Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

к.т.н. Абдикаиров А., к.т.н. Сарбасов Д.Д.

Казахский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, Казахстан

Теоретические предпосылки расчета

механизма вывода ветроколеса из-под ветра

Широкое применение в многолопастных ветродвигателях получила система регулирования – вывод ветроколеса (ВК) из-под ветра, которое является наиболее простым, т.к. многолопастные ВК имеют высокое лобовое давление и применение другого типа регулирования приводит к удорожанию и усложнению конструкции крепления лопасти. Рассмотрим обобщенную структурную модель (рисунок 1) ветроэлектрической установки (ВЭУ) с устройством защиты от ураганных ветров (УЗУВ).

Рисунок 1 – Обобщенная структурная модель ВЭУ с УЗУВ

Входными параметрами системы, определяющими условия функционирования ВЭУ, являются скорость ветра, плотность воздуха, температура и атмосферное давление. Количественными параметрами структурных элементов – их геометрические формы, размеры и массы. Выходным показателем модели – выработка электрической энергии.

Подсистема «Условия функционирования» описывается множеством:

Ф = {v_мак, T, P}, (1)

где v_мак – множество значений скоростей ветра; Т – множество значений температуры воздуха; Р – множество значений атмосферного давления.

Подсистема «Ветроэлектрическая установка» характеризуется множеством:

ВЭУ = {Н, С}, (2)

где Н – множество значений надежности выработки электроэнергии, С – множество значений срока службы.

Подсистема «Устройство защиты от ураганных ветров» состоит из ветроколеса, ветряной лопаты (ВЛ), уравновешивающего устройства (УУ) – противовеса, поворотной головки (ПГ) с опорой вращения.

Ветроколесо. Входными величинами являются характеристики ветра (скорость, превышающая номинальное значение, порывы ветра) и плотность воздуха, которая в свою очередь зависит от температуры и атмосферного давления. Количественные показатели на выходе – диаметр ВК, максимальная частота вращения (ω_ВК), число лопастей, лобовое давление на ВК (В_ВК), угол отклонения, распределение моментов при отклонении ВК, касательные силы. Качественные показатели – изменение коэффициента использования энергии ветра (ξ) и момента на валу ВК (М_ветр).

Ветряная лопата. Количественная характеристика этого элемента – лобовое давление ветра на поверхность, площадь поверхности, длина вылета. Качественные показатели – коэффициент сопротивления.

Уравновешивающее устройство – противовес. Количественная характеристика этого элемента – сила тяжести противовеса.

Поворотная головка с опорой вращения. Количественной характеристике можно отнести коэффициент трения, вес поворотной головки. Качественные показатели – скорость скольжения, величины удельного давления.

Рассмотрим работу устройства защиты от ураганных ветров. На установку в «рабочем» положении действуют следующие силы: F_ввк, F_нвк – равнодействующие сил давления воздушного потока на верхнюю и нижнюю части ВК; F_вл – равнодействующая силы давления воздушного потока на ВЛ; G_вк – сила тяжести ВК; G_вл – сила тяжести ВЛ; G_пг – сила тяжести генератора с приводом; G_гр – сила тяжести уравновешивающего устройства.

При наличии ветра, воздушный поток одновременно воздействует на ВК и ВЛ (рисунок 2). В диапазоне рабочих скоростей ветра, моменты от сил давления, создаваемых воздушным потоком на ВК и ВЛ, уравновешиваются другими моментами, создаваемыми силами тяжести: ВК, привода с генератором, ВЛ и противовеса, следовательно, условие равновесия системы «ВК – привод с генератором – ВЛ – противовес» в «рабочем» положении относительно оси поворота (отклонения) в общем виде определяется уравнением ΣМ₀ = 0.

Рисунок 2 – Расчетная схема силы давления воздушного потока на ВК и УЗУВ

При скорости ветра, превышающей рабочую скорость, силы давления, создаваемые на ВК и ВЛ, увеличиваются, и они преодолевают моменты сопротивления, создаваемые другими вышеотмеченными силами. ВК начинает отклоняться из фронтальной в горизонтальную плоскость, это описывается следующим уравнением:

> , (3)

где М₀(F_ВЛ), М₀(G_ВЛ), M₀(G_гр), М₀(F_ввк), М₀(G_пг), M₀(G_ВК), М₀(F_нвк) – моменты относительно оси поворота, создаваемые соответственно равнодействующей силой давления воздушного потока на ВЛ, силой тяжести ВЛ, силой тяжести груза, равнодействующей силой давления воздушного потока на верхнюю часть ВК, силой тяжести привода с генератором, силой тяжести ВК, равнодействующей силой давления воздушного потока на нижнюю часть ВК.

Для вычисления моментов создаваемых силами F_ВЛ, G_ВЛ, G_гр, F_ввк, G_пг, G_ВК, F_нвк необходимо определить плечо их действия относительно оси поворота, для этого рассмотрим работу системы буревой защиты ВЭУ (рисунок 3). Предположим в «рабочем» положении ось ВК находится под углом α к горизонтальной оси. При сильных ветрах система «ВК – привод с генератором – ВЛ» начинает поворачиваться относительно точки «О». Точки приложения равнодействующей сил давления воздушного потока на верхнюю и нижнюю части ВК обозначим «А» и «В». При повороте ВК относительно точки «О» на некоторый угол точка «А» по дуге окружности радиуса «ОА» переместится в положение «А^*», а точка «В» – в «В^*». Из ΔОАС стороны которого, ОС=l_вк, АС=l_в получим ОА=. Известно [1, 2], что расстояние до точки приложения равнодействующей силы давления воздушного потока на лопасть равна l_в=0,7 R_вк.

Тогда при α =0, h_ввк =l_в=0,7R_вк. При α>0, h_ввк=. Из ΔОВС при h_пг=l_пгcosβ.=0, h_нвк =l_в=0,7R_вк. При α<0, h_нвк=.

Рисунок 3 – К определению плеча действия силы

давления воздушного потока и сил тяжести УЗУВ

Так же находим плечо действия сил для элемента «привод с генератором». Для этого рассмотрим ΔОЕД, где ОЕ=l_пг. При α=0, h_пг=l_пгcosβ. При α>0, h_пг=l_пгcos(β+ α). С учетом вышеприведенных выражений моменты относительно оси поворота, создаваемые силами F_ВЛ, G_ВЛ, G_гр, F_ввк, G_пг, G_ВК, F_нвк:

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

, (9)

. (10)

где h_вл, h_Gвл, h_Gгр, h_ввк, h_пг, h_вк, h_нвк –плечи действия соответственно сил F_вл, G_вл, G_гр, F_ввк, G_пг, G_вк, F_нвк.

Подставляя выражения (4), …, (10) в (3), и, решая относительно F, получим уравнение для расчета величины этой силы в зависимости от параметров ВК и УЗУВ:

F_ВЛ >

. (11)

Известно, что сила давления воздушного потока описывается следующим уравнением . Подставляя это уравнение в (11), и, решая относительно v_в, получим уравнение для расчета величины скорости ветра, при которой в зависимости от параметров ВК и УЗУВ начнется отклонение ВК, т.е. начинает срабатывать буревая защита:

(12)

где С_х – коэффициент лобового сопротивления ВЛ; ρ – плотность воздуха; S – площадь миделевого сечения ВЛ.

Полученное уравнение устанавливает взаимосвязь между скоростью ветра, при которой начинает работать буревая защита, и параметрами ВЭУ (ВК и УЗУВ). На основании уравнений (11) и (12) для регулирования работы буревой защиты в зависимости от конструктивных особенностей ветровых установок изменяется соотношение масс ВК и противовеса или площадь ВЛ.

Литература

1 Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. Москва, 1948, 486 с.

2 Бабинцев И.А., Мосалев В.Ф. О динамическом воздействии нагрузки на лопасти быстроходного ветроколеса// Труды ВНИИЭМ, 1963, вып. 37.