Быстроходные горизонтально-осевые ветроустановки

Ветровая установкаВ настоящее время наибольшее распространение находят быстроходные ветровые установки, лопасти которых имеют аэродинамический профиль с аэродинамическим качеством К = 10 … 15. Традиционно быстроходные ветровые установки имеют двух или трехлопастной ветроколесо. Причем лидирующие в мировой ветроэнергетике датские фирмы предпочитают трехлопастным ветроколеса, которые, как показывает опыт, устойчивее работают при косом обдуве воздушным потоком. С другой стороны, быстроходные ветровые установки мегаваттного класса, которые производятся в США, ФРГ, Швеции, имеют, как правило, двухлопастные ветроколеса. Выбор числа лопастей важен, поскольку их стоимость достигает 30 … 40% от стоимости всего ветроагрегата. Лопасти выполняют из легких прочных материалов: прессованный алюминий, углепластик, стеклопластик, фибергласс, прессованная фанера и т.д. К лопастей предъявляются высокие требования по прочности, качества поверхности, устойчивости к обледенению и перепадам температур. В Украине в Институте электродинамики и Института возобновляемой энергетики НАН Украины накоплен опыт по использованию в качестве ветрового колеса (ВК) вертолетных лопастей от вертолетов МИ-2, МИ-8, МИ-24. Использование цилиндров А. Флеттнера, вращающихся как лопасти, подтвердило работоспособность такого рода ВК, однако они не нашли распространения через дополнительные гироскопические моменты, нагружающие цилиндры при их одновременном вращении по нескольким осей (вращение оси цилиндра, оси ВК, оси поворота головки) . Как показал опыт, горизонтально-осевые ВК с цилиндрами, вращающимися имеют быстроходность ниже средней и относительно невысокий КВЕВ.

В восьмидесятые годы стала известной ВУ Вагнера мощностью 250 кВт, образована однолопастным ВК с противовесом. Ось вращения ВК установлена под углом около 500 к горизонту, а 25-метровая лопасть установлена под углом 450 к валу ВК. Противовес связан с лопастью стяжкой. Преимущество такой ВУ заключается в отсутствии высокой несущей опоры. ВК, установленное на баржи заякореной в Северном море, доказало свою работоспособность, однако подробные данные о результатах испытаний отсутствуют. К недостаткам данного ВК можно отнести тот факт, что лопасть при вращении испытывает знакопеременные и пульсирующие нагрузки. Кроме того, площадь поверхности обмаха в несколько раз меньше, чем в ветроколеса с той же лопастью, будь последняя установлена под малым углом конусности.

Быстроходные горизонтально-осевые ВУ обладают следующими преимуществами, благодаря которым именно этот тип ВУ находит наибольшее распространение:
а) высокое по сравнению с тихоходными ВК значение КВЕВ (до 0,5);
б) высокое значение номинальной быстроходности (Z = 6 … 10), что позволяет избежать применения громоздких мультипликаторов, когда, как нагрузка, служат электрогенераторы или компрессоры;
в) из всех типов ВУ быстроходные ВУ имеют наилучшие технико-экономические показатели: удельная стоимость 1 кВт-а установленной мощности = 1000 долл. / кВт, удельный металлоемкость — достигает до 100 кг / кВт;
г) малое число лопастей и низкие значения коэффициентов заполнения поверхности обмаха позволяют существенно уменьшить парусность ВК и повысить его устойчивость при сильном ветре;
д) отсутствие резкого пика кривой позволяет быстроходном ВК работать с высоким КВЕВ в широком диапазоне быстроходности Z, поскольку в условиях непостоянства скорости ветра величина Z постоянно меняется;
е) малое число лопастей делает целесообразным осуществление ограничения скорости ВК и его остановку поворотом лопастей, поскольку при этом ступица не очень значительно усложняется (по сравнению с тихоходными ВК).

Вышеперечисленные преимущества быстроходных горизонтально-осевых ВУ делают их наиболее конкурентоспособными по сравнению с другими типами ВУ и позволяют создавать ВУ большой мощности (до 4 МВт) с диаметром ВК до 122 м. Быстроходные ВУ имеют наиболее высокие технико-экономические показатели: стоимость 1 кВт- а установленной мощности — 800 … 1000 дол., удельная материалоемкость (без фундамента) — 150 … 200 кг / кв. Наиболее широко распространена концепция быстроходной горизонтально-осевой ветроустановки представляется следующим образом.

Общая компоновка

ВК, образованное из 2-х или 3-х поворотных лопастей, установленное в возвратной гондоле на трубчатой опоре. По отношению к направлению ветра ВК расположен перед опорой (башней), а в случае использования опоры из ферм может располагаться за башней, что объясняется влиянием аэродинамической тени башни на то, как работает ветроколесо. Поворотная головка установлена на высоте которая, как правило, превышает диаметр ветроколеса.

Лопасти

Лопасти является наиболее сложным и дорогостоящим элементом ВУ, в Украине до последнего времени не налажен выпуск лопастей для ВУ мощностью в диапазоне 2 … 100 кВт. За рубежом проектированием и изготовлением лопастей занимаются наиболее развитые фирмы: авиационные (Boeing), аэрокосмические, судостроительные. Сложность изготовления лопасти для быстроходной ВУ объясняется высокими требованиями, предъявляемыми лопасти: высокая прочность на разрыв и изгиб, легкость, способность работать в широком диапазоне температур (-50оС … +60 оС), устойчивость к обледенению, точность формы профиля лопасти, низкая шероховатость поверхности и т.д. Кроме того, оптимальная лопасть имеет сложную геометрию: продольную винтовую крутку, переменную хорду профиля вдоль длины, обтекаемые торцы лопастей и т.д. Указанным требованиям в наибольшей степени соответствуют лопасти, выполненные из композитных материалов, стеклопластиков, углепластика, прессованного алюминия и т.д. Как упоминалось выше, в Украине накоплен положительный опыт по использованию вертолетных лопастей. В ИЭД и ИВЭ НАН Украины разработаны ВК на базе вертолетных лопастей с профилем NACA-230 мощностью от 2 до 100 кВт. Кривая 2 почти соответствует аэродинамической характеристике 6-ти лопастного агрегата ВЭД-15, в котором использованы лопасти от вертолета МИ-2.

Силовая трансмиссия

Силовая трансмиссия образована валом ветроколеса, установленным в подшипниках, второй конец вала через упругую (или другую) муфту соединен с тихоходным валом мультипликатора, для чего могут использоваться редукторы судов, наземного транспорта, редукторы, кранов и др.., Удовлетворяющие требованиям по передаточному отношению, крутящему моменту, скорости вращения, условиям смазки и т.д. Быстроходный вал мультипликатора через упругую муфту связан с нагрузкой, в качестве которой обычно используется электрогенератор (или компрессор). ВУ содержит тормозное устройство (ленточный, дисковый или колодочный), размещенный чаще на быстроходном валу мультипликатора (или на втором выходном конце вала электрогенератора). Тормозное устройство должно обеспечивать плавное торможение ветроколеса без перегрузок по моменту, что может достигаться включением в состав тормоза упругой звена (пружины) или дросселя при использовании гидравлического привода в тормозном устройстве.

За рубежом в ВУ, серийно выпускаемых используют совместную компоновку вала ветроколеса, мультипликатора и тормоза в одном литом корпусе, что позволяет существенно снизить габариты привода и гондолы в целом. Электрогенератор фланцевого исполнения в этом случае жестко крепится к литому корпусу. Для уменьшения перегрузок по моменту, при торможении больших ВК часто применяют совместно с торможением вала ветроколеса аэродинамический торможения поворотом лопасти или поворотом ее конечной части или тормозным аэродинамическим щитком. Как следует из анализа современных конструкций мультипликатора, лучше всего подходит планетарный мультипликатор, который удобен при компоновке привода за счет соосности входного и выходного валов, компактности и высокого КПД.

Механизмы ориентации ветроколеса на ветер

Для ориентации ВК на ветер обычно используют поворот головки ВУ относительно несущей опоры, для чего применяют опорный (крановый или специально изготовленный) подшипник, установленный между головкой и несущей опорой. ВУ малой мощности (0,1-1 кВт) ориентируется на ветер, как правило, с помощью хвоста (флюгерную оперение на консольном вылете). ВУ большей мощности используют для поворота гондолы на ветер виндрозний червячный механизм с дополнительными одним или двумя маленькими ветроколеса. Когда мощность ВУ достигает 100 и более кВт, то обычно используется электропривод (мотор-редуктор) с большим передаточным отношением, обеспечивающим низкую угловую скорость поворота гондолы с тем, чтобы снизить величину гироскопического момента, возникающего на лопастях ветроколеса. При этом исполнительный электродвигатель электрически связан с датчиком направления ветра, который устанавливается на головке ВУ и представляет собой анеморумбограф с собственным хвостовым оперением. Представляет интерес способ ориентации на ветер за счет собственной парусности ветроколеса, при его расположении относительно направления ветра, за башней. В этом случае отпадает необходимость в механизме ориентации, но необходимый демпфер крутильных колебаний поворотной головки. Демпфер может быть выполнен в виде мешалки, помещенной в бак с жидкостью, и связанной с креплением через повышающую передачу. Для ВУ малой мощности как хвост можно использовать пусковой ротор Савониуса, жестко связан с ВК. Диаметр ротора Савониуса в этом случае выбирается расчетным путем так, чтобы ни ротор, ни ВК при работе не входили в режим вентилятора.

Предохранительные устройства и регуляторы горизонтально-осевых ветроустановок. Предохранительные устройства и регуляторы ВУ предназначены для ограничения центробежных сил, моментов и сил лобового давления, действующих на ВК, для ограничения нагрузок от гироскопических моментов и стабилизации частоты вращения ВК с целью получения качественной электроэнергии, когда в качестве нагрузки используется электрогенератор.Ограничение центробежных сил достигается стабилизацией частоты вращения ВК путем сброса избыточной мощности и снижение крутящего момента на ВК. Для этого используется целый ряд приемов, которые заключаются в:

- Аэродинамическом притормаживании ВК поворотом лопастей, их конечных элементов или тормозных аэродинамических щитков с помощью центробежных регуляторов или управляемых с помощью микропроцессоров электрических и электрогидравлических приводов поворота лопастей, щитков и т.д.;

- Торможении регулирующим моментом нагрузки, например, включением дополнительной нагрузки или изменением отдельных параметров нагрузки, например, гидродинамическое торможения мешалкой теплового бака;

- Торможении отводом ВК из-под ветра в вертикальной или горизонтальной плоскости;

- Торможении силами Кориолиса, возникающих при радиальном течении воздуха в полостях лопастей, вследствие чего ВК переходит в режим центробежного пневматического насоса.

Наибольшее распространение находит регулирования ВУ с помощью поворота лопастей. В малых ВУ поворот лопасти осуществляется механическим центробежным регулятором, грузы которого могут располагаться как на махах лопастей, так и на рычагах центробежного маятника. В ВУ большой мощности используется гидроэлектропривод. Поворот лопасти вокруг своей продольной оси может осуществляться переводом профиля лопасти как в флюгерное, так и в антифлюгерное положения (когда задняя кромка лопасти движется по ветру или, соответственно, против ветра). Антифлюгерное регулирования считается более оптимальным через высокое быстродействие и повышенную устойчивость лопасти до знакопеременных аэродинамических нагрузок. Ограничение частоты вращения ВК, что достигается таким образом, обеспечивает сброс избыточной мощности при чрезмерных скоростях ветра, а также препятствует росту крутящего момента и лобового давления на ВК. Для ограничения гироскопических моментов, возникающих при ориентации ВК, применяют медленный поворот головки приводом ориентации или установку демпфера крутильных колебаний головки.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>