Технические науки 3. Отраслевое машиностроение

Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВЕТРОКОЛЕСА

Эффективность работы ветроэлектрических установок зависит от принципиальной схемы регулирования частоты вращения ветроколеса (ВК).

Рассмотрим ряд принципиально возможных схем регулирования.

Наиболее простой метод ограничения числа оборотов ветроколеса заключается в том, что оно при ветре определённой скорости начинает частично выходить из-под ветра. По мере увеличения скорости ветра колесо поворачивается на всё более значительный угол и при буре встаёт ребром к воздушному потоку и останавливается. При этом поднимается специальный груз или растягиваются особые регулирующие пружины, которые при уменьшении скорости ветра вновь выводят ветроколесо на ветер [1-3].

Регулирование путём вывода из-под ветра обычно применяется у тихоходных ветродвигателей с небольшими ветроколёсами. У больших быстроходных двигателей из-под ветра выводятся не ветроколеса, а отдельные крылья или их концевые части, равные ¼ или ⅓ полной длины крыльев.

Аналогичный принцип использован в регуляторе скорости вращения ВК [4], в котором для повышения точности регулирования применено более чувствительное измерение направления и скорости ветра и поворота головки. В ветродвигателе [5] при скорости ветра выше расчетной включается центробежная муфта, которая связана с мультипликатором и вертикальным валом мешалки, установленной в полости и опоры, заполненной жидкостью. При этом мешалка начинает вращаться и на вертикальном валу, установленном на опоре поворота головки с ВК, вал которого связан с электрогенератором через мультипликатор, возникает реактивный момент, который выводит ВК из-под ветра.

В ветродвигателе [6] его ВК установлено против ветра благодаря своему консольному размещению относительно башни и флюгерному обтекателю.

В ветроэнергетической установке [7] при превышении допустимой скорости ветрового потока ВК вместе с генератором разворачивается в вертикальной плоскости и выходит из зоны прямого воздействия потока. При помощи демпфирующего механизма ВК приводится в первоначальное положение.

Система регулирования угловой скорости ВК [8] предусматривает механизм поворота головки ВК для создания косого обдува ВК.

Широкое распространение получили механические управляющие программы на основе центробежных регуляторов, которые могут устанавливаться как в каждой лопасти ВК, так и внутри общего для всех лопастей блока. Центробежные регуляторы задают постоянные контрольные величины регулируемых параметров. Системы с центробежными регуляторами не требуют внешнего подвода энергии и наличия сложных электронных устройств [9,10].

Более совершенным является регулирование быстроходных ветродвигателей при помощи особых обтекаемых поверхностей – стабилизаторов, которые на стойках прикрепляются к поворотным частям крыльев. Стабилизаторы управляются центробежными грузами, находящимися внутри крыльев. Эти грузы очень чувствительны к изменениям оборотов у ветроколеса, а, следовательно, и скорости ветра. Незначительное перемещение центробежных грузов вызывает поворот стабилизаторов, а затем и поворотных частей крыльев из-под ветра. Число оборотов ветроколеса уменьшается

Изобретатель А.Г. Уфимцев и проф. В.П. Ветчинкин предложили регулирование оборотов у ветроколёс быстроходных двигателей путём вывода из-под ветра крыльев за счет давления на них воздушного потока. При этом регулировании крылья, подобно флюгеру, могут поворачиваться относительно своих осей, свободно пропуская воздушный поток при усилении ветра. При выходе крыльев из-под ветра поднимается груз, соединённый тягами с крыльями ветроколеса. Как только скорость ветра уменьшается, под действием груза вновь становятся на ветер.

Необходимая равномерность оборотов ветроколёс с этим регулированием достигается за счет работы так называемого инерционного аккумулятора, говоря проще, маховика, включаемого в трансмиссию ветродвигателя. Быстро вращаясь, этот маховик поглощает избыток энергии при возрастающей скорости ветра и отдает эту энергию рабочей машине при ослаблении ветра.

У небольших быстроходных ветроколёс поворот крыльев при регулировании осуществляется за счет дополнительных центробежных сил, которые возникают на специальных грузах, жёстко закреплённых у крыльев вблизи вала ветроколеса. Это оригинальное по замыслу регулирование предложено В.С. Шаманиным и отличается очень простым устройством. Махи вместе с крыльями могут свободно поворачиваться во втулке ветроколеса. На некотором расстоянии от оси вращения к махам прикрепляются штанги с грузами на концах. При вращении ветроколеса грузы стремятся совместиться с плоскостью вращения. Но этому противодействует пружина. Вес и положения грузов рассчитывает так, чтобы, начиная с определенных оборотов, усилия, возникающие на них, могли преодолеть противодействие пружины и несколько вывести крылья из рабочего положения. При этом ветроколесо снижает число оборотов. С уменьшением скорости ветра крылья вновь устанавливаются специальной пружиной в рабочее положение [11].

Сущность ветряка с самоустанавливающимися лопастями заключается в том, что лопасти его совершенно свободно сидят на махах и могут совершенно свободно вращаться вокруг геометрической оси маха. Это даёт возможность лопасти под влиянием аэродинамической силы на стабилизаторе устанавливаться, подобно флюгеру, под одним и тем же углом атаки к относительному потоку при различных режимах работы. Рули (стабилизаторы) имеют свои оси вращения. Оси стабилизаторов крепятся на стойках, жёстко соединенных с самой плоскостью. Чтобы лопасть находилась под влиянием только одних аэродинамических сил и всегда устанавливалась по относительному потоку, необходимо исключить силы тяжести и силы инерции. Силы тяжести легко устраняются помещением так называемых компенсирующих грузов G на таком расстоянии от оси маха, чтобы центр тяжести системы находился на оси маха.

Центробежно-аэродинамический регулятор частоты вращения быстроходных ветроколёс требует тщательной и регулярной настройки, так как недостаточно точная установка углов при увеличении скорости ветра может привести к непредусмотренному пуску, разбегу ветроколеса и к поломке конструкции. Усовершенствование этой конструкции произведено в [12].

Представляет интерес ветродвигатель [13], в котором для поддержания постоянной частоты вращения ветроколеса используют лопастное колесо устройства ориентации на ветер, установленное на валу при помощи муфты сцепления .

В ветроколесе [14] имеются полые лопасти, установленные на валу, центробежные грузы, расположенные в полости каждой лопасти. Каждая лопасть выполнена эластичной. В рабочем положении, когда скорость ветра не превышает расчётной (10-15 м/с), лопасть имеет нормальный аэродинамический профиль. При скорости ветра выше расчётной (10-15 м/с) происходит некоторое возрастание скорости вращения ветроколеса, вследствие чего увеличиваются центробежные силы, действующие на центробежные грузы, которые преодолевая сопротивление подпружиненной штанги, движутся в полость лопасти. В этом случае профиль лопасти приобретает повышенное утолщение и изогнутость. По этой причине происходит падение аэродинамического качества лопасти с последующим уменьшением модуля быстроходности. Постоянство частоты вращения обеспечивается поворотом лопастей на углы за счёт взаимодействия стержней грузов с упорами лопастей.

Ротор ветродвигателя [15] cодержит полый вал и установленное на нём рабочее колесо (ветроколесо) с телескопическими лопастями, каждая из которых состоит из подвижной и неподвижной частей, причем подвижные части лопастей связаны при помощи расположенного в полости вала троса с приводным механизмом. Подвижная часть каждой лопасти подпружинена относительно неподвижной пружиной, а приводной механизм выполнен в виде воспринимающей ветер пластины, установленной с возможностью осевого перемещения на валу за ветроколесом. При возникновении ветра колесо начинает вращаться. По мере возрастания ветра частота вращения колеса увеличиваются, возникающие при этом центробежные силы, воздействуя на подвижные части лопастей, заставляют их выдвигаться из своих неподвижных частей, при этом диаметр колеса увеличивается и соответственно растёт вырабатываемая ветродвигателем мощность, используемая потребителем. При чрезмерной величине ветра под действием аэродинамических нагрузок воспринимающая ветер пластина начинает перемещаться вдоль оси полого вала по направлению ветра, преодолевая противодействие пружины и центробежных сил, посредством троса перемещает подвижные части лопастей колеса, втягивая их в соответствующие неподвижные части лопастей. Диаметр колеса уменьшается, и, следовательно, уменьшается развиваемая ветродвигателем мощность, при этом колесо уменьшает свою частоту вращения.

Аэродинамический регулятор частоты вращения ветроколеса [16] содержит установленный в канале каждой лопасти стержень и соединенный с ним подпружиненный плоский клапан, расположенный с тыльной стороны лопасти. Стержень снабжен запорным элементом, расположенным с рабочей стороны лопасти, и установлен с возможностью перемещения в поперечном относительно лопасти направлении. Каждый клапан жёстко соединен со стержнем, а каждая лопасть с рабочей стороны снабжена впускными отверстиями, перекрываемыми запорным элементом, а с тыльной – щелью для прохода клапана и выпускными отверстиями 8.При работе ветроколеса до определенных частот вращения и скорости ветра перепад давления между рабочей и тыльной сторонами лопасти не может преодолеть усилие затяжки запорного элемента и в канале нет движения потока. При увеличении перепада давления и более высокой частоте