1598005519-db2570e1cd069b3f233e2ac13b5f8034 (Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо, 1982u), страница 51

Особое внимание было уделено тому, чтобы избежать режимов работы ветроколеса, прн которых частота была бы близка к частоте его собственных колебаний для предотвращения больших внбрационных нагрузок в условиях резонанса. Альтернативные варианты компонентов ветроколеса (лопастей, регулятора и втулки) были рассмотрены в процессе их разработки. Варианты были оценены со всех точек зрения, и некоторые из них изменены в рабочем порядке.

Лопасти являются самым дорогостоящим элементом ветроколеса. Наибольшее влияние на экономичность их конструкции оказывают материалы и технология изготовления. Прн изготовлении обычных металлических конструкций используется недорогая хорошо отработанная технология.

Однако конструкция металлических лопастей с трудом поддается оптимизации, обеспечивающей высокую аэродинамическую эффективность, вследствие сложности изготовления в этом случае лопастей с оптимальной круткой, сужением и распределением толщины. Имеются также ограничения по длине прессованных металлических лонжеронов: прн современной технологии штамповки максимальная длина ограничивается до 15 — 18 м, что значительно меньше требуемой.

Следовательно, в случае выбора металлической конструкции лопасти и лонжероны должны быть изготовлены нз секций, соединенных каким-либо способом. Это создает ряд проблем (неблагоприятные динамические эффекты, концентрация напряжений и дополнительная масса). Анализ показал целесообразность использования технологии изготовления лопастей из композиционных материалов. Такая конструкция с волокнистым заполнителем может быть использована для изготовления лопастей, имеющих размеры, требуемые для крупных ВЭУ при небольшом увеличении стоимости за счет выбора оптимальных характеристик.

Применение композиционной конструкции с волокнистым заполнителем облегчает достижение баланса между центром масс лопастей (ЦМ), осью флюгерного по- 238 ложения и центром аэродинамических сил (АЦ) без испбльзоввйния дополнительных балансирующих масс. Эксперимент показал, что серьезная динамическая неустойчивость может иметь место, если ЦМ лопасти располагается сзади АЦ.

Поэтому лопасти, сбалансированные при положении ЦМ и АЦ на четверти длины хорды (25 % расстояния между передней и задней кромками) н имеющие продольную ось вращения лопасти вблизи линии, соединяющей точки ЦМ и АЦ, являются традиционными в конструкциях лопастей вертолетов.

Было решено использовать такие же лопасти и для ВЭУ. Согласованное взаимное положение ЦМ, АЦ и оси поворота лопасти во флюгерное положение явилось одним из проектных требований. В результате были выбраны н окончательно приняты композиционные лопасти с волокнистым заполнителем.

Регулирование необходимо для управления вращающим моментом и частотой вращения ветроколеса. Ветроколесо с изменяемым углом установки лопастей вместо ветроколеса с фиксированно установленными лопастями было выбрано в связи с тем, что в первом случае можно поворачивать лопасти относительно продольной оси от положения, когда хорда лопасти почти совпадает с плоскостью вращения ветроколеса, до флюгерного положения. Такая схема дает возможность осуществлять пуск и останов ВЭУ, эффективно управлять вращающим моментом н устанавливать лопасти во флюгерное положение в случае действия ветра с высокими скоростями. Кроме того, ветроколесо с поворотными лопастямн позволяет избежать работу в потенциально опасных резонансных условиях в процессе пуска.

Изменение угла установки лопастей может осуществляться на режимах регулирования в сторону положительных и отрицательных углов. В первом случае возникают большие лобовые нагрузки на ветроколесо, во втором не исключаются режимы с избыточным вращающим моментом. Режимы с положительным углом при низких скоростях ветра и уровнях мощности приводят к нестабильности нагрузок на ветроколесо, аналогичной той, которая наблюдается в вертолетной технике при интерференции кольцевых вихрей в следе за несущим винтом.

На режиме кольцевого вихря создаются условия, при которых скорость снижения несущего винта приближается к скорости скошенного потока, что вызывает развитие больших рецнркуляционных вихрей по периферии винтового диска. Для ветроколсса ВЭУ подобные условия существуют, когда индуцированная лобовым давлением скорость следа близка к скорости ветра. Колебания нагрузки, связанные с таким состоянием, могут быть причиной возникновения вибраций с изменением сит, действующих на вершину башни и доходящих до ч 60 % постоянных нагрузок. Возможны также большие прогибы лопасти, что увечичивает опасность удара концов лопастей о башню.

По этим причинам для ВЭУ был выбран вариант с отрицательным углом установки лопастей в процессе регулирования. а становки лопастей может осуществляться не- йзменение угла у пос едственно механическим путем в результате воздействия на ть маха (лонжерона) лопасти либо путем использокорневую часть маха (лон ег ли ющих завания аэрод я эродинамических сил, возникающих на р у ру пастей. крылках, располагаемых вблизи концов лопаете . Вт лка первоначально была выбрана с креплением лопастей с помощью упругих пластин с малой жест тулка пе в костью в плоскости, пер- лесом, т. е, относительно ен икулярной поверхности, ометаемой ко п д ь изгибающие моменты, и маховых движений, чтобы уменьшить большой жесткостью в плоскости враще р ния вет околеса, что ы о еспечить б т необходимые характеристики, позволяющие лопастям Г ть прп относительно высоких гравитацнон ру нных наг эках, ра >отать прп к а было пол чено, что О ко на стадии предварительного проекта .

° у дна ых вижений частота со с б твенных колебаний относительно махов д иб а ионблизка к абочей частоте вращения, что увеличивает в р ц ную нагрузку от изгибающих моментов при лизка к ра оче п и маховых движениях. В тулки с уп ругим и шарнирным креплением лопастей признаны ким бес- и неэффективными, и принята втулка с жестким экономически неэфф т я, ает необходимую толшарнирным креплением лопастей, которая дает нео шину корневой части и обеспечивает жесткость. П фили сечений лопасти были оценены на стадии концептуального проекта и при оптимизации параметров ВЭУ.

в ВЭУ. Рассмот- ены сечения КАСА 4412, 23012, 23018 и 63р-615 и их характерисрены сечения тики прн стандартных условиях шероховатости и ости и числе Рейнольдса 6Х 10' для внешней части лопасти, Хотя коэффициент подъемной силы п офиля 1ч>АСА 4412 и 63~-615 выше, чем у профиля 23012, силы у профиля исследование по выбору оптимальных параметр р мет ов ветроколеса показало небольшое различие в его аэродинам .

ической эффективности в обоих случаях. Д гие факторы (более низкие аэродинамические моменты поворота лопасти относительно ее продольной , 1 д ругие а т ной оси, ~ овлетворительная характеристика в к и в особенности большая производительность) к выбо профиля серии 230. Он проще в изготовлении в связи с отсутствием обратной кривизны, создани к р " р е ото ойп ииз- ни тым заполнителем г т о овлении композиционной лопасти с волокнист Р на изгиб затруднено. тр . По ребовалось повысить жесткость лопасти ол ин п о иля. в корневой части, что увеличило относительную толщину профил .

Размеры ветроколеса и коэффициент его заполнения, представляющий собой отношение суммарной плошал и лопастей в плане оверхности, ометаемой ветроколесом, влияют на стои- к площади п р ' мость энергии. Анализ показал, что для больших дна. тр колес выгоднее принимать минимальное значение коэффициента заполнения. ий ля создания Установлено, что нет технических ограничений для ветроколеса с коэффициентом заполнения менее О, д р н 0,02 и диаметром до?6 м. Однако при коэффициенте заполнения ниже 0,03 для толстых корневых сечений требуются сложные и дорогие способы крепления лопасти и материалы. Коэффициент, рав»" нижней границе эффективной стоимости энергии, и его уменьшение 240 неблагоприятно сказывается на пусковых характеристиках ветроколеса.

Поэтому в первом приближении он был принят равным 0,03. Это значение оставлено в предварительном проекте, так же как и диаметр ветроколсса. Для обеспечения экономических преимуществ, получаемых при минимальном коэффициенте заполнения и диаметрах ветроколес, при которых развивается установленная могцность при расчетной скорости ветра, необходимо три лопасти. Однако несмотря на то что применение трехлопастного ветроколеса уменьшает вибрационные нагрузки на вал привода, редуктор и башню, это недостаточно серьезное преимущество, чтоб>ы компенсировать увеличение стоимости за счет третьей лопасти. Поэтому было выбрано и окончательно оставлено двухлопастное ветроколесо.