ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ ДОЯ РОССИИ
V___J
Кандидат технических наук С. В. ЖАРКОВ
В настоящее время ветроэнергетика является динамично развивающейся отраслью: установленная мощность ветроэлектрических установок (ВЭУ) в мире превысила 100 ГВт с ежегодным приростом около 24-27% (в 2007 г. -32%). Развитые страны разрабатывают собственные ВЭУ, планируя в дальнейшем экспорт этой высокотехнологичной продукции. Крупнейшие сырьевые компании вкладывают значительные средства в этот сектор для диверсификации бизнеса. Так, Китай и Индия имеют примерно по 2 ГВт ВЭУ и фирмы по их производству. Китай планирует к 2020 г. иметь 20 ГВт.
В РФ введено лишь около двух десятков МВт ВЭУ. Поскольку для удаленных районов ветроустановки уже являются экономически эффективными, целесообразно рассмотреть несколько технических решений, детализирующих различные конструкционные особенности ВЭУ.
Среди многообразия конструктивных схем ВЭУ выделяют два основных типа: горизонтально-осевые (ГОВЭУ), которые составляют более 90% современного парка ВЭУ, и вертикально-осевые (ВОВЭУ). К преимуществам последних § относят нечувствительность к направле-° нию ветра и значительное упрощение § конструкции ВЭУ за счет исключения по-§ воротной головки и системы ориентации £ ветроколеса, а также размещение гене-| ратора и мультипликатора (повышающего редуктора) в основании установки, что I облегчает ее монтаж и эксплуатацию. В § результате экономия затрат достигает £ 30%). Основные недостатки ВОВЭУ - это I. неоптимальность углов атаки в разных р положениях лопасти на окружности вращения и аэродинамическое затенение лопастей друг другом и башней, след-
ствием чего являются повышенная неравномерность крутящего момента на генераторе и пульсирующие аэродинамические нагрузки на элементы конструкции ВЭУ, снижающие надежность ее работы. В то же время ГОВЭУ обладают потенциалом резкого повышения своей конкурентоспособности за счет применения упругоподвешенных (подрессоренных) лопастей, что позволит повысить коэффициент ветроиспользования на 30-50%, а также надежность и ресурс установки, поскольку такие лопасти амортизируют ударные ветровые нагрузки. Упрощается также система регулирования мощности1 . Реализация этой технологии позво-
1 Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. М.: Энер-гоатомиздат, 1982; Девин H.H., Серебряков АД. Индукторные генераторы в маломощных ветро-установках // Энергетическое строительство. 1991. № 3. С. 53-55.
Рис. 1.
НОВЭУ: 1 - лопасти; 2 - махи; 3 - ступица; 4 - вспомогательные опоры; 5 - полая опора; 6 - машинное отделение.
44
© С. В. Жарков
лила компании Wind Turbine (США) сделать ветротурбину на 40% легче, обеспечив при этом прочность, достаточную для противостояния сильным штормам. В результате, ВЭУ нового поколения получилась дешевле своих предшественников на 20-25%.
В данной статье предпринята попытка совместить достоинства обоих типов ВЭУ в одной конструкции, взяв за основу ГОВЭУ2. На рис. 1 изображена предлагаемая наклонно-осевая ветроустановка (НОВЭУ). Установка содержит лопасти 1,
2 Жарков C.B. Ветродвигатель:патент РФ 2065079// Б.И. 1996. № 22.
упруго-подвешенные с помощью торсио-нов (или пружин) на махах 2. Махи 2 закреплены на ступице 3 (как в ГОВЭУ и ВОВЭУ). Вспомогательные опоры 4 поддерживают полую опору 5 под углом 45° к горизонтали. Каждая лопасть может поворачиваться на махе вокруг оси, делящей ее на лобовую и хвостовую части так, что площадь хвостовой больше, чем лобовой. В нейтральном положении острая кромка хвостовой части направлена против вращения ветроколеса, а чтобы повернуть лопасть, нужно преодолеть сопротивление торсиона, сила упругости которого пропорциональна величине угла отклонения лопасти от нейтрали. Из-
Рис. 2.
Элемент лопасти в различных точках траектории: а) ближней, б) верхней, в) дальней, где
и - скорость ветрового
потока, ул - скорость
элемента лопасти, П -скорость набегания неподвижного воздуха на движущийся элемент
лопасти, Пг - результирующая скорость воздушного потока относительно элемента лопасти, а - угол атаки, у - угол установки лопасти, < = а + у - угол между направлением движения элемента лопасти
и Пг, - сила лобового сопротивления, действующая в направлении \г, - подъемная сила, перпендикулярная силе Р0, = Р0 + Р1 -результирующая сила; проекция силыI на ось
вращения и перпендикулярная ей Рт -тянущая сила.
менение упругости торсиона плавное и в диапазоне изменения угла поворота от 0° до 45° рассчитано на движение лопасти против ветра под углом в 45°. Угол атаки должен соответствовать максимальному выигрышу в тянущей силе от разности возникающей подъемной силы (точнее ее вектора, совпадающего с направлением движения лопасти) и лобового сопротивления лопасти (по аналогии с парусником, идущим против ветра). В диапазоне от 0° до 90° изменение упругости торсиона рассчитано на движение поперек ветрового потока, когда тянущее усилие определяется исключительно подъемной силой. В диапазоне от 45° до 135° - на движение по ветру под углом в 45°. В этом состоянии должны удовлетворяться условия максимальной эффективности отбора энергии за счет совместного использования подъемной силы и силы лобового сопротивления лопасти, демпфирования воздействия порывов ветра и саморегулирования крутящего момента и лобового сопротивления лопасти за счет изменения угла атаки под действием набегающего воздушного потока. Благодаря такой подвеске лопасти НОВЭУ будут развивать тянущее усилие во всех точках траектории движения, поскольку в каждой из них лопасти будут отклонены от нейтрального положения на угол, при котором достигается динамическое равновесие между аэродинамическими силами, действующими на лопасти, и силами упругости торсионов. ° На рис. 2 изображены скорости эле-
0 мента лопасти и действующие на него си-
1 лы исходя из того, что скорость движе-§ ния в горизонтальной плоскости лопасти, £ использующей силу лобового сопротив-I ления, должна составлять около 1/3 ско-н рости ветра3. Качество крыла (отноше-1 ние подъемной силы к силе сопротивле-§ ния) принято равным 3. В этих условиях " при движении по ветру результирующая I сила совпадает по направлению с движе-
X
О
3Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990.
нием лопасти (рис. 2, а), поэтому Гг =
= Рп = РТо, но при движении поперек ветра (рис. 2, б) тянущее усилие больше
| РТо | на 13%, а при движении против ветра составляет всего 47% от | РТо | (рис. 2, в). Колебания осевой нагрузки также значительны, но плавны, поскольку в других точках траектории движения лопастей их элементы работают в режимах, промежуточных рассмотренным.
На основе анализа рис. 2, а можно сделать следующие выводы: 1) при запуске обеспечивается большой крутящий момент, поскольку V = 0 и \>г = и; 2) при движении лопасти с высоким аэродинамическим качеством по ветру результирующая сила совпадает по направлению с движением элемента лопасти при скорости последнего в горизонтальной плоскости, равной примерно половине значения скорости ветра; 3) нет видимых препятствий для увеличения скорости элемента лопасти путем повышения частоты вращения либо удлинения лопасти при той же частоте; 4) аэродинамическое качество лопасти должно быть переменным - возрастать от корня к концу лопасти, параллельно должен уменьшаться угол установки лопасти. При движении лопасти по ветру угол атаки должен быть близким к критическому для данного профиля при скоростях ветра ниже или равной расчетной ивр (при которой достигается номинальная мощность ВЭУ) и уменьшаться при превышении ивр. Для работы ВЭУ при слабом ветре могут быть предусмотрены режимы с углом атаки больше критического (вплоть до а ~ 90° при у = 45°) с целью максимизации крутящего момента за счет лобового сопротивления лопасти по аналогии с карусельными ветроустановками (КВУ).
Вращающий момент, развиваемый лопастями, через ступицу 3 и вал, проходящий внутри полой опоры 5 (как в ВОВЭУ), выводится в машинное отделение 6, где используется для привода электрогенератора или насоса. Причем установка мо-
жет работать и при обратном направлении ветра (на рис. 1 - справа налево): лопасти отклоняются в противоположную сторону (от нейтрали) так, что острая кромка лопасти, движущейся по ветру, направлена вверх (под углом). При других направлениях ветра установка работает в режимах, промежуточных рассмотренным.
Предлагаемая НОВЭУ обладает преимуществами: 1) перед традиционными вертикально-осевыми установками - надежный самозапуск: неподвижные лопасти НОВЭУ развивают большой крутящий момент (как в КВУ). Большинство же ВОВЭУ нуждаются в посторонних источниках энергии для запуска и разгона ротора4. Имеется возможность применения упруго подвешенных лопастей для повышения эффективности, надежности и живучести установки, снижения требований к прочности лопастей и ступицы, расширения диапазона рабочих скоростей ветра и снижения шума. Достигается высокая плавность хода ветроколеса, так как лопасти не затеняют друг друга (даже если их 4 или 8) на всей траектории движения и создают тянущие усилия, колебания значений которых происходят в противофазе (лопасти в нижней части траектории находятся на небольшой высоте, где скорость ветра наименьшая), причем угол установки каждой лопасти автоматически и плавно изменяется в зависимости от направления движения лопасти относительно ветрового потока. Как следствие, динамические нагрузки на лопасти и трансмиссию будут относительно низкими. Конструкция меньше подвержена автоколебательным процессам, инерционные нагрузки направлены вдоль лопасти, то есть наиболее выгодным образом;
2) перед горизонтально-осевыми - отсутствие поворотной головки; генератор и редуктор расположены внизу, вслед-
4Галась М.И., Дымковец Ю.П., Акаев Н.А., Кострю-
ков И.Ю. О целесообразности создания вертикаль-
но-осевых ветроэлектрических установок мега-
ваттного класса // Энергетическое строительство.
1991. № 3. С. 33-37.
ствие чего облегчается их монтаж и эксплуатация, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии, снижаются требования к прочности опоры и, соответственно, ее массивно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.