Прямое набегание потока.
Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность — отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.
Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей; от однолопастных устройств с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Для снижения изгибающих нагрузок у корня лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших — сервосистемы.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.
Рис. 1. Типы ветроприемных устройств:
а — с горизонтальной осью вращения: 1 — однолопастное ветроколесо; 2 — двухлопастное; 3 — трехлопастное; 4 — многолопастное; 5 — миоголопастное велосипедного типа; 6 — барабанное; 7 — ветроколесо, направленное навстречу потоку; 8— ветроколесо, расположенное по потоку (за башней); 9— ветроколесо с пневматической передачей мощности; 10— парусное крыло; 11 — ветроколесо с диффузором; 12 — ветроколесо с концентратором энергии; 13 — многоветряковое с несколькими ветроколесами;, 14 — ветроколеса встречного вращения; 15 — ротор Савониуса; 16 — ветроколесо, использующее энергию свободных вихрей; б— с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления: 1 — ротор Савониуса; 2 — ротор Савоннуса многолопастный; 3 — ротор пластинчатый; 4 — ротор чашечный; в — с вертикальной осью вращения с использованием подъемной силы: 5 — ротор Дарье 0-образный; 6— ротор Дарье А-образный; 7 — ротор с прямыми крыловыми лопастями (Giromill); 8 — ветротурбина; г — с вертикальной осью вращения комбинированного типа; 9 — роторы Дарье 0-образный и Савониуса; 10 — ротор Савониуса щелевой; 11 — ротор с использованием эффекта Магиуса; 12— с несущими поверхностями; д — с вертикальной осью вращения других типов: 13 — ветроколесо с дефлекторным устройством; 14 — солнечно-ветровое устройство; 15 — ветроколесо с турбиной Вентури; 16 — ветроколесо с вихревым устройством.
Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.
Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями, сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой хорд. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.
Поверхности лопастей обычно состоят из свернутого в рулон паруса, который скользит над трубчатой передней кромкой и тросом и растягивается при натяжении троса. Аэродинамическое качество парусного крыла примерно такое же, как и у обычных жестких лопастей воздушного винта, а масса меньше примерно на 50 %. Размеры парусного крыла ограничиваются допускаемыми напряжениями в материале; его диаметр не превышает 9 м.
Различные типы ветродвигателей с горизонтальной осью вращения выполняют также со встречным вращением ветроколес.
Известны многоветряковые установки, которые монтируются на одной башне с целью снижения доли ее стоимости для ветроустановки с данной мощностью. Применяются входные сужающиеся конусообразные устройства для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо, и снижения степени турбулентности, используются устройства с закручиванием потока около ветроколеса для увеличения его угловой скорости. Из рис. 2 видно, как установленная мощность Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров.
Рис. 2. Типовое семейство ветродвигателей с горизонтальной осью вращения при среднегодовой скорости ветра 7,6 м/с:
1 — на территории, удаленной от побережья; 2 — на побережье (D— диаметр ветроколеса, м).
Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует применения систем ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности, что приводит к потере их эффективности. Они не имеют существенных преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
