Относительный момент

, равный

 

  зависит от быстроходности ветроколеса (рис. 5 ). У тихоходных максимальное значение

 совпадает с начальным моментом , у быстроходных, напротив, номинальное значение , соответствующее x_макс , в несколько раз больше .

  К изучению физических явлений при прохождении воздушного потока через ветроколесо применяют теорию крыла и воздушного винта самолёта. Теоретические основы расчёта ветроколеса были заложены в 1914—22 русским учёным Н. Е. Жуковским . Кроме того, он доказал, что x идеального ветроколеса равен 0,593. Его ученики В. П. Ветчинкин, Г. Х. Сабинин, а также др. советские учёные развили теорию ветроколеса, разработали методы расчёта аэродинамических характеристик и систем регулирования В.

  Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых В.: или с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным механизмом (рис. 6 , а), или с расположением всех узлов в головке В. (рис. 6 , б). Головку монтируют на поворотной опоре башни, и при изменении направления ветра она поворачивается относительно вертикальной оси. Высота башни определяется диаметром ветроколеса и высотой препятствий, мешающих свободному прохождению воздушного потока к В. Для работы с более тихоходными исполнительными машинами используют обычно многолопастные В., а для агрегатирования с генераторами, центробежными насосами и др. быстроходными машинами — двух-, трёхлопастные В. Кроме механического привода, применяют также электрический, пневматический, гидравлический и смешанный приводы. Ориентация ветроколеса по направлению ветра у В. осуществляется автоматически хвостовым оперением, поворотными ветрячками (см. Виндроза ) или расположением В. за башней (самоориентация).

  Так как мощность В. пропорциональна кубу скорости ветра, то в реальных условиях эксплуатации необходимо ограничение мощности при v > v_p и регулирование частоты вращения ветроколеса. Действие различных систем автоматического регулирования основано на изменении аэродинамических характеристик лопасти или всего ветроколеса в соответствии с действующей скоростью ветра, частотой вращения ветроколеса и значением нагрузки. До определённых расчётных значений скорости ветра v_p система регулирования в действие не вступает и В. работает с переменной мощностью. При скоростях, больших v_p , с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной. В районах со среднегодовыми скоростями ветра

 4—5 м/сек v_p обычно принимается 7—9 м/сек, при  6—7 м/сек — 10—12 м/сек, а при , более 7 м/сек — 13—14 м/сек. В табл. 1 приведены мощности, которые может развить В. при x = 0,35 и v_p = 8 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса 2—12 м ) и v_p = 10 м/сек (для В. с диаметром ветроколеса более 12 м ).

  Табл. 1. — Мощность на ветроколесе

Диаметр	Мощность на ветроколесе, квт, при скоростях ветра, м/сек
ветроколеса, м	4	5	6	7	8	9	10 и более
2 4 8 10 12 18 30	0,042 0,17 0,69 1,08 1,55 3,48 9,6	0,083 0,33 1,34 2,1 3,03 6,6 18,9	0,145 0,58 2,32 3,63 5,25 11,8 32,6	0,23 0,92 3,7 5,75 8,25 18,6 51,6	0,345 1,38 5,5 8,6 12,4 27,8 77,3	0,345 1,38 5,5 8,6 12,4 39,5 110,0	0,345 1,38 5,5 8,6 12,4 54,6 151,1

  В тихоходных В. получили наибольшее распространение системы автоматического регулирования путём вывода ветроколеса из-под ветра давлением, создаваемым воздушным потоком на дополнительные поверхности — боковые планы (рис. 6 , б), или давлением на ветроколесо, ось вращения которого смещена (эксцентрично расположена) относительно вертикальной оси поворота головки. В исходное положение ветроколесо возвращается усилием пружины. Принудительная остановка В. производится установленной на башне лебёдкой через систему тросов, натяжением которых выводят ветроколесо из-под ветра. Система регулирования с боковым планом применена в отечественном В. ТВ-8, «Буран» и во многих зарубежных; система регулирования при эксцентричном расположении ветроколеса применена в отечественных В. ТВМ-3, ТВ-5 и в ряде В., выпускаемых в США, Великобритании, Австралии и др. странах.

  В большинстве быстроходных В. регулирование осуществляется поворотом лопасти или её концевой части относительно продольной оси. Быстроходный В., разработанный А. Г. Уфимцевым и В. П. Ветчинкиным, регулирует частоту вращения своего ветроколеса поворотом лопасти ребром к потоку вследствие комбинированного действия на неё давления воздушного потока и момента её центробежных сил. В СССР такие В. имеют диаметр ветроколеса 10, 12, 18 м, мощность от 7,4 до 29,5 квт и применяются обычно как первичные двигатели ветроэлектрических станций. У В. относительно небольшой мощности (до 5 квт ) лопасти при регулировании поворачиваются в сторону увеличения угла установки j центробежными силами, развиваемыми лопастями и установленными на них грузами (метод В. С. Шаманина), или регулирование осуществляется поворотом лопастей в сторону уменьшения угла j под действием центробежных сил лопастей и грузов регулятора. Этот метод (Е. М. Фатеева и Г. А. Печковского) применен в В. ВБЛ-3, ВЭ-2М, «Беркут» (рис. 7 ) и др. Для более мощных В. применяют стабилизаторное регулирование (метод Г. Х. Сабинина и Н. В. Красовского), выполняемое обычно концевой частью лопасти, которая поворачивается относительно оси под действием сил, возникающих на стабилизаторе. Он управляется центробежным регулятором. Вследствие высокой равномерности вращения таких В. их применяют для работы с электрическими генераторами (В. Д-12, Д-18 и Д-30). В. «Сокол» с электрической трансмиссией имеет комбинированное моментно-центробежное регулирование (метод Я. И. Шефтера), основанное на изменении подъёмной силы лопасти при её повороте относительно продольной оси в сторону уменьшения или увеличения угла установки под действием движущего момента на ветроколесе. Для предохранения В. от разноса при малых значениях момента нагрузки имеется центробежный регулятор, также управляющий поворотом лопастей. Такой В. может работать изолированно и параллельно с др. агрегатами или электрической сетью. В некоторых В. применяют регуляторы в виде тормозных открылков, торцевых клапанов и др. устройств, уменьшающих аэродинамический момент. У В. «Allgaier» (ФРГ) поворот лопастей осуществляется механогидравлической системой; при очень большой частоте вращения В. автоматически останавливается.

  В табл. 2 приведена годовая выработка энергии на валу ветроколеса при

 = 0,35 в зависимости от среднегодовой скорости ветра v_r , диаметра ветроколеса D и максимально возможного числа часов работы Т_раб В. в году.