1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (811202), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Вариант конструкции буя, в котором реализован описанный принцип, приведен иа рис. 6.8. В основе преобразователя — свободио плавающий иа поверхности сферический поплавок, движущийся относительно штанги, закрепленной иа дие с помощью уииверсальиого шарипра. С помощью управляемого захвата иа поплавке в определенные моменты времени, устанавливаемые микропроцессором в зависимости от сигнала датчика давления, поплавок фиксируется иа штанге. Демпфирование движения буя и преобразование эиергип осуществляются за счет работы воздушного насоса внутри полости буя, приводимого в действие колеблющимся столбом жидкости. Регулирование движеиия газа через турбину, имеющую перестраиваемый угол атаки крыльев, достигается с помощью клапанов. Наиболее уязвимый элемент преобразователя — захват, который должен выдерживать в среднем до 6 10В срабатываний в год.
4 ю (6.6) Но без управления движением мощность, поглощаемая буем, сиижается примерно в 5 раз. Поэтому авторы устройства считают, что имеет смысл преодолеть технические трудности и создать долгоживущий захват, Испытания преобразователя были выполнены иа модели в масштабе 1: 10 иа нерегулярных волнах. Испытания дали довольно хорошие результаты, хотя из-за несовершенства системы управлеиия в некоторых случаях фазы колебаиий буя и волн несколько отличались. В настоящее время разрабатывается полноразмерная модель буя и проектируется воздушная турбина, рассчитанная иа вращение с частотой вращения 50 с — ' и непосредственно связанная с асинхронным трехфазиым электрогеиератором установленной мощиостыо 400 кВт.
В случае спльиого шторма достаточно отключить автоматику захвата этого преобразователя, чтобы, снизив его эффективиость, предохранить от разрушения. Несмотря иа достоинства, описанная выше система ие свободиа от недостатков. Наиболее серьезиые из иих — наличие «мертвого» достаточно массивного якоря, слогкиого узла уииверсального шарнира, работающего под водой в условиях зиакопеременных нагрузок, наличие прочной штаиги, которая должна выдерживать зиачительиые напряжения при верхнем положении буя. Вообще, и это отмечают многие исследователи, якорные устройства плавучих волновых преобразователей — элемеит„иадежность работы которого зачастую определяет саму возможность применения некоторых из иих.
В этой связи большое значение приобретают поиски технических решений, позволяющих упростить якорные устройства, снизить их массу и требуемую прочность тросов. К таким решениям относятся конструкции самопозициоиируюшихся преобразователей, снабженные заглублеииыми платформами, относительно которых происходит перемещение плавучих буев, либо даже динамическими якорями и ие требующие зиачительиых усилий для удержания. Теоретически работа таких устройств рассмотрена, например, авторами работы 136).
Для схемы, приведенной иа рис. 6.9, с использоваиием теории Ньюмена ими решено уравнение, описывающее отиосптельиое движение буя и платформы, получено выражение для отиосптельиого перемещения, даи аиалпз эффективности. Показано, что последняя характеризуется коэффициентом преобразоваиия энергии т1, равиым отношению мощности Рь, геиерируемой в преобразующем элемеите, связывающем буй с платформой, к допустимой средней мощности в волне иа единицу длины гребня Рю: 10* 147 где Сс — коэффициент нагрузки в связи буй — платформа; О— амплитуда волны; (г1з~ — модуль амплитуды',взаимного перемещения буя и платформы.
В работе исследованы также динамические свойства системы, ее реакция на различные способы управления и выяснено, что наилучший и наиболее легко осуществимый — управление нагрузочным сопротивлением по линейному закону аида Сь — — 550+750 (о> — 0,8). Изучено, в частности, поведение системы из буя с вытесняющим объегиом около !90 м' и платформы массой 190 т, связанных между собой нагрузочным Рис. 6.9. Самопозициоиирувщийси преобразователь 1361: а — схема устройства; б — расчетиаи схема. à — водная среда элементом, в котором и осуществляется преобразование взаимного перемещения буя и платформы. Расчет выполнен для «глубокого» моря (глубина больше половины длины волны), причем платформа была заглублена таким ооразом, чтобы можно было пренебречь гидродинамическим взаимодействием между элементами системы (вероятно, на глубине 10 — 15 м). Интересно сравнить полученные в расчетах перемещения буя и плапрормы.
При смещении буя по вертикали на величину 0,7 амплитуды волны при угловой частоте волн о>=1,2 с ' смешение платформы составляло 0,05 Н, а при частоте 0,8 с-' — 0,22 Н. Эффективность преобразования соответственно изменялась от 45 до 28 %. Изучение динамики системы из двух масс показало, что нагрузка может быть подобрана таким образом, что преобразование энергии будет достаточно эффективным во всем диапазоне расчетных волновых условий, и тогда необходимость в управлении вообще отпадает.
К достоинствам систем с динамическим удержанием относится еше и возможность использовать их в условиях действия приливов и длиннопериодных волн зыби. В этом случае они как бы ис- полняют роль низкочастотных фильтров, не реагирующих на медленное изменение возбуждающей колебания силы. Динамическое удержание можно обеспечить как за счет использования инерционной массы платформы, так и за счет применения динамического якоря, представляющего собой достаточно жесткий плоский элемент. сопротивление которого при ускорении в воде возрастает за счет присоединенной массы. Этот эффект исследований учтен авторами цитировавшейся выше статьи. На его использовании строится ряд отечественных разработок.
Интересная особенность систем с динамическими якорями— снижение их поглощающей энергию способности начиная с некоторой величины длины волны за счет того, что с ростом ее в движение начинают вовлекаться все более заглубленные слои жидкости. Динамические устройства хорошо зарекомендовали себя как защитные элементы якорных систем океанских буев, предохраняя якорные тросы и цепи от динамических нагрузок и тем самым повышая их живучесть. Принципы расчета динамических якорей изложены н курсах гидродинамики. $6.5.
Гидропневматические преобразователи По приведенной выше классификации этот вид преобразователей относится ко второму классу. Наиболее современный прото- Рис. 6ЛО. Пиеимобуй Ма«уды [661. ! — корнус; у — элактроганнратор, у — клапан; 4 — ноэ душная турбина тип практически всех разрабатываемых в настоящее время конструкций — буй Масуды (рис. 6.10) [661. О некоторых возможных. вариантах гидропневматических преобразователей дает представление рис. 6.11, где технические решения представлены схе- матично. В основе этих устройств — прпнцнп колебаний столба воды в трубе с открытым снизу концом. За счет пульсаций гидро- статического давления в нижнем сечении при прохождении волн (масса трубы такова, что она остается практически неподвижной) водяной столб резонирует на частоте, примерно равной (д(1) ое, где 1 — высота столба.
Столб воды играет роль жидкого Рнс, 6.1!. Варианты гндропненматнчесннх преобразователей е Рис. б.12. Марсиан барнса «Каймой» с пненмопреобразонателнми 17Ц н1оршня, сжимающего воздух, расположенный над ним. В свою очередь, воздух приводит в действие пневмотурбпну. Система клапанов обеспечивает постоянство направления вращения турбины и определенный закон демпфирования движения водяного столба, последнее позволяет подстраивать буй в случае изменения частоты вынуждающих волн. Для обеспечения постоянства скорости вращения пневмотурбины и соединенного с ней электроге-- нератора могут быть использованы системы регулирования угла установки лопастей турбины, управляемые микропроцессором.
На базе однокамерной системы Масуды Морской научно-технический центр Японии с 1976 г, ведет разработки многокамерных систем. После ряда модельных испытаний была спроектирована и построена морская баржа «Каймэй» длиной 80, шириной 12 м, высотой в носовой части 7 и в кормовой 3,5 м (рис. 6.12). Баржа имеет 22 отдельных воздушных камеры, открытых снизу, причем каждая пара камер работает на одну общую турбину. Четыре герметичных отсека обеспечивают барже постоянную плавучесть «Каймэй» представляет собой полноразмерную морскую энергетическую установку для Японского моря.
Для условий Атлантики такая баржа должна быть примерно вдвое больше (длина !80, ширина 24, высота борта 8 — 10 м). Первый этап испытаний системы был начат в августе 1978 г. Испытывались системы удержания баржи в открытом море, работа преобразователей и генераторов. Исследовалась эффективность преобразования энергии волн при различных схемах клапанных систем — двухклапанной н четырехклапанной.
Сопоставление результатов показало, что прн большой длине волны четырехклапанная система, в воздушной камере которой поочередно используется подъем и опускание уровня воды, оказалась эффективнее двухклапанной, где на один генератор работают две камеры с различным направлением движения воды. Для обеспечения такого увеличения эффективности оказалось необходимым применить аккумуляторы давления, н качестве которых использовались бортовые отсеки плавучести. При коротких волнах эффективности систем были примерно одинаковы. В шести энергоблоках каждая турбина работала на свой генератор, развивавший мощность 125 кВт при частоте вращения 14 с-'. Вырабатываемая мощность гасилась на балластных сопротивлениях и.
колебалась в соответствии с изменением давления воздуха. На втором этапе испытаний, проходившем с августа 1979 г.„ в системе было задействовано уже восемь турбогенераторов, из. которых три работали по двухклапанной схеме, а остальные — по четырехклапанной. Максимальная мощность, развиваемая одним генератором, достигала примерно 300 кВт. От одного генератора энергия подавалась на берег по специальному морскому нескручивающемуся кабелю, проложенному под водой с помощью системы грузов и буйков, 82 различных датчика, установленных на барже, позволяли фиксировать погодные условия, измерять волнение, перемещение баржи, нагрузки на якорные цепи, давление воздуха в камерах преобразователей и изменение уровня воды в них, перепад давлений на турбннах, частоты их вращения, параметры вырабатываемого генераторами тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
