Ветер

Первое значительное усовершенствование ветряных мельниц было сделано во второй половине прошлого века. Крылья ветряков стали делать из металла, более узкие и меньших размеров (три — шесть метров длины). Некоторые типы ветродвигателей стали иметь значительно большее число (до шестидесяти четырех) этих узких металлических крыльев (или лопастей), так что они образовали сплошной круг (рис. 15). Благодаря этому ветряки стали работать при слабых ветрах (два с половиной — три метра в секунду).

Рис. 15. Многолопастный ветродвигатель конца прошлого века системы инж. Давыдова.

Был предложен целый ряд различных типов ветродвигателей. По конструкции ветрового колеса и потому, как расположено оно в потоке ветра, их можно разбить на четыре группы: карусельные, барабанные, роторные и крыльчатые.

Устройство двигателей карусельного и барабанного типов ясно видно на рисунке 16.

Рис. 16. Ветродвигатель карусельного (слева) и барабанного (справа) типов.

Часть лопастей (вращающихся против ветра) ветровых колес этих двигателей постоянно закрыта щитом. Из рисунка видно, что ветровое колесо барабанного типа работает, как колесо водяной мельницы, а ветродвигатель карусельного типа, действительно, напоминает ярмарочную карусель.

Колесо роторного ветродвигателя состоит из двух пустотелых полуцилиндров (рис. 17); они закрепляются на вертикальной оси так, что сдвинуты друг относительно друга.

Рис. 17. Роторный ветряк.

Это — металлический цилиндр, разрезанный на две половинки, но так, что одна половинка сдвинута немного вправо, а другая — влево. Благодаря такому расположению полуцилиндров ветер всегда давит на внутреннюю поверхность одного из них, именно того, который находится в данный момент своей внутренней стороной к ветру. В результате возникает постоянное вращение ротора.

Все эти три типа ветродвигателей тихоходны; они ломаются при сильных ветрах, так как имеют большую поверхность вращающихся частей. Коэффициент использования энергии ветра у них очень мал — от десяти до восемнадцати процентов.

Наилучшим типом ветродвигателя является четвертый — крыльчатый, самым древним образцом которого и является обыкновенная ветряная мельница. Усовершенствованием таких ветряков и занимаются сейчас инженеры-конструкторы ветродвигателей.

Крыльчатые ветродвигатели бывают быстроходные — с малым числом лопастей ветрового колеса, и тихоходные — многолопастные.

Лучшие образцы современных крыльчатых ветродвигателей используют до сорока двух процентов голубого угля.

А вот очень интересное использование энергии ветра для движения на воде.

Взгляните на рисунок 18.

Вы видите корабль с двумя высокими трубами. Но это не дымовые трубы, а… двигатели судна!

Рис. 18. Судно с вращающимися трубами.

Цилиндрическая труба этого судна с помощью небольшого моторчика — в пятнадцать лошадиных сил — приводится во вращательное движение. Чтобы лучше понять, что при этом происходит, посмотрите на схему внизу рисунка 18. Когда труба начинает вращаться, она увлекает за собой прилегающий к ней тонкий слой воздуха. Если теперь на вращающуюся трубу подует ветер, то направление движения этого ветра с одной стороны трубы совпадет с движением самой трубы (а значит, и с направлением вызванного вращением трубы ветра), а с другой, наоборот, будет противодействовать движению трубы и вызванному ее движением ветру. Благодаря такому столкновению двух потоков воздуха с одной стороны трубы будет происходить накопление частиц воздуха, и его давление на трубу здесь увеличится.

Судно начинает двигаться! Скорость такого судна может достигать пятнадцати — двадцати километров в час.

Итак, мы видим, что энергия голубого угля может быть использована в самых различных двигателях. Но вот тут-то и приходится вспомнить об основном недостатке энергии ветра — о его непостоянстве.

Ветер — это самая непостоянная стихия. То его нет, а то задует очень сильно. Никогда также нельзя быть уверенным, будет ли дуть ветер еще час, пять часов или несколько дней. Человек не может быть уверен в том, что он сможет использовать ветер в нужное ему время, а не только тогда, когда ветер дует.

Каким же образом решается задача использования ветра в настоящее время?

Долгое время — до начала двадцатого века — строительство новых ветряков было чисто практическим делом. Теории ветряного двигателя не существовало.

Конструкторы «ветряных машин» работали вслепую. Каждый из них полагался только на собственный опыт. Но вот этим делом занялся великий русский ученый Николай Егорович Жуковский. И вскоре в стенах Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), в Москве, им впервые в мире была разработана теория совершенного ветродвигателя.

Искусство строения ветряных двигателей стало наукой! В ЦАГИ, по указанию В. И. Ленина, начались широкие научно-исследовательские работы по освоению дешевой и богатой энергии голубого угля.

Работы ЦАГИ продолжили Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), Всесоюзный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ВИМЭ), Всесоюзный институт сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) и другие научные учреждения нашей страны.

За годы сталинских пятилеток ученики и последователи Жуковского — Сабинин, Ветчинкин, Красовский и другие — создали десятки самых различных типов ветряков, простых, дешевых и удобных в работе.

Советские ветродвигатели

В течение последних десятилетий немало советских изобретателей потрудилось над тем, чтобы построить такой тип ветряного двигателя, который работал бы при любой скорости и при любом направлении ветра. Старались создать такие образцы, которые можно легко делать кустарными средствами или серийным порядком на заводах. Были сконструированы ветродвигатели для самых различных нужд народного хозяйства. Резко увеличилась и мощность ветряков.

Уменьшение веса и увеличение числа лопастей ветрового колеса улучшили работу ветряков. Они стали более легкими на ходу. Благодаря этому современные ветродвигатели приходят в движение уже при ветрах силой в два — два с половиной метра в секунду.

Если ветер опасно усиливается, лопасти колеса ветродвигателя автоматически изменяют свое положение, и тем самым уменьшается число оборотов ветроколеса. Таким путем добиваются довольно постоянного числа оборотов ветровых колес при любых изменениях силы ветра. С помощью ряда других приспособлений, описания которых мы здесь не приводим, в современных ветродвигателях осуществляется полное превращение изменчивой энергии голубого угля, например, в электрический ток постоянного напряжения.

Так, один из последних советских образцов — быстроходный ветродвигатель «ВИМЭ-Д-12», мощностью в десять киловатт, при любой нагрузке и скорости ветра (от трех метров в секунду и выше — до штормовых ветров) дает строго постоянное число оборотов рабочего вала, а значит, и вырабатывает во всё время работы электрический ток одного напряжения.

Установка ветрового колеса на ветер стала осуществляться без помощи человека. Посредством различных приспособлений ветряки всегда держатся строго против ветра.

Мощность современных ветроустановок может быть очень велика. От ветрячков в сто и менее ватт, способных дать электрическую энергию двум небольшим лампочкам, конструкторы ветродвигателей дошли до таких мощных установок, как двигатель в тысячу киловатт. В 1935 году у нас был сконструирован ветряк такой мощности (марка «ЦВЭИ-Д-50», рис. 19).