1598005519-db2570e1cd069b3f233e2ac13b5f8034 (Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо, 1982u), страница 52

Геометрия лопастей определилась, в частности, тем, что композиционная конструкция с волокнистым заполнителем позволяет лучше, чем другие конструкции, создавать необходимые профиль лопасти, крутку и сужение при минимальных затратах. Определено оптимальное сужение 3: 1 от середины к вершине лопасти.

Прямолинейная крутка по всей длине лопасти, равная от 1О до 12', дает эффективность ветроколеса только немного меньше, чем идеальная крутка. В процессе изготовления лопастей с прямолинейной круткой уменьшаются сложность используемых устройств и трудности, которые могут возникнуть при перемещении оправы в случае идеальной крутки. Хотя оптимальная крутка была оставлена, прямолинейная крутка может быть использована, так как это приведет лишь к незначительному увеличению стоимости энергии.

Срок службы 'лопастей является важным моментом проектирования ветроколеса. Его выбор должен быть экономически оправдан для определенного направления использования ВЭУ. Экономически целесообразный общий срок службы лопастей обычно определяется в результате сопоставления зависимости срока службы лопастей от их первоначальной стоимости и стоимости периодического технического обслуживания и замены лопастей. Анализ выполнен при условии 30-летнего срока службы лопастей. Установлено, что с точки зрения капитальных вложений и стоимости энергии лопасти со сроком службы менее 30 лет неэффективны.

Выполнен сравнительный анализ втулок с упруго-шарнирным и бесшарнирным креплением лопастей. Хотя на стадии концептуального проекта и была выбрана втулка с креплением лопастей с помон>ью упругих пластин, уменьшающая изгибающий момент у корня по сравнению с бесшарнирным креплением, упруго-шарнирное крепление лопастей может дать дополнительное уменьшение момента и, возможно, привести к уменьшению стоимости и массы. Поэтому втулка с упруго-шарнирным креплением лопастей была подробно исследована с целью выявления преимуществ ее применения.

Упруго-шарнирная втулка уменьшает изгибающие моменты при вибрациях в процессе маховых движений до значительно меньших значений по сравнению с теми, которые возникают при использова- '9 звк >4>в 241 нии втулки с креплением лопастей с помощью упругих пластин Ощутимого преимущества относительно изгибающих моментов в плоскости вращения ветроколеса не обнаружено. Эти результаты показывают, что упруго-шарнирная втулка действительно может дать некоторую экономию в массе и стоимости, если проектные требования лимитируются изгибающими моментами при маховых движениях.

Однако критическими являются изгибающие моменты при маховых движениях в условиях максимальной скорости ветра 54 ьз/с, которые и определяют конструкцию лопастей. При этом лопасть, отвечающая требованиям по максимальным статическим нагрузкам, имеет низкие усталостные напряжения в нормальных рабочих режимах дагке при более высоких изгибающих моментах„ соответствующих бесшарнирной втулке. Поэтому упруго-шарнирная втулка была исключена из дальнейшего рассмотрения.

Конструктивные требования к распределению жесткости лопастей, необходимой для настройки частоты их собственных колебаний, являются более важными, чем требования, обусловленные изгибающими моментами от вибрации даже при бесшарнирной втулке. Сравнение регулирующих закрылков с непосредственным изменением угла установки лопастей механическим регулятором показало, что, хотя закрылки'очень эффективны в отношении уменьшения ветровых нагрузок и пригодны для регулирования в режимах нормальной работы,.

они не могут служить для пуска и останова ВЭУ'. Было найдено, что в этих режимах закрылки недостаточно отвечают требованиям управления. Для того чтобы компенсировать этот недостаток, могут потребоваться вспомогательное устройство управления углом установки лопастей и специальные эксплуатационные мероприятия. Управление непосредственным поворотом корневых частей лопастей может быть легко осуществлено, и при этом решается задача согласования собственных и рабочих частот; оно было введено в предварительный проект вместо регулирования с помощью закрылков, Если, однако, уменьшение ветровой нагрузки на лопасти станет важным моментом в отношении стоимости или рабочих режимов, закрылки могут быть рассмотрены в качестве возможной альтернативы. Были определены и проанализированы пределы флаттера лопастей и их перемещений (отклонений от плоскости вращения)~. Для исследованных нормальных рабочих условий опасений, связанных с возможностью возникновения этих явлений, не было.

Это относится и к устойчивости системы ветроколесо-башня в пределах рабочих режимов ВЭУ. ' ' Уснешное паимеиеиие в СССР стабнлизаторного регулирования системы Г. Х. Сабинина и Н. В. Красовского опровергает этот вывод (П р н м е ч. р е д.) ~ В оригинале применен термин «йчегяепсе» вЂ” расходимость (П р и м е ч. р ед.). 242 Превышение нормальной частоты вращения ветроколеса относительно проектного значения может возникать в результате больших н резких изменений скорости ветра, связанных с его сильными порывами, когда генератор внезапно отключается от сети, а также в случае неправильного функционирования системы регулирования ветроколеса. Резкое уменьшение рабочей нагрузки на ло. пастях приводит к образованию на ветроколесе ускоряющего момента, вызывающего превышение частоты вращения.

Небольшая норма изменения угла установки лопастей, равная 5 град/с, была принята для того, чтобы обеспечить необходимое управление частотой и вращающим моментом. Определено, что максимальная частота вращения ветроколеса при наихудших сочетаниях условий должна составлять не более 150 % расчетной номинальной частоты вращения, что вызвано конструктивным ограничением по генератору Все другие компоненты допускают большее превышение час.готы вращения, Настройка частоты собственных колебаний лопасти достигается структурной конфигурацией и распределением толщин по длине .лопасти. Особый интерес к проблеме настройки лопастей вызван необходимостью избежать резонанса в процессе пуска при предельных минимальных скоростях ветра'.

В этих условиях ускоре.ние ветроколеса до нормальной рабочей частоты вращения осуществляется медленно, особенно в диапазоне частот вращения 80 — 100 % номинальной, прн которых ускоряющий вращающий момент имеет вебольц~ую величину. Это требование было сформулировано при выборе параметров, определяющих форму лопастей, например толщины профиля в корневом сечении, жесткости лопас.ти и др. Срок службы по условию усталости определяется возможностью накопления усталостных повреждений в ветроколесе на многих режимах работы. Однако за требуемый проектный срок службы 30 лет все основные режимы работы должны вызывать уста.лостные нагрузки виже предела выносливости.

Поэтому ограничения по выносливости явились приоритетными над всеми другими рабочими условиями, включая пуск, останов и резкие порывы при повышении скорости ветра до максимальной рабочей скорости. Возможность усталостных повреждений допускается только для экстремальных условий крайне редкой повторяемости.

Сравнение вычисленной усталостной прочности при неограни. чепцом сроке службы для обоих проектов лопастей с нагрузками для максимальных порывов, превышающих максимальную рабочую скорость ветра, показывает, что разница между допустимой и ожидаемой нагрузками велика. Это свидетельствует о том, что проектный срок службы по условию усталости должен быть достигнут. Экранирующий эффект башни, выражающийся в создании вет- ' Речь идет о режимах пуска ВЗУ при скоростях ветра, ненамного превышающих минимальную рабочую скорость (Прим еч. рея.).

9* 2Ц рового следа за ней, пропорционален коэффициентам лобового со- противления (давления) и заполнения конструкции. Непроницаемая Г>ашня будет создавать резкое уменьшение скорости ветра, которое вызывает пульсирующую нагрузку на ветроколесо, распо- ложенное за башней, каждый раз, когда лопасть пересекает след башни. Эта пульсация воздействует на лопасть с частотой, равной единице за один оборот, и будет, следовательно, вызывать гармо- нические нагрузки на всех частотах, кратных частоте вращения. ветроколеса. Изгибающие и скручивающие моменты будут иметь.

место на всех указанных частотах. Их значение зависит от степени- демпфнрования на различных режимах, близости к кратным часто- там вращения ветроколеса и действия следа башни, В проектных расчетах предусмотрено 30 е)е-ное уменьшение скорости ветра в результате экранирующего эффекта башни. Онст ие является критическим в отношении усталости при всех рассмот- ренных скоростях ветра — от минимальной рабочей скорости дса скоростей выше максимальной рабочей, В результате последующих испытаний в Управлении ЫАВА бы- ло определено количественное уменьшение скорости ветра за баш- ней, имеющей высокую степень заполнения и угловые конструк- ционные элементы.

Экранирование ветра за такими башнями мо- жет создавать значительно более высокие изгибающие моменты лопастей и уменьшать их срок службы по условию усталости Поэ- тому одним из требований к проекту башни является требование по минимальному экранирующему эффекту, достигаемому посред- ством минимизации степени заполнения и выбора конструктивных элементов, имеющих малые значения коэффициентов лобового со- противления. Предварительный проект ветроколеса и его анилиз основаны на. исследованиях, касающихся схемы и формы ветроколеса, его эк- сплуатапии и конструкции Исследование включало: оптимизацию геометрии лопасти в части толщины, формы в плане и распределе- ния крутки, выбор режима регулирования угла установки лопастей, определение ограничений по максимальной частоте вращения вет- , роколеса, анализ частотной настройки лопастей, определение гра- ниц флаттера и расхождения лопастей и анализ резонансных явле- ний, обоснование конструкции втулки и анализ усталостной проч- ности.

Конструкции ветроколес ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт . аналогичны. При изготовлении лопасти из стекловолокна 5-2 крутка форми- руется с помощью трех шаблонов, Однонаправленный промежу- точный слой волокна расположен по длине лопасти с учетом крут- ки. Третий шаблон используется для определения положения алю- миниевого сотового заполнителя и паза задней кромки, после чег)т конструкция в отношении крутки приобретает требуемую форму. Наружная секция передней кромки лопасти предохраняется от эрозии с помощью за)цитного неопренового покрытия. На задней поверхности лопасти заделана алюминиевая сетка, которая за- щищает лопасть от удара молнии. 244 , .