ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТУ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИХ РЕГУЛЯТОРАМ
Ветродвигатели в отличие от тепловых двигателей или гидротурбин работают всегда при переменных внешних условиях, зависящих не только от нагрузки, «о и от структуры ветрового потока. Поэтому в эксплуатационных условиях, когда непрерывно меняются как крутящий момент ветродвигателя, так и момент сил сопротивления, ветродвигатель должен быть снабжен автоматически действующим регулятором для регулирования скорости вращения ветроколеса и обеспечения устойчивой работы на заданном режиме.
Регулирование скорости вращения путем воздействия регулятора на крутящий момент применительно к ветродвигателям несколько отличается от обычного, так как источником энергии в данном случае является неуправляемый природный воздушный поток.
Для ветродвигателя без регулятора зависимость между моментом и скоростью вращения при постоянной величине скорости ветра v представляется рабочей характеристикой ветродвигателя Мь =/(©) или Мв =){п) (§ 1-4).
Свойство двигателя изменять крутящий момент без участия регулятора принято называть самовыразнивани - ем. В том случае, когда увеличение нагрузки сопровождается снижением скорости вращения ветродвигателя, самовыравнивание является положительным. Положительное самовыравнивание придает двигателю ценные качества: оно способствует ускорению процесса регулирования и в значительной степени облегчает работу регуляторов.
При работе ветродвигателя без регулятора момент, развиваемый ветродвигателем, с увеличением скорости ветра может неограниченно расти. Исходя из энергетических соображений и соображений прочности, в районах со среднегодовой скоростью ветра иг =5—6 м/сек
Рабочий диапазон скоростей ветра при регулировании Для ветродвигателей средней мощности принимается равным 8—20 м/сек. При этом мощность воздушного потока, проходящего через ветроколесо, изменяется почти В 15,5 раз. Это обстоятельство заставляет предъявлять
Конструктивные данные |
Типы |
|||
ВЭ-2 |
ВЭ-3 |
ВЭ-5 |
D-3,5 (выпуск 1953 г.) |
|
1. Диаметр ветроколеса D, |
3,5 |
|||
. .................................... |
2 |
3 |
5 |
|
.2. Число лопастей............................. |
2 |
2 |
2 |
2 |
3- Нормальное число моду |
||||
Лей................................. • . . . |
8 |
8 |
8 |
7 |
4. Коэффициент использо |
0,37 |
0,37 |
0,35 |
|
Вания энергии ветра. . . |
0,37 |
|||
. 5. Тип профиля лопастей |
— |
— |
— |
— |
6. Длина поворотной части |
Лопасть |
|||
Лопасти ......................................... |
Лопасть цельноповоротная |
|||
Жестко за |
||||
Крепленная |
||||
7. Ширина лопасти, мм. , |
80/200 |
130/310 |
— |
— |
8. Максимальная толщина |
||||
Лонасти, мм................................. |
34 |
50 |
— |
— |
9. Угол установка лопасти |
||||
(на 0,8 JR) или пределы |
||||
Изменений у, град.... |
7 |
7 |
7 |
4 |
10. Расчетная скорость вет |
||||
Ра, м/сек........................................ |
8 |
8 |
8 |
8 |
11. Мощность на выходном |
||||
Валу ветродвигателя при |
0,3 |
|||
V=Vp, кет..................................... |
0,9 |
2,1 |
1 |
|
12. Расчетная - скорость вра |
||||
Щения ветроколеса, |
600 |
|||
Об/мая............................................ |
410 |
250 |
600 |
|
13. Расчетная скорость вра |
||||
Щения выходного вала, |
||||
Об/мин..................... • . . . . |
— |
— |
1 000 |
2 000 |
14. Наличие вертикального |
||||
Вала.................................................. |
Нет |
Нет |
Нет |
Нет |
15. Система регулирования |
Центробежное прямое |
Эклипс (си |
||
Лой ветра) |
||||
16. Неравномерность враще |
||||
Ния общая, %................................ |
+25 |
+5 |
+ 12 |
— |
17. Система поворота на ве |
||||
Тер.................................................. |
Хвост |
Хвост |
Хвост |
Хвост |
18. Тип и высота опоры. . , |
Деревян |
Деревян |
Металличе |
Деревянный |
Ный столб |
Ный столб |
Ская башня |
Столб 8 и |
|
7—20 м |
7—20 м |
10 м |
||
19. Момент инерции ветро |
||||
Колеса, кГм-сека.... |
— |
— |
— |
— |
20. Вес двигателя с опорой, |
||||
Т .. ......... |
— |
— |
0,9 |
— |
21. Вес двигателя без опоры, |
0,4 с гене |
|||
. .................................... |
0,05 с ге |
— |
- |
|
Нератором |
Ратором |
Аэродинамичское регулирование. Из принципиальной схемы аэродинамического регулирования (рис. 2-9) видно, что регулятор рассматриваемого типа состоит из механизма поворота крыльев и механизма управления. Механизм поворота крыльев, представляющий собой криво- шипно-шатунный четырехэвенник, предназначен для превращения поступательного перемещения регулирующей муфты во вращательное движение крыльев ветродвигателя. При повороте крыльев он обеспечивает совершенно определенное изменение передаточного отношения, а следовательно, и силы от регулирующего груза, определяемое выбранным соотношением размеров его звеньев. С помощью механизма управления осуществляются пуск и останов ветродвигателя. Его кинематика должна быть определена по характеристике передаточных механизмов регулятора [Л. 5].
Для того чтобы при любой скорости ветра в заданном диапазоне ветродвигатель мог работать при п = const, М = const, точка, характеризующая его режим работы при регулировании, должна перемещаться по кривой 1 (рис. 2-6).
Как следует из выражения (2-2), это условие может быть выполнено только в том случае, если на каждом угле установки лопастей момент от регулирующих грузов -/Ир, являющийся в данном случае моментом позиционных сил, будет равен алгебраической сумме моментов от аэродинамических и центробежных сил, действующих на лопасть, т. е. если будет иметь место следующее равенство:
Где 1р—угол между геометрической хордой корневого сечения лопасти и плоскостью вращения ветроколеса;
<р0 — угол между геометрической хордой лопасти и осью, относительно которой центробежный момент инерции равен нулю.
Равенство (2-8) аналитически не решается, так как функция Ma{Z, <р) задается обычно в виде графиков.
Исполь3уя отвлеченные аэродинамические характеристики if) и MJZ, <р) (рис. 1-16), можно рассчитать и построить характеристику передаточных-механизмов регулятора в виде зависимости Mp = f(<р).
Расчет рекомендуется вести в табличной форме.
В первой строке следует выписать углы установки лопастей, для которых подсчитаны отвлеченные аэродинамические характеристики MB~f(Z, <р) и Ма ~<p(Z, <р), во второй — число модулей, .характеризующее режим работы ветродвигателя при регулировании. Число модулей находится-из диаграммы рис. 1-16 для точек пересечения кривой М — 1 с характеристиками моментов на соответствующих углах.
Для найденных Z в третью строку заносятся взятые из диаграммы рис. 1-16 значения моментов Ма . В четвертой строке следует поместить подсчитанную величину скорости ветра, а в пятой и шестой—моменты от аэродинамических и центробежных сил. Тогда в седьмой строке можно получить алгебраическую сумму моментов Ма и Мц для выбранных значений углов ф.
В соответствии с принятой кинематической схемой выражение момента Мр регулирующих грузов может быть представлено в следующем виде:
Му = (вОх-Япрф)А, (2.9)
Где <}> = - щ и х = - j*- — передаточные отношения звеньев ¥ регулятора, являющиеся функциями угла to;
Д Н
И = —относительные значения перемещений регулирующей Муфты и груза G при повороте лопастей; h — радиус кривошипа механизма поворота крыльев; є г— постоянное передаточное отношение звеньев механизма управления;
Рпр.— усилие от пружины.
После целого ряда преобразований можно получить выражение
S/гОф
Позволяющее подобрать соответствующую кинематическую схему механизма управления, когда известна зависимость Мр = /(?)•
Подставляя (2-9) в (2-8), учитывая, что и Решая относительно п, получим:
30 Г 2 (»Gx — РдрФ) А
"f 1 J
В данном случае число оборотов п является функцией трех независимых переменных Ma, If и Z.
Для выявления статических свойств ветродвигателя с аэродинамическим регулятором найдем возможные равновесные положения лопасти и регулятора при работе ветродвигателя на различных режимах, используя для этого уравнения (2-1), (2-2). Расчет удобно производить для аэродинамических характеристик при определенных постоянных значениях угла установки лопастей ф. Задаваясь различным значением Z на аэродинамической характеристике данного угла ф, выписывают для них значения Мл и Мв, затем Определяют последовательно п, v, Мв и Р. Выполнив такие расчеты для всех аэродинамических характеристик, соответствующих различным углам ф, строят для каждого значения ф две серии кривых P — f(v) и n=f(v), из которых путем перестроения получают статические "характеристики n = f {v) при различных значениях Р.
Статические характеристики ветродвигателя с аэродинамическим регулятором типа 1D-18 показаны на рис. 2-14.
Характеристики рис. 2-14 показывают, что при v> vp регулятор поддерживает скорость вращения ветроколеса постоянной только при постоянной величине момента нагрузки. При сбросе нагрузки обороты ветроколеса уве-
Лйчиваются, - причем с увеличением скорости ветра величина остающейся неравномерности уменьшается. Величина остающейся неравномерности скорости вращения по скорости ветра может легко изменяться за счет изменения характеристики передаточных механизмов регулятора.
Так как при данном способе 'регулирования активными силами являются аэродинамические, качество регули-
|
Об/мин 60 |
40 |
Рис. 2-14. Статические характеристики ветродвигателя ID-18 с аэродинамическим регулятором. |
50 |
3D 20 |
Рования будет тем лучше, чем меньше будет величина центробежных" сил. Посколько момент от центробежных сил заівисит от момента инерции лопастей, при проектировании ветродвигателей с таким регулятором приходится заботиться об облегчении лопастей. Не следует, однако, забывать, что момент инерции лопастей не может выбираться произвольно.
Максимально возможное значение ■/ может быть найдено из выражения (2-8), которое в раскрытом виде запишется так:
№ - Япрф) 1=4 [?R3v*M~ jy Sin 2 (9 - *„)].
Положив в этом равенстве G — 0, получим:
С - )макс ' ыг sTn2jf~— ір0)
Угол <р определяется из условия 0, так как момент
От центробежных сил является функцией этого угла. При моментах инерции лопастей, превышающих значение (Ул )макс> регулирование по этой схеме не может быть осуществлено без дополнительной компенсации момента центробежных сил лопцртей.
Компенсация центробежных сил лопастей осуществляется путем установки на махах лопастей специальных «компенсирующих грузов».
В зависимости от соотношения момента инерции компенсирующих грузов Уг и лопасти — Ул могут иметь место три случая компенсации: компенсация частичная (УГ<УЛ), компенсация полная (Уг = Ул) и перекомпенсация (УГ>УЛ).
Введение компенсации дает возможность не только наменять величину момента центробежных сил, действующего на лопасти при их вращении, но и направление его действия. Это позволяет, с одной стороны, применять данную схему регулирования независимо от величины момента" инерции лопастей, с другой стороны, определенным образом менять качество регулирования, так как в зависимости от степени компенсации меняется величина остающейся неравномерности скорости вращения как по нагрузке, так и по скорости ветра.
Аэродинамическое регулирование при определенных условиях может быть использовано и для регулирования движущего момента ветродвигателя, так как регулятор в данном случае реагирует не только на изменение скорости вращения ветроколеса, но и на изменение скорости ветра. Регуляторы, чувствительные элементы которых реагируют только на изменение скорости вращения, позволяют ветродвигателю работать с постоянным числом оборотов при любых значениях момента нагрузки, начиная от нуля и кончая максимально возможным при данном ветре. В рассматриваемом же случае регулирование происходит так, что при изменении скорости ветра каждому значению момента нагрузки соответствует строго определенный характер изменения числа оборотов ветроколеса (рис. 2-14).
Это обстоятельство имеет исключительно большое значение, особенно при создании ветроэлектрических
станций, предназначенных для работы параллельно с другими, более мощными неветровыми электростанциями. Здесь >при наличии синхронных генераторов неветровая электростанция будет удерживать ветродвигатель на постоянном числе оборотов, близком к номинальному значению, вследствие чего ветродвигатель, имеющий характеристику n = f{v), подобную рис. 2-14, будет работать без статических перегрузок. Если же ветродвигатель снабжен регулятором, чувствительный элемент которого контролирует только скорость вращения, он не может быть использован для параллельной работы со станцией большей мощности без специальных устройств, ограничивающих его мощность.
Стабилизаторное регулирование. На рис. 2-10 показана принципиальная схема стабилизаторного регулирования быстроходных ветродвигателей.
Как указывалось выше, стабилизаторное регулирование относится к группе центробежного непрямого регулирования. Отклонение скорости вращения воспринимается центробежным регулятором. Его сигнал передается через аэродинамический усилитель-стабилизатор на регулирующий орган, представленный здесь в виде поворотной лопасти.
Система лопасть — стабилизатор может свободно поворачиваться вокруг оси лопасти, не оказывая в большинстве случаев значительного действия на центробежный регулятор. Поэтому статическое состояние регулятора не зависит от величины моментов аэродинамических и центробежных сил, действующих на лопасти. Чтобы исключить влияние на центробежный регулятор аэродинамических сил стабилизатора, его профиль делают симметричным, а ось поворота располагают от передней кромки на расстоянии примерно 25% от геометрической хорды, т. е. в месте расположения центра давления (рис. 2-3). Тогда независимо от изменения угла атаки момент аэродинамических сил относительно его собственной оси всегда будет равен нулю.
Если пренебречь (ввиду незначительной величины) моментом центробежных сил, действующих на стабилизатор относительно его оси поворота, уравнение статического равновесия регулятора (2-2) примет вид:
Расчету моментов, ©ходящих в это равенство, а табаке вопросам статики стабилизатор ного регулирования, посвящены работы (Л. 6—в].
При выбранных параметрах число оборотов ветродвигателя со стабилизаторным регулятором зависит только от угла установки стабилизатора р и определяется выражением
Где
Р — коэффициент передаточного отношения; Ь — длина плеча рычага управления, к которому крепится тяга регулятора (рис. 2-15); С — С0«2 — центробежная сила всех деталей механизма регулятора; k—коэффициент жесткости пружины. Таким образом, если известны отвлеченные аэродинамические характеристики ветродвигателя при различных углах р, определение статических характеристик производится по методу, изложенному выше применительно к центробежному регулятору.
На рис. 2-16 показаны расчетные статические характеристики ветродвигателя D-18.
Опытные статические характеристики. После изготовления ветродвигателя статические характеристики определяются опытным путем при его 90°—работе в естественных условиях. Для этого снимаются так называемые эксплуатационные характеристики, которые характеризуют изменение скорости вращения ветродвигателя и скорости ветра по времени Рис. 2-15. Схема сил, дейст - ПРИ различной постоянной ва - вукнцих на рычаг управле - грузке.
Ния. Длительность каждого опы
та обычно принимается 1 ч. При отсутствии регистрирующих приборов применяется визуальный метод отсчета измеряемых величин. В этом случае отсчеты берутся через каждые 5 сек.
На основе опытных данных строятся статические характеристики. В качестве примера на диаграммах об/мин
0 4 8 П Ю W Рис. 2-16. Статические характеристики ветродвигателя D-18 со стабилизаторным регулятором. |
Рис. 2-17 показаны опытные статические характеристики ветродвигателей D-18. Каждая точка на этих диаграммах представляет собой среднее значение п и v за 2 или 5 мин (5 мин принимаются тогда, когда в схеме передачи мощности имеется маховик инерционного аккумулятора). При обработке одновременно определяются наибольшая и наименьшая наблюдавшиеся за этот интервал времени скорости вращения.
Остающаяся неравномерность регулирования. Обычно под остающейся неравномерностью регулирования двигателя понимается неравномерность хода *по нагрузке, которая характеризуется наклоном статической характеристики регулирования. Определяется она отношением разности скорости вращения. при холостом ходе и полной нагрузке агрегата к средней скорости вращения, т. е. если
Их+ %
ТсР =----- 2— '
ТО
: 2 "
Шср шх + шп "
Где 8— остающаяся неравномерность регулирования; о>х — скорость вращения при холостом ходе; «>н—скорость вращения при полной нагрузке. Применительно к ветродвигателям, кроме остающейся неравномерности регулирования по нагрузке, приходится учитывать еще неравномерность регулирования по скорости ветра, которую можно представить в виде:
Где (Юр — скорость вращения при полной нагрузке, соответствующая скорости ветра начала регулирования;
A>v — скорость вращения при полной нагрузке, соответствующая скорости ветра v, для которой подсчитывается неравномерность вращения.
Помимо неравномерности вращения, ветродвигатель обладает нечувствительностью є, вызванной наличием сил сухого трения:
Літр _ WP-WTP_
2 (Ма~Мц+Мц. р) ур „2
Где М—момент от сил трения в регуляторе;
Мтр' птР — скорость вращения, соответствующая трога - нию регулятора-
Для ветродвигателей в отличие от других типов двигателей характерным является также наличие динамической неравномерности регулирования, которая является следствием работы ветродвигателя в условиях непрерывной пульсации скорости ветра. Из приведенной на рис. 2-17 диаграммы видно, что динамическая неравномерность скорости вращения ветродвигателей достигает сравнительно большой величины. Большая величина динамической неравномерности определяется, с одной стороны, большей степенью нечувствительности регуляторов, а с другой — пульсирующим - характером ветровой энергии. Поэтому, чтобы получить общую неравномерность скорости вращения ветродвигателей, определяемую нормами допустимого колебания частоты на ВЭС малой и средней мощности, надо стремиться делать регуляторы более чувствительными за счет снижения ВЛИЯНИЯ сил сухого трения и допускать из условия статической устойчивости минимально возможную величину остающейся статической неравномерности.