Технические
науки/3. Отраслевое машиностроение
К.т.н. Дудников В.С.
Днепропетровский
национальный университет, Украина
Устройства поворота лопастей как
источник информации о положении лопастей ветроколес с горизонтальной осью
вращения
Как показала практика эффективность
работы ветроэлектрических установок (ВЭУ) и качество вырабатываемой
электроэнергии зависит от системы управления.
Подробный обзор систем управления ВЭУ
приведен в отчете [1]. Показано, что наибольшее распространение в современных
ВЭУ получила система регулирования путем поворота лопастей ветроколес (ВК) с
использованием как гидравлических, так и механических (электромеханических)
приводов [2].
Поворот лопастей горизонтально-осевой
пропеллерной установки ВЭУ отработан и используется не только как средство
торможения ветроколеса, но главным образом как средство поиска оптимального
угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе
оборотов во избежание выхода его в разнос [3].
Обзор возможных и реализованных кинематических
и конструктивно-компоновочных схем электромеханических устройств поворота
лопастей приведен в работе [4].
В работе [5] рассмотрено управление
поворотом лопастей ветрогенератора переменной скорости с целью ограничения
мощности и уменьшения динамических нагрузок. Работа системы управления
поворотом лопастей рассмотрена в динамической модели, в которой заложены как
характеристики ветра, конструкции ветрогенератора так и системы управления.
Сделано заключение, что система управления поворотом лопастей позволяет
максимизировать выходную мощность и существенно снизить динамические нагрузки
на конструкцию ветрогенератора. Алгоритм системы управления поворотом лопастей
предполагает оперативное получение информации о текущем значении угла установки
лопастей, поэтому обязательной составной частью системы управления является
наличие датчика положения лопастей [6-11].
Дополним обзор существующих и возможных
устройств поворота лопастей ветроколес с горизонтальной осью вращения. Широкое
распространение получили устройства поворота лопастей на основе гидравлических
исполнительных механизмов [12-20].
Ветродвигатель [13] содержит полый вал,
на котором установлены поворотные лопасти. Лопасти с помощью
кривошипно-шатунного механизма связаны со штоком, проходящим внутри полого
вала. Кинематическая связь поворотных лопастей с исполнительным механизмом,
выполненным в виде цилиндра, выполнена в виде подшипникового узла,
закрепленного на полом валу, и двуплечего наклонного рычага, шарнирно
соединенного с гидроцилиндром, одно плечо которого связано с подшипниковым
узлом, а другое - с корпусом поворотной головки. Гидроцилиндр через рычаг и
подшипниковый узел вызывает перемещение вала относительно штока в ту или иную
сторону, что, в свою очередь, вызывает поворот лопастей, а последнее приводит к
стабилизации частоты вращения ветроколеса. Между линейным положением штока
гидроцилиндра и углом установки лопастей существует определенная функциональная
зависимость, определяемая конструктивными размерами элементов конструкции. Поэтому,
зная в каждый момент времени линейную координату положения штока гидроцилиндра,
нетрудно установить угловую координату положения лопасти, используя
градуировочную характеристику. С этой целью достаточно установить датчик
линейных перемещений штока цилиндра.
В системе управления [14-15] связь
между поворотными лопастями и штоком исполнительного гидравлического цилиндра
осуществляется с помощью кривошипно-ползунного механизма, т.е. между углом
положения лопастей и линейным положением штока гидроцилиндра существует
однозначная функциональная зависимость, что также дает возможность в качестве
датчика положения угла лопастей использовать датчик линейных перемещений
гидроцилиндра.
В системе управления ветродвигателем
[16] кинематически соединенный со штоком гидроцилиндра
датчик линейного положения подает сигнал обратной связи для управления
гидравлическим исполнительным двигателем.
Для повышения
надежности работы гидравлической системы управления при штормовом ветре между
поворотными лопастями и гидроцилиндром изменения угла установки установлен
дополнительно блокирующий гидроцилиндр, при нормальной работе выполняющий роль
жесткой тяги, а при трехкратном повторении сигнала штормового предупреждения
вызывающий поворот лопастей на угол, соответствующий остановке
ветроколеса, независимо от положения
штока гидроцилиндра изменения угла установки [17].
В устройстве для изменения угла установки лопастей ветродвигателя,
содержащем расположенный в полом валу ветродвигателя плунжер, кинематически
связанный с махами лопастей, и силовой элемент, взаимодействующий с плунжером,
кинематическая связь плунжера с махами выполнена в виде жестко связанных с
плунжером зубчатых реек и шестерен, установленных на махах и контактирующих с
соответствующими рейками, количество которых равно количеству лопастей [18].
Простота конструкции и компактность может быть особенно наглядной, если
количество реек равно двум, они расположены противоположно друг другу и смещены
в разные стороны от диаметральной плоскости вала, а шестерни связаны при помощи
оси, установленной в них с возможностью вращения и расположенной
перпендикулярно валу. Плунжер через отверстие, выполненное в главном валу,
сообщается с силовым элементом, регулирующим угловое положение лопастей
относительно их продольных осей, в качестве которого может использоваться
пневмонапорная или гидронапорная среда, подводимая в полость главного вала
через неподвижный приемник и подпружиненный поршень, образующие торцевое
уплотнение от напорной магистрали. В таком варианте исполнения весь механизм
изменения угла установки лопастей оказывается полностью внутри вращающегося
главного вала, не имея выхода наружу, что исключает принципиальную возможность
установки какого-либо датчика угловых или линейных перемещений. Такая
возможность появляется в варианте исполнения, когда усилие к плунжеру
передается не с помощью гидравлического давления, а механически штангой,
проходящей в отверстии главного вала и имеющей выход наружу. Используя
передаточную функцию зубчато-реечной передачи с помощью датчика линейных
перемещений штока можно судить о
величине угла установки лопастей.
Аналогичную конструкцию механизма
поворота лопастей имеет ветродвигатель [19]. Внутри главного вала вмонтирован
шток, снабженный двумя рейками и взаимодействующий с толкателем, расположенном
в центральном отверстии главного вала и имеющим выход наружу. Между выходящим
наружу концом толкателя и гидроцилиндром изменения угла установки лопастей
установлен вращающийся стакан.
Механизм поворота лопастей [20] состоит
из ступицы лопастей с жестко закрепленным на ней пальцем, эксцентрично
установленным относительно оси лопасти. Палец взаимодействует с подвижным
элементом, состоящим из коаксиально установленных
втулок: внутренней и внешней, образующих подшипниковую пару и соединенных
упорными подшипниками. Внутренняя втулка установлена с возможностью
возвратно-поступательного перемещения и соединена со штоками гидроцилиндров.
Возвратно-поступательное перемещение внутренней втулки обеспечивается роликами.
При необходимости поворота лопастей на заданный угол штоки гидроцилиндров,
втягиваясь или вытягиваясь, перемещают подвижный элемент в нужном направлении,
а последний, взаимодействуя с пальцем, поворачивает лопасть на требуемый угол.
Гидроцилиндры воздействуют на общий для всех трех лопастей подвижный элемент,
который синхронно поворачивает лопасти на требуемый угол и одновременно
устраняет разнотяговость лопастей. Замер линейных перемещений штоков цилиндров,
а, следовательно, и углов установки лопастей не представляет трудности.
В ветродвигателе [21] система управления
положением лопастей производит поворот лопастей через механизм, расположенный в
полом валу раздаточного мультипликатора и полом валу ветроколеса. Лопасти с
помощью кривошипно-ползунного механизма соединены с тягой, на конце которой
выполнен винт передачи винт-гайка. Гайка этой передачи жестко соединена с
червячным колесом. При вращении червячного колеса в ту или иную сторону тяга
поворачивает лопасти в соответствующем направлении. Винт имеет выход наружу, а поэтому имеется возможность измерять его
линейное положение, а, соответственно, и угол установки лопастей.
Поворотные лопасти ветродвигателя [22]
с помощью кулисно-шатунного механизма соединены с толкателем, проходящим внутри
пустотелого вала ветроколеса. Толкатель через шарнирную разделительную муфту
соединен с винтом передачи винт-гайка, гайка которой приводится во вращение
червячным колесом при включении электродвигателя привода изменения угла
установки лопастей. О величине угла установки лопастей можно судить по величине
линейного перемещения торца винта, выступающего наружу из гайки. Также
характеризует угол установки лопастей угол поворота червяка червячной передачи.
Регулятор оборотов ветроколеса [23]
содержит закрепленные на валу ветроколеса лопасти, соединенные с качалками,
которые через тяги соединены шарнирами с гайкой, расположенной на винтовом
валу. При этом регулятор содержит соединенные с системой автоматического управления электромагнитные тормозные
муфты для торможения гайки относительно вала ветроколеса, гайки относительно
неподвижной части ветродвигателя, винтового вала относительно вала ветроколеса,
винтового вала относительно неподвижной части ветродвигателя. Регулятор
работает следующим образом. При нормальной рабочей частоте вращения ветроколеса
все муфты разомкнуты и гайка вращается с винтовым валом с одинаковой скоростью
без взаимного перемещения. При снижении ветра и соответствующем снижении
оборотов ветроколеса по сигналу автоматической системы управления включаются
электромагнитные муфты, соединяющие гайку с валом ветроколеса и винтовой вал с
неподвижной частью ветродвигателя, при этом гайка перемещается влево,
разворачивая лопасти в положение, соответствующее рабочей скорости вращения
ветроколеса, по достижении которого муфты автоматически отключаются. При
увеличении ветра и соответствующем увеличении оборотов ветроколеса по сигналу
автоматической системы управления включаются электромагнитные муфты,
соединяющие соответственно гайку с неподвижной частью и винтового вала с валом
ветроколеса. Гайка перемещается вправо, разворачивая лопасти в более
"флюгерное" положение,
соответствующее рабочей скорости вращения ветроколеса, по достижении которого
муфты автоматически отключаются. Рассмотренная конструкция не позволяет
получить информацию об линейных перемещениях гайки, а, следовательно, об угле
установки лопастей. Для устранения этого недостатка нами разработана доработка
конструкции винтового вала, позволяющая соединить его с датчиками линейных
перемещений. Предполагается патентование данного технического решения.
Известен механизм поворот лопастей
рабочего колеса осевой машины, содержащей закрепленные на цапфах лопастей
ведомые элементы и взаимодействующий с ними ведущий регулируемый диск,
установленный на вращающемся валу [24]. Вал установлен соосно рабочему колесу и
снабжен приводом с постоянной частотой вращения. При рассогласовании угловой
скорости вращения рабочего колеса с угловой скоростью вращения вала ведомые
элементы начнут обкатываться вокруг регулирующего диска, при этом произойдет
изменение угла установки лопастей. Управляя частотой вращения привода можно
изменять угол установки лопастей в широком диапазоне, при этом особой
надобности в знании абсолютного значения угла установки не возникает.
Рассмотренные выше устройства поворота
лопастей, несмотря на большое разнообразие, позволяют получать достоверную
информацию о фактическом угле установки лопастей ветроколес с горизонтальной
осью вращения. Для этого необходимо их дополнительно оснастить датчиками
линейных или угловых перемещений.
Литература:
1.
Отчет о научно-исследовательской работе "Развитие
методов исследования динамики нагруженности новых и нетрадиционных видов
транспорта. Разработка методики расчета динамики ветроколеса
ветроэнергетической установки с вертикальной вращения (заключительный).
Национальная академия наук Украины. Институт транспортных систем и технологий
"Трансмаг". Тема 1.3.6.12. № госрегистрации 102U005341.—Днепропетровск,
2006.—193
стр.
2.
Дудников
В.С. Сравнительная характеристика гидравлических и электротехнических
регуляторов поворота лопастей ветроколес ветроэнергетических установок
/Дудников В.С.// Материалы третьей международной конференции "Наука и
образование 2000". Том 6.—Днепропетровск: Наука и образование. 2000. —С. 13-14.
3.
Дудников
В.С. Поворот лопастей как элемент стабилизации частоты вращения ветроколес с
горизонтальной осью вращения /Дудников В.С.//Materialy IX mezinarodni vedecko-prakticka konference
"Vedecky pokrok na prelomu tysyachalety-2013. Dil 38. Technicke vedy.—Praha: Education and Science". 2013.—C. 57-61.
4.
Дудников
В.С. Анализ возможных и реализованных кинематических и
конструктивно-компановочных схем электромеханических устройств поворота
лопастей ветроколес с горизонтальной осью вращения /Дудников В.С.//. Materialy IX mezinarodni
vedecko-prakticka konference "Vedecky pokrok na prelomu tysyachalety—2013.
Dil 38.
Technicke vedy.—Praha: Education and Science". 2013.—C. 62-69.
5.
Ескендер
Ж.Б. Уравнение поворота лопастей ветрогенератора переменной скорости с целью
ограничения мощности и уменьшения динамических нагрузок //Современные научные
исследования и инновации. Март 2013.—№3. [Электронный ресурс]. URL: http:// web. snauka. ru/ issues (2013/03/23161
(дата обращения 03.10.2013).
6.
А.с.
1278484 СССР, MKИ
F03D7/04.
Система управления ветряной турбиной с поворотными лопастями /Н.Г. Попович,
И.Е. Коваленко, Н.Н. Бондаренко (СССР).—№ 3827600/25-06; заявл. 20.12.84; опубл.
23.12.86, Бюл. № 47.
7.
А.с.
1315646 СССР, MKИ
F03D7/04.
Система управления ветроагрегатом /Н.Г. Попович, Н.Н. Бондаренко (СССР).—№ 4007197/25-06;
заявл. 14.01.86; опубл. 07.06.87, Бюл. № 21.
8.
А.с.
1366687 СССР, MKИ
F03D7/04.
Система управления ветроагрегатом /Н.Г. Попович, Н.Н. Бондаренко, Г. Гербер
(СССР).—№
3988139/25-06; заявл. 10.12.85; опубл. 15.01.88, Бюл. № 2.
9.
Пат.
2444646 Российская Федерация, МПК7 F03D7/02.
Способ управления ветроэнергетической установкой и устройство для реализации
/Цгоев Р.С.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное
учреждение высшего профессионального образования "Московский
энергетический институт (технический университет)".—№ 2010124625/06; заявл. 17.06.2010; опубл. 10.03.2012.
10.
Манусов В.З. Анализ функционирования
нечеткого регулятора мощности ветроэнергетической установки в режиме рабочих
ветров /В.З. Манусов, Э.Г. Ядгаев// Доклады ТУСУРа, № 1(25), часть 1, июнь
2012.—С. 221-225.
11.
Патент на полезную модель 132142 Российская
Федерация, МПК F03D7/00.
Ветроэнергетическая установка /В.З. Манусов, Э.Г. Ядгаев; заявитель и
патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный
технический университет". —№ 2013112705/06; заявл. 21.03.2013; опубл.
10.09.2013.
12.
Агрегат ветроэнергетический АВЭ-250 [Электронный ресурс]. —Режим доступа: http://laborant.ru/eltech/01/9/04-94.htm/
—Заголовок с экрана.
13.
А.с. 1291718 СССР, MKИ4 F03D7/04.
Ветродвигатель/Л.И. Терентьев (СССР).—№ 3931322/25-06; заявл. 17.07.85; опубл.
23.02.87, Бюл. № 7.
14.
А.с. 1325188 СССР, MKИ4 F03D7/04.
Гидравлическая система управления ветроагрегатом /Г.И. Денисенко, А.Ф. Домрачев
(СССР).—№ 3912636/25-06; заявл. 11.06.85; опубл. 23.07.87, Бюл. № 27.
15.
А.с. 1453083 СССР, MKИ4 F03D7/04. Система
управления ветроагрегатом /А.Ф. Домрачев, Н.А. Михайлов (СССР).—№
4204665/24-06; заявл. 04.03.87; опубл. 23.01.89, Бюл. № 3.
16.
А.с. 1455038 СССР, MKИ4 F03D7/04.
Гидравлическая система управления ветроагрегатом с поворотными лопастями/Н.А. Михайлов, Е.М. Сушко, Ю.В. Шевченко
(СССР).—№ 3415722/25-06; заявл. 28.06.86; опубл. 30.01.89, Бюл. № 4.
17.
А.с. 1562519 СССР, MKИ5 F03D7/04.
Гидравлическая система управления ветроагрегатом /Г.И. Денисенко, А.Ф.
Домрачев, Н.А. Михайлов (СССР).—№ 34441263/25-06; заявл. 14.06.88; опубл.
07.05.90, Бюл. № 17.
18.
Пат. 2015410 Российская Федерация, МПК5 F03D7/00.
Устройство для измерения угла установки лопастей ветродвигателя /Винклерис Г.,
Раджюнас П.П.; заявители Винклерис Г., Раджюнас П.П.; патентообладатель
Винклерис Гербертас. —№ 477997/06;
заявл. 05.12.1989; опубл. 30.06.1994.
19.
Пат. 2015411 Российская Федерация, МПК5 F03D7/00.
Ветроэлектрический агрегат. /Винклерис Г., Раджюнас П.П.; заявители Винклерис
Г., Раджюнас П.П.; патентообладатель Винклерис Гербертас.—№ 4872352/06; заявл. 11.10.1990; опубл. 30.06.1994.
20.
А.с. 1760154 СССР, MKИ5 F03D1/06. Устройство
поворота лопастей /В.В. Голицын (СССР).—№ 4826352/06; заявл. 30.07.90; опубл.
07.09.92, Бюл. № 23.
21.
Пат. 2075636 Российская Федерация, МПК6 F03D7/02.
Ветродвигатель. /Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н., Забегаев Н.И.; заявитель
Товарищество с ограниченной ответственностью фирма
"Общемашинжиниринг";
патентообладатель Товарищество с ограниченной ответственностью фирма
"Общемашинжиниринг".—№ 95100977/06; заявл. 24.01.1995; опубл. 20.03.1997.
22.
Пат. 2075637 Российская Федерация, МПК6 F03D7/04.
Ветроэнергетическая установка /Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н., Наумов В.В.;
заявители Товарищество с ограниченной ответственностью фирма
"Общемашинжиниринг", научно-производственное объединение
"Ветроэн"; патентообладатели
Товарищество с ограниченной ответственностью фирма
"Общемашинжиниринг", научно-производственное объединение
"Ветроэн". —№ 95106100/06; заявл. 20.04.1995; опубл. 20.03.1997.
23.
Пат. 2075641 Российская Федерация, МПК6 F03D7/04.
Ветроэнергетическая установка /Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н., Закревский Ю.А.;
заявитель Товарищество с ограниченной ответственностью фирма
"Общемашинжиниринг";
патентообладатель Товарищество с ограниченной ответственностью фирма
"Общемашинжиниринг".—№ 95107096/06; заявл. 20.04.1995; опубл.
20.03.1997.
24.
Пат. 2113616 Российская Федерация, МПК6 F03D7/02.
Способ управления ветроэнергетической установкой /Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н.,
Чернышов С.К.; заявители Товарищество с ограниченной ответственностью фирма
"Общемашинжиниринг", научно-производственное объединение
"Ветроэн"; патентообладатель
Товарищество с ограниченной ответственностью фирма "Общемашинжиниринг".—№
96111224/06; заявл. 06.06.1996; опубл. 20.06.1998.