Ветряной двигатель с самоповорачивающейся головой

Ветряной двигатель с самоповорачивающейся головой — это тип ветроэнергетической установки, конструкция которой предусматривает автоматическую ориентацию ротора (головы) на направление ветра без использования активных систем управления, как правило, за счёт аэродинамических сил или механических устройств. Данный термин часто применяется к историческим и современным конструкциям ветряных мельниц и ветрогенераторов, где поворот головы осуществляется пассивно, под действием ветра, без участия человека или сервоприводов.

История

Первые ветряные двигатели с самоповорачивающейся головой появились в Европе в Средние века. В классических голландских ветряных мельницах (XVI–XVII века) поворот крыши с валом и лопастями осуществлялся вручную с помощью специального ворота или румпеля, что требовало значительных усилий. Однако уже в XVIII веке в Англии и Германии начали применяться механизмы, позволявшие мельнице автоматически следовать за изменением направления ветра.

Одним из первых изобретателей, предложивших автоматическую систему, был английский инженер Эдмунд Ли (Edmund Lee), который в 1745 году запатентовал «флюгерный» механизм для ветряной мельницы. Его конструкция использовала небольшой вспомогательный ветряк (флюгер), установленный перпендикулярно основному ротору. При отклонении направления ветра вспомогательный ветряк начинал вращаться и через систему шестерён поворачивал голову мельницы, пока основное колесо не становилось перпендикулярно потоку. Это устройство стало прообразом современных систем пассивной ориентации.

В XIX веке, с развитием металлургии и появлением многолопастных ветряков (например, американских «ветряных насосов»), конструкция самоповорачивающейся головы была упрощена. Наиболее известным примером стал ветряной двигатель Даниэля Хэллоуэя (Daniel Halladay), запатентованный в 1854 году. Его установка имела хвостовое оперение (флюгер), которое автоматически поворачивало ротор на ветер. Такие ветряки широко использовались на фермах США для откачки воды и получения электроэнергии вплоть до середины XX века.

В России первые ветряные двигатели с самоповорачивающейся головой появились в конце XIX века. В 1890-х годах инженер Владимир Григорьевич Шухов разработал проект ветроэнергетической установки для Бакинского нефтяного района, однако его конструкция не получила массового распространения из-за развития паровых машин.

Принцип работы

Основной принцип самоповорачивающейся головы заключается в использовании аэродинамических сил, возникающих при обтекании ветром корпуса и хвостового оперения. Конструктивно голову (ротор с лопастями и генератором или рабочим валом) устанавливают на поворотной платформе, которая может вращаться вокруг вертикальной оси. На платформе закреплён хвостовой флюгер — плоская или изогнутая пластина, расположенная за ротором.

При изменении направления ветра поток воздуха давит на флюгер, создавая момент, который поворачивает платформу до тех пор, пока плоскость вращения ротора не станет перпендикулярной направлению ветра. В более сложных конструкциях (например, в мельницах Ли) для поворота используется вспомогательный ветряк, который через редуктор вращает голову.

Типы систем ориентации

1. Флюгерная система — наиболее распространённая в малых ветрогенераторах. Хвостовое оперение жёстко связано с поворотной платформой. При отклонении ветра флюгер создаёт момент, поворачивающий ротор. Недостаток — инерционность и возможность резких колебаний при порывах ветра.
2. Вспомогательный ветряк — используется в исторических мельницах. Маленький ветряк, установленный перпендикулярно основному, при отклонении ветра начинает вращаться и через зубчатую передачу поворачивает голову. Эта система более точна, но сложнее в изготовлении.
3. Гравитационно-аэродинамическая система — применяется в некоторых современных ветрогенераторах малой мощности. Ротор смещён относительно вертикальной оси поворота, и при изменении направления ветра возникает момент, вызванный разностью давлений на лопастях, который поворачивает голову.

Конструктивные особенности

Самоповорачивающаяся голова обычно включает следующие элементы:

• Поворотная платформа — опорный узел, обеспечивающий вращение головы вокруг вертикальной оси. В старых мельницах она представляла собой деревянный или чугунный круг, установленный на катках или подшипниках.
• Хвостовое оперение — аэродинамическая поверхность, создающая момент для ориентации. В современных малых ветрогенераторах его часто выполняют из листового металла или пластика.
• Механизм поворота — может включать зубчатые колёса, редукторы или систему тросов. В простейших конструкциях поворот осуществляется непосредственно за счёт давления ветра на флюгер.
• Ограничители поворота — устройства, предотвращающие перекручивание кабелей (в электрических генераторах) или поломку механизма. Обычно это механические упоры или электрические датчики.

Применение

Ветряные двигатели с самоповорачивающейся головой нашли широкое применение в различных областях:

Ветряные мельницы

До середины XIX века такие установки использовались для помола зерна, откачки воды и привода лесопилок. В Нидерландах, Германии и Великобритании сохранилось множество исторических мельниц, работающих по этому принципу.

Водяные насосы

В засушливых регионах США, Австралии и Южной Африки многолопастные ветряки с флюгерной системой применялись для подъёма воды из скважин. Они были особенно популярны в конце XIX — начале XX века.

Малые ветрогенераторы

Современные ветряные электростанции мощностью от 0,5 до 10 кВт часто оснащаются самоповорачивающейся головой. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость, так как не требует сложных систем управления. Такие генераторы используются для автономного электроснабжения домов, ферм, метеостанций и телекоммуникационных вышек.

Авиационные и морские применения

В некоторых конструкциях ветрогенераторов для морских буёв и навигационных знаков также применяется пассивная ориентация. Однако в условиях сильных ветров и волн предпочтение отдаётся активным системам.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота конструкции и низкая стоимость (отсутствие сервоприводов, датчиков, контроллеров).
• Высокая надёжность — минимум движущихся частей, подверженных износу.
• Автономность — не требуется внешнего питания для ориентации.
• Возможность работы в широком диапазоне направлений ветра.

Недостатки:

• Ограниченная точность ориентации — при резких порывах ветра возможны колебания и потеря мощности.
• Инерционность — большие головы поворачиваются медленно, что снижает эффективность при переменных ветрах.
• Чувствительность к турбулентности — вблизи препятствий (зданий, деревьев) работа может быть нестабильной.
• Ограничение по мощности — для крупных ветрогенераторов (свыше 100 кВт) пассивная система становится неэффективной из-за больших инерционных моментов.

Современные разработки

В настоящее время ветряные двигатели с самоповорачивающейся головой продолжают использоваться в малой ветроэнергетике. В России такие установки производятся рядом компаний, например, «Ветроэнергетика» (Санкт-Петербург) и «Энергия ветра» (Москва). Они применяются в удалённых районах, где отсутствует централизованное электроснабжение.

Ведутся исследования по улучшению аэродинамики хвостового оперения и внедрению гибридных систем, сочетающих пассивную и активную ориентацию. Например, в 2020-х годах в Германии были разработаны прототипы с использованием магнитореологических жидкостей для демпфирования колебаний.

Интересные факты

• Самая старая сохранившаяся ветряная мельница с самоповорачивающейся головой находится в Нидерландах (мельница «De Otter» в Амстердаме, построена в 1631 году).
• В 1920-х годах советский инженер Николай Егорович Жуковский предложил конструкцию ветряка с поворотной головой, основанную на его теории вихревых движений.
• Ветряные двигатели с флюгерной системой до сих пор используются в некоторых регионах Африки и Азии для ирригации, несмотря на развитие солнечных насосов.

Источники

• Б. Б. Коган, «Ветроэнергетика», Москва, Энергоатомиздат, 1985.
• П. А. Молодцов, «Ветряные мельницы: история и современность», Санкт-Петербург, 2003.
• R. L. Hills, «Power from Wind: A History of Windmill Technology», Cambridge University Press, 1996.
• Техническая документация ООО «Ветроэнергетика», 2021.
• Патент США № 4,123,198 (1978) — «Wind turbine with self-orienting head».