Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ систем подготовки сжатого воздуха для технологических процессов в машиностроении и возможности применения в них возобновляемых источников энергии 12
1.1. Общие сведения о пневматических устройствах и системах, применяемых в технологических процессах машиностроения 12
1.2. Возможности применения энергии ветра в технологических процессах в машиностроении 23
1.3. Конструкции ветроприемных устройств: преимущества, недостатки и проблемы автоматизации их работы 27
ГЛАВА 2. Автоматизация сбора сжатого воздуха с применением ветроэнергетических установок 41
2.1. Автоматизация сбора сжатого воздуха с применением ветроэлектрической установки 41
2.2. Автоматизация сбора сжатого воздуха при помощи ВЭУРС совместно с дизельной компрессорной станцией 42
2.3. Применение ветрокомпрессорных установок в системе снабжения сжатым воздухом заводов КАМАЗ 49
ГЛАВА 3. Разработка конструкции и управление работой вэурс в техпроцессах подготовки сжатого воздуха, ее основные характеристики и устойчивость работы 55
3.1. Разработка конструкции ветродвигателя с сопловой системой воздухозаборника и эжекторами 55
3.2. Определение максимальной мощности лопасти ветродвигателя... 60
3.3. Уравнения динамики и устойчивость номинального режима работы ветроэнергоустановки 66
3.4. Экспериментальные методы выбора оптимальных параметров ВЭУРС 76
3.5. Определение качества ВЭУРС по техническим параметрам 91
ГЛАВА 4. Методы стабилизации работы вэурс в режиме максимальной снимаемой мощности ветра 93
4.1. Электронная стабилизация работы ВЭУРС в режиме максимальной снимаемой мощности 91
4.2. Автоматическое поддержание работы в режиме максимальной снимаемой мощности ВЭУРС при неэлектрической нагрузке 98
4.3. Автоматическое ограничение мощности ВЭУРС методом поворота лопастей 101
4.4. Предварительный расчет лопасти на прочность 105
4.5. Применение буферного накопителя механической энергии 109
4.6. Преобразование энергии ветра в электрическую в режиме максимальной мощности ВЭУРС 112
Заключение 125
Список литературы 127
- Возможности применения энергии ветра в технологических процессах в машиностроении
- Применение ветрокомпрессорных установок в системе снабжения сжатым воздухом заводов КАМАЗ
- Уравнения динамики и устойчивость номинального режима работы ветроэнергоустановки
- Автоматическое ограничение мощности ВЭУРС методом поворота лопастей
Введение к работе
Пневматические системы управления являются одним из наиболее эффективных средств автоматизации и механизации производственных процессов в машиностроении. В развитых странах около 30% автоматизированных процессов оснащено пневмосистемами управления. Энергию сжатого воздуха промышленных пневматических систем используют для приведения в движение механизмов и машин, автоматического управления технологическими процессами, песко- и дробеструйной очистки, перемешивания растворов, распыления красок, транспортирования сыпучих материалов, дутья в доменные печи и т.д.
Широкому внедрению шевмосистем в машиностроении способствуют такие их положительные качества, как относительная простота конструкции, удобство обслуживания в эксплуатации, низкая стоимость и быстрая окупаемость капитальных затрат, надежность работы в широком диапазоне температур, влажности и запыленности окружающей среды, высокая скорость выходного звена исполнительных устройств, взрыво-пожаро-электробезопасность, большой срок службы, отсутствие необходимости защитных средств при перегрузках.
Но эффективность средств производства энергоносителя для ішевмосистем недостаточно высока. Сегодня сокращение затрат на энергоносители ископаемого вида путем повышения КПД компрессоров и исполнительных устройств ішевмосистем невозможно по техническим соображениям. Сокращение затрат для сбора сжатого воздуха возможно только путем введения в процесс подготовки сжатого воздуха дешевых, экологически чистых, безопасных видов энергии и построения автоматизированных систем управления процессом подготовки сжатого воздуха более высокого уровня.
В последние годы острыми становятся проблемы негативного воздействия производственных объектов на окружающую среду и необходимое снижение энергетических затрат из-за истощения запасов ископаемых видов топлива, в связи с чем резко повышается актуальность применения в технологических процессах энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии. Особую привлекательность в роли дешевого источника энергии имеют ветроэнергоус-тановки (ВЭУ). Цена топлива при транспортировке на большие расстояния возрастает в среднем на 50-80%, стоимость строительства одного километра линии электропередач в зависимости от передаваемой энергии составляет от 15 до 25 тыс. долларов. С учетом этих факторов можно предположить, что в будущем внедрение ВЭУ может снизить потребление органического топлива в народном хозяйстве на 30-50%.
Однако известные ВЭУ, по сравнению с традиционными невозобновляе-мыми источниками энергии, не всегда конкурентоспособны. Недостаточно исследованы и задачи управления работой ВЭУ как в автономном режиме, так и в составе автоматизированных технологических линий. Поэтому проблемы разработки автоматизированных систем управления технологическими процессами машиностроения, содержащих ВЭУ, и совершенствование самой ветроэнер-гоустановки являются актуальными.
Цель работы. Разработка автоматизированных систем производства сжатого воздуха для технологических процессов в машиностроении с применением ВЭУ роторного типа с вертикальной осью вращения и сопловой системой воздухозаборника (ВЭУРС).
Для достижения поставленной цели необходимо разработать:
• систему автоматизированной подготовки сжатого воздуха для технологического процесса в машиностроении совместно с ВЭУРС;
• эффективную конструкцию ВЭУ роторного типа с вертикальной осью вращения и сопловой системой воздухозаборника, которую можно размещать в непосредственной близости от машиностроительных предприятий;
• методы автоматического управления ВЭУРС в режиме максимальной мощности; • математическую модель динамики механической части ВЭУРС и исследовать устойчивость номинального режима ее работы;
• буферный накопитель механической энергии для сглаживания пульсаций вращения ротора ВЭУРС;
• систему автоматического торможения ротора ВЭУРС в экстремальных случаях.
Научной новизной работы является:
- метод автоматического управления ВЭУРС, применяемой в системе подготовки сжатого воздуха в режиме максимальной мощности, отличающийся от известных тем, что скорость ротора регулируется пропорционально кубу скорости ветра за счет применения в установке новых механических или электронных систем управления;
- условия устойчивости номинального режима работы ВЭУРС, полученные методом функций Ляпунова при произвольных отклонениях момента сопротивления нагрузки и вращательного момента ВЭУРС в заданных пределах;
- метод автоматического торможения ротора ВЭУРС в экстремальных случаях, базирующийся на выравнивании крутящих моментов, действующих на лопасти от сил упругости пружин шарниров, центробежных сил инерции и сил давления ветра;
- автоматизированная система подготовки сжатого воздуха автономной и электрической компрессорными станциями совместно с ВЭУРС, позволяющая уменьшить энергозатрат в машиностроении.
Практическая ценность работы. Разработанные автоматизированные системы комплексной подготовки технологического сжатого воздуха позволяют снизить себестоимость сжатого воздуха, уменьшить экологически вредные отходы горения органического источника энергии, сэкономить электроэнергию. Новая ВЭУРС с вертикальной осью вращения по патенту №2168060, содержащая сопловую систему воздухозаборника и эжекторы, позволяет существенно повысить коэффициент использования энергии ветра по сравнению с извест 10 ными с вертикальной осью вращения и, в отличие от пропеллерных, не оказывает негативного влияния на окружающую среду. Конструкция установки довольно проста, лопасти ротора и направляющие соплового аппарата могут быть изготовлены из дешевых композиционных материалов, облегчающих ее вес. Разработанные новые буферные накопители механической энергии вращения ротора ВЭУРС по авторским свидетельствам №1108401, №1363154 сглаживают пульсации вращения вала ВЭУ за счет накопленной энергии.
Реализация результатов. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы ВЭУ, один из которых экспонировался на III Международной специализированной выставке "Энергетика - ресурсосбережение", проведенной в г. Казани 4-7 декабря 2001 г. и был награжден дипломом выставки. Разработаны рабочие чертежи ВЭУ мощностью 5 кВт одного модуля. Собраны и испытаны электронные схемы управления мощностью ВЭУ. Теоретические и практические результаты исследований внедрены в ОАО «КАМАЗ» и в учебном процессе в КамПИ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на V и VI республиканской научно-технической конференции КАМАЗ-КамПИ, (Набережные Челны, 1986, 1988); на международном симпозиуме "Композиты и глубокая переработка природных ресурсов" (Набережные Челны, 1999); на Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" (Набережные Челны, 1999); на I Международной научно-практической конференции "Эффективные энергетические системы и технологии" (Казань, 2001); на симпозиуме "Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья" (Набережные Челны, 2001); на научно-технической конференции "Автоматизация и информационные технологии" (Набережные Челны, 2002), а также на научных семинарах кафедр электрооборудования, управления, менеджмента и маркетинга, аэрогидродинамики КГТУ-КАИ; теоретической механики и сопротивления материалов, автоматизации и прогрессивных технологий КамПИ. По результатам работы предложены 3 новых решения, подтвержденные А.с. № 1108401, А. с. № 1363154 и патентом РФ № 2168060.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 1 монография, 14 статей, 3 тезиса докладов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из принятых обозначений, введения, четырех глав, заключения и списка литературы; содержит 136 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 55 рисунков, список литературы из 118 наименований и 5 приложений.
Возможности применения энергии ветра в технологических процессах в машиностроении
Энергия ветра может быть вначале преобразована в различные формы механического движения. Механическая энергия может быть использована для перекачивания жидкостей, газов, преобразования в тепловую или электрическую энергию или накапливания запасов топлива. В некоторых случаях накопленная энергия может быть использована без дальнейших преобразований. Особенно для аккумулирования энергии можно использовать сжатие воздуха, гидравлические насосные установки, аккумуляторные батареи, процесс электролиза водорода, механические инерционные аккумуляторы, нагрев воды и др. (рис. 1.5).
Энергия ветра может использоваться на сжатие воздуха для различных целей, в том числе для работы газовой турбины для производства электроэнергии в периоды пиковых нагрузок энергосистемы.
Применение пневматических систем дает возможность повысить быстроходность выходного звена исполнительных устройств, снизить металлоемкость агрегата, обеспечить независимость взаимного расположения двигателя и технологического оборудования, увеличить срок службы технологического оборудования, упростить конструкцию установки и повысить надежность оборудования.
Первые пневматические ветроагрегаты, созданные в 50-х годах, применяемые в основном для подъема воды из скважин и колодцев, выполнены по схеме Савотина В.В. [112]. Установка ВКУ-3,5 имела двухлопастное колесо, поршневой воздушный компрессор. Сжатый воздух подается через воздухораспределитель золотникового типа. Для облегчения условий пуска втулка колеса имела автоматическую фрикционную муфту центробежного типа, которая соединяет жестко втулку с валом компрессора. Недостатками схемы являются ее сложность, а также снижение надежности и экономических показателей агрегата из-за применения поршневого компрессора и муфты. Дальнейшее усовершенствование схемы при вело к созданию пневматического агрегата ВПВ-5, двухлопастное колесо которого через цепную передачу и автоматическую колодочную муфту приводит во вращение вал поршневого компрессора.
Анализ схем и конструкций пневмоагрегатов показывает, что их эффективность и надежность могут быть существенно повышены при отказе от применения муфт, замене поршневого компрессора беспоршневым, оснащении насоса автоматическим устройством, обеспечивающим нужные режимы подачи воздуха. Для облегчения пуска агрегата предложены системы разгрузки компрессора, управляемые центробежно-аэродинамическим регулятором колеса, электромагнитным клапаном, ветровым регулятором и др. [23,112].
Одной из задач построения ветрокомпрессорной установки (ВК) является выбор типа и схемы ветроколеса, привода, компрессора и обеспечение соответствия их характеристик между собой. Проблема оптимального соответствия ВД и компрессора заключается в том, чтобы с помощью привода соединить эти разнотипные устройства в одно целое для эффективной совместной работы, обеспечивающей наименьшие затраты при конструировании, требуемую долговечность установки, выполнение технологического процесса и удобство в эксплуатации. Это в первую очередь связано со спецификой ВД, отличием его характеристик и режимов работы от аналогичных показателей, например ДВС или электродвигателя. Выбор ДВС и электродвигателя для компрессорной установки производят для номинальных режимов работы. При выборе пропеллерных ВД выделяют режим, соответствующий определенной скорости ветра, при которой регулятор начинает ограничивать развиваемую мощность. Этот режим, называемый расчетным, соответствует установленной мощности ВД.
Во-вторых, вращающий момент ВД вследствие изменения скорости ветра и частоты вращения ВД постоянно меняется в широких пределах. Поэтому ВД наиболее эффективно можно укомплектовать с компрессором, характеристики которого изменяются плавно или остаются постоянными.
В-третьих, режимные характеристики выбирают так, чтобы моменты ВД и нагрузки были одного порядка.
При комплектации ВД создает большие трудности, чем привод и нагрузка. ВД должен обеспечить начало работы установки при минимальной скорости ветра, т.е. момент, развиваемый ВД при всех режимах, должен быть больше суммы моментов сопротивлений, создаваемых механизмами привода и нагрузкой. В пневматических компрессорах неравномерность вращения не имеет существенного значения.
Применение поршневых компрессоров, имеющих большой начальный момент сопротивлений, требующих хороших фильтров и смазки стенок цилиндров для построения ВК установки, мало перспективно. Чтобы улучшить пусковые качества агрегата и его приемистость, нужно между ВД и компрессором устанавливать муфту и разгружать при пуске ВД, отключая от него компрессор. При заданной частоте вращения ротора ВД муфта автоматически включает компрессор в работу. Этот способ улучшения пусковых качеств агрегата применяется в отдельных устройствах, но он не очень эффективен в ветродвигателях: помимо усложнения двигателя, снижается его надежность, так как муфты обычно работают неустойчиво, при их включении возникают динамические перегрузки. Соединяя компрессор с быстроходным пропеллерным ветроколесом, можно не применять редуктор, но момент колеса в 10-15 раз меньше момента компрессора. Поэтому, чтобы уменьшить скорость вращения, надо увеличить диаметр колеса, но это сказывается на экономичности агрегата: повышается металлоемкость, снижается коэффициент использования установленной мощности. Этот путь также малоэффективен.
Применение ветрокомпрессорных установок в системе снабжения сжатым воздухом заводов КАМАЗ
На компрессорных станциях заводов ОАО КАМАЗ установлено следующее оборудование:
- компрессорная №1-4 компрессора типа К-345 производительностью 20700 нм3/ч каждый;
- компрессорная № 2- 4 компрессора типа К-345 производительностью 20700 нм3/ч каждый; 1 компрессор типа К-250 производительностью 1500 нм3/ч;
- компрессорная № 3- 4 компрессора типа К-345 производительностью 20700 нм3/ч каждый; 1 компрессор типа К-420 производительностью 25200 нм3/ч;
- компрессорная № 4- 5 компрессоров типа К-345 производительностью 20700 нм3/ч каждый.
Суммарная проектная производительность всех компрессорных станций составляет 392100 нм3/ч.
Все компрессорные станции автопроизводства объединены трубопроводами сжатого воздуха в единую кольцевую сеть, что способствует надежному снабжению заводов сжатым воздухом. На компрессорных станциях КИСМ и «Ремдизель» эксплуатируются центробежные компрессора типа К-250 производительностью Q=15000 нм3/ч с приводом от электродвигателя СТД-1600 (N=1 600 кВт, U=10 кВ). Фактически заводы ЗЗЧ-«Ремдизель», КИСМ потребляют сжатый воздух от 4000 до 12000 нм3/ч каждый. При снижении производительности компрессора К-250 мощность потребления электродвигателя уменьшается незначительно, что приводит к перерасходу электроэнергии.
На площадке Автопроизводства эксплуатируются центробежные компрессора типа К-345 производительностью Q=20000 нм3/ч с приводом от электродвигателя СТД-3150 (N=3150 кВт, U=10 кВ). Все компрессора на компрессорных станциях подают сжатый воздух давлением р=0,7-0,76 МПа в общие закольцованные сети сжатого воздуха, от которых запитаны все заводы площадки Автопроизводства.
На компрессорных станциях № 1, 2, 3 литейного завода установлены компрессорная № 1-5 компрессоров типа К-345 производительностью 20700 нм3/ч каждый; компрессорные № 2, № 3- по 4 компрессора типа К-345 производительностью 20700 нм3/ч каждый. Суммарная производительность всех компрессорных станций литейного завода составляет 269100 нм3/ч. Все компрессорные станции литейного завода объединены в единую кольцевую сеть, что способствует устойчивой работе объектов литейного завода в части снабжения сжатым воздухом.
Компрессорная станция «Ремдизель» предназначена для снабжения сжатым воздухом завода запасных частей и завода ремонта двигателей и других объектов, расположенных на площадке этих заводов. В них установлены 4 компрессора типа К-250 производительностью 15000 нмэ/ч каждый. Суммарная производительность всех компрессоров составляет 60000 нм3/ч.
Потребность в сжатом воздухе заводов ОАО КАМАЗ по основному проекту приведена в таблице 2.1.
Поступление сжатого воздуха на заводы осуществляется по трубопроводам, проложенным на эстакаде и частично в подземных тепловых каналах. Существующая система снабжения сжатым воздухом заводов ОАО КАМАЗ имеет следующие преимущества:
- объединение компрессорных станций (автопроизводства, литейного завода) в единую кольцевую сеть позволяет выводить в ремонт любой компрессор в любой компрессорной станции без существенного влияния на работу основного технологического оборудования заводов;
- объединение компрессоров на один коллектор в компрессорных станциях КИСМ и «Ремдизель» позволяет последовательно выводить в ремонт любой компрессор; - централизованная система снабжения сжатым, воздухом позволяет более компактно разместить обслуживающий персонал, что повышает уровень обслуживания;
- синхронные двигатели компрессоров К-345, К-250 являются дополнительными компенсирующими устройствами потребления реактивной мощности из энергосистемы.
Их отключение приведет к снижению коэффициента мощности COS(p, для компенсации потребуется установка дополнительных статических конденсаторных устройств.
Такая схема снабжения сжатым воздухом имеет ряд существенных недостатков:
- давление сжатого воздуха, поддерживаемое в сетях, ориентировано на заводы, где оно должно быть максимальным (ПРЗ, ЗД), хотя остальные заводы могут работать при более низком давлении;
- очень большая протяженность наружных сетей сжатого воздуха, что приводит к большим потерям давления воздуха из-за сопротивления трубопроводов, утечек сжатого воздуха на сетях, замерзания конденсата в трубопроводах малого сечения в зимнее время;
Уравнения динамики и устойчивость номинального режима работы ветроэнергоустановки
Механизмы, передающие вращательное движение от источника энергии к исполнительным механизмам машин, подвергаются динамическим воздействиям. [47,59,65]. Эти воздействия вызываются либо переменными силами, возникающими при выполнении рабочего процесса, либо переменными инерционными силами, возникающими при неравномерном движении рабочих органов машины.
Динамические воздействия снижают прочность и долговечность приводных механизмов. Для защиты приводных механизмов от динамических воздействий используют упругие муфты. Используемые в технике конструкции упругих муфт подробно рассмотрены в [59,65,85].
Упругая муфта (рис.3.8) состоит из полумуфт 1 и 2, жестко соединенных с двумя соосными валами. Между собой полумуфты соединяются упругим элементом 3, допускающим относительное угловое смещение полумуфт. К основным характеристикам муфт относятся: а) номинальный постоянный крутящий момент, б) упругая характеристика муфты, в) демпфирующая способность, характеризующая рассеяние (диссипацию) энергии в муфте при ее деформации.
Зависимость момента сил сопротивления от скорости деформации при малых колебаниях имеет вид МС-ЬВ и вблизи положения статического равновесия упругая характеристика может быть линеаризована. Коэффициент линеаризации c=dM(/de называется жесткостью муфты при данной статической нагрузке.
Упругие муфты обычно используются в машинных агрегатах между двигателем и приводным механизмом. При исследовании динамики машинного агрегата наиболее простой моделью, описывающей динамику агрегата, оказывается двухмассная система.
Принципиальная схема ВЭУ приведена на рис.3.9.: ВЭУ состоит из ВД 1, и привода, который в свою очередь включает упругую муфту 3, мультипликатора 5 и нагрузку 6 (генератор, насос, теплогенератор и т.д.).
Будем считать, что все звенья системы аб- Рис.3.9. Обобщенная принципиальная схема солютно жесткие, а деформация упругой муфты ВЭу: і. ветродвигатель не выходит за пределы областей линейности ее валмуфта; 4 - вал редукто упругой и диссипативной характеристик. Ра 5 редуктор; 6 - на гцуака Обобщенными координатами системы являются угол поворота pi входного вала 2 муфты и угол поворота q 2 выходного вала 4 муфты.
Рассматриваемая система имеет две степени свободы и уравнения динамики будут состоять из уравнения вращательного движения ВД (вала 2) и уравнения вращения выходного вала 4 муфты. І,фх+свм+Ь6м=Мв(і) (3.11) 1&2-сВм-Ъ&м=-ММ (3.12) где 0 =0 /- 2-деформация муфты 3, //-моменты инерции вала 2 вместе с ротором ВД, / -суммарный момент инерции вращающихся частей привода, приведенный к валу 4; с, Ь —жесткость и коэффициент сопротивления упругой муфты соответственно, Me(t)- крутящий момент, создаваемый ВД, Mc(t)- момент сопротивления привода, приведенный к валу 4. При выполнении неравенства (3.20) и условия Ь 0 производная (3.24) при отсут ствии ПДВ (f=0) определенно отрицательна, а функция (3.15), как следует из (3.23), допускает бесконечно большой низший предел [5,11,61,106], т.е. V- оо при х2 + х\ - оо. Таким образом, если моменты Me(t) и Mc(t) имеют номинальные зна чения, то при выполнении условия (20) или (21) номинальный режим работы хі=х2=0 системы будет асимптотически устойчив по Ляпунову в целом [106], т.е. А асимптотически устойчивым при любых начальных возмущениях xrfO) и х2(0) или, что то же самое, при любых (рі(0), фх(0), (р2(0), Фг(0). Как известно [74], устойчивость сохраняется и при достаточно малых возмущениях ). Если ш&/(і) прини 71 мает конечные значения, то номинальный режим xi=X2-0 целесообразно исследовать на устойчивость в большом в следующем смысле. Определение. Нулевое решение Х]=х2=:0 системы (3.18)/=0 называется устойчивым в большом при ПДВ, если оно асимптотически устойчиво по Ляпунову без учета ПДВ и при любых начальных возмущениях, удовлетворяющих условиям JC, (0) хю и 2(0) 5c20 и при произвольных ПДВ/ft), ограниченных неравенством /(0[ /, выполняется условие л, і и К 2 при всех 0- Здесь xx,x2,Xl0,x20,f допустимые границы текущих, начальных и постоянно действующих возмущений соответственно. Достаточные условия устойчивости в смысле этого определения дает следующая теорема.
Автоматическое ограничение мощности ВЭУРС методом поворота лопастей
Ветродвигатели в отличие от двигателей внутреннего сгорания [68] работают всегда при переменных внешних условиях, зависящих не только от нагрузки, но 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 ротора ветродвигателя и обеспечения устойчивой работы на заданном режиме.
При работе ветродвигателя без регулятора момент, развиваемый ротором ветродвигателя, с увеличением скорости ветра может неограниченно расти. [4,35,112].
Чтобы воспрепятствовать росту крутящего момента выше номинального (расчетного) значения при номинальной скорости вращения и тем самым избежать значительных перегрузок ветродвигателя, необходимо либо пропускать излишки энергии ветра мимо лопастей ротора, либо создавать на роторе добавочное аэродинамическое сопротивление.[1,4,35,112].
На существующих ветродвигателях малой и средней мощностей наибольшее распространение получило регулирование ветродвигателей поворотом лопастей. [4].
Для ограничения предельно допустимой мощности ВЭУ и защиты ее ротора от поломок при ураганных порывах ветра предлагается оригинальный способ автоматического торможения ветродвигателя ВД (рис.4.6). Торможение производится поворотом лопасти 1 вокруг оси 2 в направлении воздушного потока под действием центробежной силы инерции Fu и равнодействующей сил давления F ветра. Таким образом, как чувствительным, так и исполнительным органом системы автоматического торможения выступают сами лопасти. Для удержания лопасти в рабочем состоянии до предельной скорости ветра в шарнире 2 установлен упругий элемент с предварительным натягом.
Параметры упругого элемента определяются из условия равенства нулю суммы моментов сил, действующих на лопасти при предельной скорости ветра, относительно шарнира О і, т.е. Му -F rsmР -Furs\n(p - 0ь (4.6) где F - равнодействующая сил давления ветра, направленная перпендикулярно лучу ротора; F„ - центробежная сила инерции, направленная вдоль радиуса вращения центра массы лопасти; Му - момент сил упругости в шарнире О і, направленный против хода часовой стрелки. Все величины, входящие в (4.6), будем выражать через скорость ветра V и конструкционные параметры L, г, тл, р ротора и лопасти. Сила инерции определяется по известной формуле: Ftt = mj, o2R, (4.7) где тл - масса лопасти; а - угловая скорость ротора ВД; R - радиус вращения центра массы С лопасти, которая определяется по теореме косинусов R = -yJL2 + r2 -ILrcosfi, (4.8) где L - длина луча OOi ротора; г - расстояние между центром массы С и шарниром О}.
Исходное положение элементов накопителя: ролик 5 находится в центре диска 4, маховик 1 неподвижен, грузы 9 собраны вблизи оси вращения корпуса 2, что приводит к уменьшению потребляемой энергии при пуске. При подключении к двигателю вращающий момент начинает поворачивать корпус 2, а маховик 1 в силу своей инерционности остается без движения. Рычаг 3 отклоняется на угол р и перемещает ролик 5 вдоль шлицево-резьбового вала 6 от центра диска 4.
Вследствие связи между маховиком и корпусом, допускающей относительный поворот на некоторый угол д , по мере поворота корпуса 2 начинается вращение маховика 1. Таким образом, приводной двигатель нагружается постепенно, что приводит к уменьшению пускового этапа. Одновременно с этим выход ролика 5 из центра диска 4 приводит к вращению вала 6, а вращение вала через червячную передачу 8 передается на оси поворота грузов 9. Грузы 9 расходятся от оси вращения маховика 1, увеличивая его момент инерции. В процессе разведения грузов одна из возвратных гаек 7 возвращает ролик 5 в центр диска 4. Ролик 5 прекращает свое вращение, следовательно, движение грузов 9 относительно корпуса 2 прекращается. Скорости маховика 1 корпуса 2 и грузов 9 выровнены, накоплена наибольшая кинетическая энергия.
Под действием нагрузки появляется угол (р обратного знака, и ролик 5 с помощью рычага 3 перемещается вдоль вала 6 в другую сторону. Вал 6 вращается в другом направлении, и червячные пары 8 собирают грузы 9, уменьшая момент инерции системы. При этом скорость вращения корпуса 2 поддерживается на определенном уровне. В процессе сбора грузов 9 возвратная гайка 7 возвращает ролик 5 к центру диска 4, при этом выравниваются скорости движения маховика и корпуса и прекращается вращение вала 6. С возвращением грузов в центр включается приводной двигатель, и цикл повторяется вновь. Под действием внешнего момента нагрузки Мс изменение кинетического момента системы L выражается
dL = d(2m aR2) = dt dt где т- масса всех грузов; со- угловая скорость маховика; R- радиус вращения грузов - величина переменная. Для переменной части момента инерции системы из-за движения грузов при а постоянной имеем: иг mm dmR CD . ж trrm »(RL-RL) mRadR 2MC dt ma) JRdR = Mcdt, при Rmtn O, время поддержания установленной угловой скорости накопителем будет 2МС Буферный накопитель позволяет в результате накопления кинетической энергии [47] преодолевать повышенные нагрузки без увеличения мощности двигателя с сохранением установленной угловой скорости вращения.
