的旋转式风力发电机的风能利用率很低。它们的值相差很大，从 0,06 到 0,18。对于叶片发动机，该系数的范围是 0,30 到 0,42。

此外，任何风力涡轮机的有用功率还与传动机构的效率以及空气密度成正比。通常，现代风力涡轮机机构的效率为 0,8 至 0,9。

从关于风力涡轮机功率的描述可以看出，对于给定的风力，风力涡轮机将具有更高的功率，其中最大量的气流流经机翼扫过的表面，并且叶片风轮的轮廓具有良好的流线型。

作者：Karmishin A.V.

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