Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет

К ВОПРОСУ О РАЦИОНАЛЬНОСТИ СИЛОВЫХ СХЕМ И АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЭУ

Инерционные нагрузки на лопасть горизонтально-пропеллерной турбины направлены вдоль лопасти, т.е. наиболее выгодным образом, ступица колеса и опорно-подшипниковые узлы компактны и малогабаритны.

Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой турбины направлены поперек лопасти, наиболее тяжелым образом. Ступица и опорно-подшипниковые узлы имеют большие габариты и массивны. Аэродинамические нагрузки на лопасть вертикально-осевой турбины имеют знакопеременный характер, что обуславливает особые требования к конструкционным материалам, в частности, к их циклической прочности, а система "траверса-лопасть", которая схематически представляется как консольная балка с грузом на конце, имеет заниженные частоты собственных колебаний, близкие к частотам внешних возбуждающих воздействий. Обеспечение надлежащей циклической прочности и рассогласования частот требуют повышения прочности и жесткости траверс и лопастей сверх норм, диктуемых квазистатической прочностью.

Таким образом, вертикально-осевая турбина в меньшей степени удовлетворяет требованиям рациональности силовых схем, чем турбина горизонтально-пропеллерных агрегатов.

Как результат этого, вертикально-осевая турбина оказывается значительно массивнее горизонтально-пропеллерной.

Между тем, пропеллерная лопасть имеет невысокую эффективность, поскольку отдельные ее сечения при вращении оказываются в разных энергетических состояниях, при разных углах атаки, большинство из которых, по-видимому, неоптимальны для любых значений ветров. Кручение профиля лопасти несколько сглаживает эти условия, но не настолько, чтобы они сравнялись с условиями, в которых работает прямая вертикальная лопасть при вращении вокруг вертикальной оси.

Прямая вертикальная лопасть с одинаковым симметричным профилем по длине характеризуется равенством быстроходности по всем сечениям и если одно ее сечение повернуто к ветру на оптимальный угол, то и вся лопасть установлена оптимально.

Это свойство прямой лопасти одинакового профиля, по-видимому, лежит в основе того факта, что вертикально-осевая турбина и при малых быстроходностях реализует коэффициент использования энергии ветра на уровне горизонтально-пропеллерных, хотя для нее есть другие причины потерь, такие как неоптимальность углов атаки в разных азимутальных положениях лопасти на окружности вращения, падение моментов вращения в положениях, когда лопасть движется вдоль ветрового потока и когда она проходит аэродинамическую тень башни.

С целью обеспечения эффективной работы ветродвигателя необходимо постоянно контролировать и регулировать до оптимальной величины угол атаки путем соответствующей ориентации лопастей. В зависимости от названного критерия ветромашины с вертикальной осью вращения могут быть с контролируемым углом атаки с поворотными лопастями и с неконтролируемым углом атаки с подвижными или неподвижными относительно траверс лопастями.

У ветродвигателей с контролируемым углом атаки достижение его оптимального значения производится за счет поворота лопастной системы. Циклическая ориентация лопастей в зависимости от угла поворота и удельной скорости их вращения (коэффициента быстроходности) достаточно трудноосуществима.

Для ветряных двигателей со свободно ориентируемыми лопастями характерным является ориентация последних под действием результирующей сил инерции, центробежных и аэродинамических сил без поворота лопастей по какому-либо жестко заданному закону.

Часть систем ориентации ветромашин указанного вида оснащается механизмами регулирования величины угла атаки, а не поворота лопастей. Такой подход позволяет варьировать мощность и частоту вращения ротора в зависимости от характеристик преобразователя энергии, направления ветра и положения лопастей на траектории движения. Но этот путь также технологически очень сложен.

Часто экономически целесообразно эксплуатировать ветроустановки с нерегламентируемым в определенном оптимальном диапазоне углом атаки элементов ветротурбины. У большинства двигателей этой категории лопасти жестко соединены с маховыми рычагами - траверсами удержания лопастей системы ветротурбины в рабочем положении. Очевидно, что поскольку положение, при котором подъемная сила профиля максимальна, возникает у таких конструкций только при величинах коэффициента быстроходности существенно больших единицы, они самостоятельно не запускаются.

Поворот лопастей пропеллерных установок вводится не столько для поиска оптимальных с точки зрения эффективности углов установки для каждого данного ветра, сколько как средство торможения наряду с обычными фрикционными устройствами и для удержания турбины на предельно возможном числе оборотов во избежания выхода в резонанс.

Устройство для слежения за числом оборотов, поворотные устройства для каждой лопасти и система автоматического регулирования оборотов хорошо известны и отработаны, однако они совместно с механизмами и системами для ориентации турбины на ветер составляют тот перечень усложнений, который, в основном, и приводится в литературе при сравнении пропеллерных турбин, которым присущи эти усложнения, с вертикально-осевыми турбинами.

Между тем, поворот лопастей вертикальной турбины для целей торможения, удержания на предельных оборотах и для поиска оптимальных углов установки (оптимальных шагов винта) имел бы не меньшее значение, чем для пропеллерных турбин, если бы были найдены средства реализации этих поворотов, не ухудшающие эффективность турбины. Поиск таких средств пока в мировой ветроэлектрической практике не увенчался успехом, чему способствует и то обстоятельство, что угол установки прямых массивных лопастей должен непрерывно оптимизироваться не только по фактическому ветру в данный момент времени, но и по положению лопасти относительно направления ветра на всей окружности вращения. Не говоря уже о сложности создания устройства и средств для такой оптимизации, ветроустановка становится зависящей от направления ветра и требует дополнительных усложнений с целью обеспечения поворотов на ветер аналогично горизонтально-пропеллерным турбинам.

По – видимому, регулировка угла установки лопастей вертикальных установок не скоро найдет массовую реализацию, поскольку главным соображением по этому поводу является тот факт, что эффективность вертикально-осевой турбины и без регулировки шага остается на уровне горизонтально-пропеллерных.

Как уже было сказано выше, аэродинамические исследования по оптимизации профиля пропеллерных лопастей показали, что требуемые энергетические характеристики могут быть получены за счет соответствующего профилирования лопасти, без поворотов ее на каждое данное значение ветра. Поэтому, в целях упрощения систем управления, все чаще и чаще переходят к трехпозиционному управлению шагом винта: пусковому, рабочему и флюгерному.

В дальнейшем, в турбинах сравнительно большой мощности, лопасти с оптимальным по эффективности, но не самозапускающимся профилем, жестко закрепляются на втулки при постоянном угле заклинивания, противоразгонная защита обеспечивается поворотом концов лопастей на требуемый угол, а запуск осуществляется от сети кратковременным переводом генератора в режим двигателя.

Таким образом, в пропеллерной схеме турбины намечается тенденция к уходу от каких-либо регулировок шага винта, даже в целях самозапуска, и в этом плане она все более и более сближается с вертикально-осевой турбиной.