Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет

К ВОПРОСУ О ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ ВЕТРОТУРБИН

Среди горизонтально-пропеллерных турбин распространение получили быстроходные (свыше 5 модулей) турбины с числом лопастей менее 4. Они более эффективны, т.е. обеспечивают наиболее высокий коэффициент использования энергии ветра.

Высокая быстроходность предполагает повышенное внимание к динамической устойчивости работы турбины, повышенные требования к прочности, точности изготовления, качеству сборки, к смазке, к балансировке масс.

С этой точки зрения трудно переоценить вертикально-осевую схему, которая обеспечивает турбине значительно более тихоходную работу. Для всех известных экспериментов, проведенных в ЦАГИ, в том числе и для тех, которые были направлены на поиск средств достижения максимально возможного коэффициента использования энергии ветра, быстроходность не превышает 3-х единиц. Значения этого факта станет особенно понятным, если учесть, что все энергетические характеристики вертикально-осевой турбины остаются на уровне горизонтально-пропеллерной.

Снижение быстроходности (в 2 - 3 раза) - это резкое улучшение условий эксплуатации за счет снижения динамичности, упрощение требований к опорно-трансмиссионным узлам, значительное повышение экологических качеств.

Большим бесспорным преимуществом вертикально-осевых ВЭУ является возможность размещения генератора и мультипликатора на фундаменте установки. Благодаря этому преимуществу представляется возможным упростить требования монтажной пригодности к оборудованию (например, устранить ограничения по габаритам и весу), значительно упростить условия монтажа и эксплуатации установки (снизить энергетические уровни вибраций, повысить частоту собственных колебаний установки вцелом и др.).

При размещении оборудования на фундаменте упрощается передача вырабатываемой электроэнергии потребителю.

В горизонтально-пропеллерных ВЭУ избегают вводить угловую передачу крутящего момента к основанию башни и размешают большую часть оборудования в поворотном оголовке башни - в гондоле. При такой компоновке неизбежны, кроме упомянутого ужесточения условий эксплуатации также и усложнения конструкции, связанные с организацией подъема оборудования в верхнее положение. Немало трудностей вызывает и передача с вращающегося вместе с гондолой генератора электроэнергии потребителю. Для того, чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, либо вводить токосъемное устройство, либо отсоединять и раскручивать шину.

Передача крутящего момента на фундамент связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако конструктивные сложности при его введении считаются вполне компенсирующимися преимуществами нижнего размещения оборудования даже в том случае, если вал будет послередукторным, т.е. быстроходным. При доредукторном, тихоходном исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений в установку не вносит.

Здесь необходимо отметить одну особенность работы агрегатов вертикальной и горизонтальной схемы, в соответствии с которой для горизонтальных агрегатов выгоднее именно верхнее размещение оборудования, для вертикальных - нижнее. Речь идет о решении задачи по борьбе с резонансными явлениями в элементах конструкции установок, в частности, в опорной башне. В концептуальном плане решение этой задачи строится для тех и других ветроустановок по-разному, даже прямо противоположно. Дело в том, что горизонтальные установки быстроходны и возбуждаемые их турбинами внешние аэродинамические и другие воздействия на элементы конструкции, в частности на опорную башню, имеют довольно высокую частоту. Для того, чтобы рассогласовать собственную частоту башни с частотами внешних возбуждающих воздействий, необходимо, например, ее поднять выше возбуждающих частот с некоторым запасом безопасности. Тогда опорную башню нужно выполнить с жесткостью, соответствующей повышенной собственной частоте, она становится массивной, значительно более прочной, чем того требуют статические нагрузки. В практике проектирования и эксплуатации горизонтальных установок поступают наоборот. Опорную башню выполняют в соответствии с требованиями статической прочности, т. е. с низкими значениями частот собственных колебаний, например, по первым двум собственным формам. Тогда при запуске агрегата и его выходе на рабочие режимы возможна опасность перехода через собственные частоты, которую устраняют снижением уровней собственных частот башни до значений, меньших тех, которые соответствуют нижней границе диапазона рабочих режимов. В режиме же запуска установка проходит через собственные частоты достаточно быстро, резонансные явления не успевают сформироваться и, как показала практика, переход через собственные частоты не создает аварийных ситуаций. Вся задача заключается в том, чтобы при снижении собственных частот башни не допустить уменьшение ее прочности ниже статической. Решить эту задачу помогает верхнее размещение массивного оборудования, при котором собственные частоты башни резко падают.

Вертикальные установки тихоходны, частоты формируемых ими внешних возбуждающих воздействий имеют более низкие значения. Спроектировать опорную башню с собственными частотами, значения которых были бы ниже низкочастотных внешних воздействий, чаще всего оказывается невозможно. Поэтому для этих установок идут по обратному пути - повышают собственные частоты башни выше уровня внешних частот, чему способствует нижнее размещение оборудования, поскольку размещение больших масс в верхней части башни резко снизило бы ее собственные частоты.

С точки зрения воздействия на окружающую среду различия между горизонтально-осевыми и вертикально-осевыми ВЭУ обуславливаются различием их быстроходностей. Тихоходные, вертикально-осевые ВЭУ более предпочтительны, поскольку у них ниже уровни механических и аэродинамических шумов, ниже вибрации, меньше радиусы разброса обломков в случае аварии и наледей с лопастей и траверс при обледенениях, меньше вероятность гибели птиц и насекомых.

В горизонтально-пропеллерных турбинах удачно используются достижения авиационной техники, в частности, в области проектирования и изготовления лопастей, схем управления углами их установки, проектирования трансмиссий и в других областях. Многие агрегаты этих турбин приобрели типовые конструктивные формы, обеспечены большим объемом экспериментальных данных, методиками аэродинамических расчетов и т. д.

Следовательно, есть все основания полагать, что эти турбины могут быть хорошо отработаны и их надежностям могут быть даны далеко не низкие оценки.

Тем не менее, отработка вертикально-осевых турбин может обеспечить большую надежность и основанием для такого суждения является простота их конструкций, более легкие условия работы трансмиссий, упрощенные условия монтажа и эксплуатации.

При выборе типа ветротурбины необходимо учитывать, что для обеспечения высокого уровня надежности сложного агрегата нужны предприятия-изготовители с соответствующим уровнем культуры производства. Это соображение очень важно и обязательно при оценке вариантов кооперации по отдельным узлам и агрегатам турбины, для более простой конструкции, естественно, круг предприятий, способных участвовать в ее изготовлении, будет значительно шире, что дает возможность использовать преимущества выбора изготовителя.

Учитывая сказанное, трудно предположить, что значительно более простая конструкция вертикально-осевой турбины при сравнении с горизонтально-пропеллерной может оказаться менее надежной.