Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1 Размещение ветроэнергетических установок 13
1.2 Проблемы размещения ветроэнергетических установок в черте жилых поселений и возможные пути их решения 16
1.2.1 Шум 16
1.2.1.1 Возможные пути решения проблемы шума ВЭУ 20
1.2.2 Инфразвук 21
1.2.2.1 Пути решения проблемы возникновения инфразвука в ветроустановках 24
1.2.3 Ультразвук 24
1.2.3.1 Необходимость исследования ультразвуковых колебаний 26
1.2.4 Вибрация и резонанс 26
1.2.4.1 Возможные пути решения проблемы вибрации и резонанса...27
1.2.5 Сбой телерадиовещания и навигационных приборов 30
1.2.6 Влияние ветроустановок на миграции птиц 30
1.2.7 Нормативы, законы, акты по ветроэнергетике 31
1.2.7.1 Необходимость внесения изменений в существующие стандарты по ветроэнергетике 33
1.2.8 Исследования уровня ветровой обстановки городских массивов...34
1.2.9 Габариты и масса ВЭУ 35
1.2.9.1 Возможные пути решения проблемы размещения ветроустановок 35
1.2.10 Характеристики зданий и сооружений 37
1.2.10.1 Исследование возможности изменения конструкций зданий в плане применения ветроустановок 39
1.2.11 Характеристики иных объектов, на которых может размещаться ВЭУ 42
Выводы по главе. Цель и задачи исследования 43
Глава 2. Теоретические исследования виброколебаний ветроэнергетической установки 46
2.1 Исходные данные 50
2.2 Предварительные теоретические исследования на этапе проектирования 52
2.2.1 Предварительная оценка жесткости и прочности лопасти ВЭУ..53
2.3 Тестирование расчетной модели ротора ВЭУ 61
2.3.1 Расчетная модель конструкции 61
2.3.2 Нагрузки 63
2.3.3 Напряженно-деформированное состояние 65
2.4 Динамические характеристики 67
2.4.1 Собственные частоты и формы колебаний 67
2.4.2 Амплитудно-частотные характеристики 67
2.4.3 Расчет динамических характеристик и напряженно-деформированного состояния ВЭУ-3 70
2.4.3.1 Изменения в расчетной модели конструкции 70
2.4.3.2 Внешние механические воздействия 70
2.4.3.3 Внутренние силовые факторы и напряженно-деформированное состояние 74
2.4.3.4 Динамические характеристики упругих колебаний 75
2.4.4 Расчет прочности 82
2.4.4.1 Общие положения 82
2.4.4.2 Внешние воздействия 83
2.4.4.3 Расчетная конечно-элементная модель 83
2.4.4.4 Результаты расчета 84
2.4.4.4.1 Расчет кольца верхнего, нижнего, среднего 84
2.4.4.4.2 Расчет лопасти вертикальной 88
2.4.4.4.3 Расчет основания 91
2.4.4.5 Усталостная прочность ВЭУ-3 с шестью лопастями 95
2.4.4.5.1 Динамическая модель для расчетов нагрузок и напряженно-деформированного состояния. 96
2.4.4.5.2 Перечень действующих нагрузок 96
2.4.4.5.3 Аэродинамические характеристики вертикальных лопастей 96
2.4.4.5.4 Нагруженность основных элементов конструкции... 102
2.5 Исследование вибрационных колебаний 105
2.5.1 Результаты моделирования силового воздействия ВЭУ на фундамент 109
2.5.1.1. Результаты моделирования силового воздействия ВЭУ на фундамент в случае неупругой в вертикальном направлении мачты : 109
2.5.1.2. Результаты моделирования силового воздействия ВЭУ на фундамент в случае упругой в вертикальном направлении мачты 139
2.5.2 Результаты моделирования вибросмещений 149
Выводы по главе 157
Глава 3. Методика экспериментальных исследований вибрационных параметров ВЭУ 159
3.1 Методики оценки параметров ВЭУ 159
3.2 Нормативные ссылки 160
3.3 Виброиспытания и методика весовой балансировки ВЭУ на основе методики балансировки вертолетов 160
3.3.1 Виброиспытания с помощью портативного прибора 163
3.3.2 Виброиспытания с помощью автоматизированной системы 168
Результаты и выводы главе 171
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 172
4.1 Полевые вибрационные испытания и весовая балансировка ВЭУ...172
4.2 Реализация методики испытаний и балансировки 176
4.2.1 Измерение без груза на 80 об/мин 181
4.2.2 Измерение с рекомендуемым грузом 400 г, 357, 80 об/мин 183
4.2.3 Измерение с пробным грузом 330 грамм, угол 357, 80 об/мин. 184
4.2.4 Измерение с рекомендуемым грузом 530 г, 60, 150 об/мин 185
4.3 Измерение шума, инфразвука и ультразвука 187
4.4 Результаты измерений параметров ВЭУ 187
Основные результаты и выводы по главе 189
Глава 5. Экономическая эффективность использования ветроустановок 190
5.1 Тенденции рынка энергетики в России 190
5.2 Потенциальный рынок ветроэнергетики в России 192
5.3 Потенциальный рынок ветроэнергетических установок, предназначенных для размещения на зданиях и сооружениях 194
5.4 Экономия ресурсов 195
Выводы по главе 195
Заключение 196
Литература 198
Приложения 210
- Проблемы размещения ветроэнергетических установок в черте жилых поселений и возможные пути их решения
- Предварительные теоретические исследования на этапе проектирования
- Виброиспытания и методика весовой балансировки ВЭУ на основе методики балансировки вертолетов
- Потенциальный рынок ветроэнергетических установок, предназначенных для размещения на зданиях и сооружениях
Введение к работе
Актуальность работы. К началу XXI века ветроэнергетика выделилась в отдельную отрасль альтернативной энергетики на основе возобновляемых источников энергии. Несмотря на ряд очевидных неоспоримых достоинств ветроэнергетические установки (ВЭУ) не лишены недостатков и в той или иной степени оказывают негативное влияние на окружающую среду. Основным источником такого влияния являются вибрационные колебания, генерируемые компонентами ветроэнергетической установки в процессе работы под действием возмущающих аэродинамических и инерционных сил и моментов. Особенно опасны резонансы возмущающих силовых воздействий и собственных колебаний компонентов ВЭУ, возникающие при дисбалансе ротора и приводящие к разрушению установки. Эти вибрации, передаваясь через среду, воздействуют на близлежащие здания и сооружения, снижают их прочность и устойчивость, могут стать причиной разрушения трубопроводов, подземных коммуникаций и других окружающих инженерных сооружений. Под действием вибрации происходит эрозия почвы, переселение животных и птиц, наблюдается ухудшение самочувствия людей, проживающих за многие километры от ветроэнергетической установки.
В связи с данными особенностями рядом стандартов и санитарных норм предписывается располагать ВЭУ на значительном удалении от жилых объектов, что приводит к повышению установочных и эксплуатационных расходов, а также к увеличению потерь при передаче энергии. Вместе с тем, в связи с увеличением дефицита электроэнергии и роста цен на энергоносители количество запросов на размещение ВЭУ вблизи и непосредственно на жилых, офисных и производственных зданиях неуклонно растет.
Учитывая эту тенденцию и недостаточную изученность вибрационных свойств выпускаемых промышленностью ветроустановок, особенно с вертикальной осью вращения, разработка методов снижения вредного и, в ряде случаев, опасного воздействия общей вибрации, генерируемой ВЭУ, является актуальной и приобретает особое значение. При этом одной из главных задач остается обеспечение максимальной безопасности ВЭУ с точки зрения воздействия вибрации на объекты.
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы" (Постановление от 17 октября 2006 г. N 613 «О федеральной целевой программе»), код Н4.4 Энергетика, включая нетрадиционную. Область техники H02N. Критическая технология федерального уровня «Технологии новых и возобновляемых источников энергии».
Работа дважды поддержана грантами по программе финансирования гражданских научно-исследовательских работ оборонного комплекса России, осуществляемой Международным Научно-Техническим Центром, г. Москва.
Цель работы — снижение общих вибраций вертикально-осевой ветроэнергетической установки.
Идея работы - разработка методики снижения общих вибраций ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки за счет оптимизации конструкторских решений и весовой балансировки ротора в предэксплуатационный период.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Общая вибрация ветроустановки, вызываемая внешними возмущающими аэродинамическими и центробежными силами и моментами, зависит от геометрии и материалов компонентов ротора и мачты. Эти параметры можно оптимизировать на этапе проведения конструкторских работ с целью снижения вибраций до допустимого уровня.
Вибрации в роторе исправной ветроустановки возникают за счет его дисбаланса, вызванного неоднородностью материалов компонентов и погрешностями сборки. Дисбаланс ротора устраняется за счет весовой балансировки.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований общих вибрационных колебаний ВЭУ, проведенных на основе компьютерной (трехмерной), математической и физической моделей с целью снижения этих вибраций.
4. Метод балансировки ротора вертикально-осевой ВЭУ в
предэксплуатационный период.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается аргументированностью исходных посылок, вытекающих из основ физики, удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований вибраций, генерируемых ветроэнергетической установкой, с результатами экспериментов, выполненных в реальных условиях.
Значение работы.
Научное значение работы заключается в том, что
- установлено влияние внешних и внутренних силовых воздействий,
приводящих к возникновению вибрации;
определена величина и законы изменения вибраций;
разработан метод снижения уровня вибраций на основе моделирования параметров материалов и архитектуры компонентов в период проектирования.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- на основе теоретических исследований, опыта производства и
эксплуатации ветроэнергетических установок создана методика динамической
балансировки роторов вертикально-осевых ветроэнергетических установок
малой мощности (1...100 кВт), рекомендуемая к использованию
производителями ВЭУ и монтажными организациями в предэксплуатационный
период с целью снижения вредного влияния ВЭУ на здоровье человека и
внешнюю среду;
- в соответствии с полученными результатами исследований и испытаний
с целью изменения действующих стандартов по применению
ветроэнергетических установок вблизи жилья и непосредственно на жилых,
офисных и производственных объектах сформулированы изменения в 3
стандарта РФ и организаций:
Стандарт организации «Российское открытое акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС РОССИИ»». Нетрадиционные электростанции. Ветроэлектростанции. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования.
Стандарт организации «Российское открытое акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС РОССИИ»». Ветроэлектростанции. Условия создания. Нормы и требования.
3. Национальный стандарт Российской Федерации (МЭК 61400-1). Установки
электрические ветровые. Требования к конструкции.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Научные положения и выводы переданы в ООО «ГРЦ-Вертикаль» и ОАО «КумАПП» и используются на этапе проведения конструкторских работ и в процессе предэксплуатационной балансировки роторов выпускаемых ветроэнергетических установок для снижения вибраций. Уровень вибраций после балансировки роторов находится в допустимых пределах.
В настоящее время на испытаниях и в эксплуатации находятся:
- ВЭУ-1 (1 кВт, четырехлопастная):
Ронерт Парк (Калифорния, США) - 1 шт;
Окланд (Калифорния, США) — 1 шт;
Кумертау (Башкирия) - 1 шт;
Миасс (Челябинская область) - 2 шт; -ВЭУ-3(4) (3 кВт, четырехлопастная):
Кумертау (Башкирия) - 1 шт; -ВЭУ-З(б) (3 кВт, шестилопастная):
Ронерт Парк (Калифорния, США) - 1 шт;
Кумертау (Башкирия) - 1 шт;
Челябинск — 1 шт.
Рекомендации и проекты изменений ГОСТов и стандартов организаций были переданы в НПЦ Малой Энергетики ОАО РАО «ЕЭС России».
Апробация работы: Разработки награждены дипломом «Второго регионального конкурса творческой мысли «От идеи до проекта»» за разработку проекта «Организация специализированного участка по изготовлению серийных ветроустановок», г. Екатеринбург, 2003 г., дипломом Министерства образования и науки Российской Федерации, Федеральным Агентством по науке Российской Федерации за участие в выставке «Перспективные технологии XXI века», г.Москва, 2004 г., дипломом «Выдающегося разработчика ветровых турбин с вертикальной осью вращения» Научно-производственной группы МК Стил по программе профессиональной разработки и науки, Калифорния, США, 2007 г., дипломом «За активное участие в областном конкурсе «Изобретатель Южного Урала», г.Челябинск, 2008 г., дипломом и серебряной медалью VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций за разработку «Ветроэнергетическая установка», г.Москва, 2008 г.
Разработки получили положительную оценку:
на НТС Министерства сельского хозяйства Челябинской области, г. Челябинск, 2005 г.;
на НТС ОАО РАО «ЕЭС России» секция «Малая и нетрадиционная энергетика»», г. Москва, 2006 г.
Результаты разработок одобрены Департаментом топливно-энергетического комплекса Министерства промышленности и энергетики Российской Федерации, г.Москва, 2006 г.
Результаты работы были доложены, рассмотрены и одобрены:
на научно-практической конференции ЮУрГУ, секция «Возобновляемые источники энергии», г.Челябинск, 2008 г.;
на V Международной научно-практической конференции «Возобновляемые источники энергии. Ресурсы. Системы энергогенерирования на возобновляемых источниках энергии», г.Москва, 2008 г.;
на 1-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, опыт применения» и круглом столе в честь 85-летия Бурятии «Приоритеты Байкальского региона в азиатской геополитике России», г.Улан-Удэ, 2008 г.;
- на Российско-чешском энергетическом семинаре «Энергосбережение и
проблемы энергетики», г.Челябинск, 2008 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 1 патент и 1 положительное решение на выдачу патента и 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 259 страницах машинописного текста, содержит 49 страниц приложений, 126 рисунков, 27 таблиц, список используемой литературы из 208 наименований.
Проблемы размещения ветроэнергетических установок в черте жилых поселений и возможные пути их решения
Ветроэнергетические установки особенно привлекательны тем, что их можно достаточно быстро установить там, где других источников энергии нет. Однако приходится констатировать, что работа ветроагрегатов зачастую сопровождается рядом неприятных явлений.
Влияние ВЭУ на организм человека и животных еще недостаточно изучено. Согласно изученной литературе, в основном исследованиям подвергался ряд горизонтально-осевых установок (традиционных «пропеллеров») [66,67]. Шум, производимый ветроустановками и лежащий в диапазоне восприятия ухом человека, является одним из главных негативных факторов ВЭУ. Основными источниками акустического шума ВЭУ являются гондола, ступица ветроколеса (ВК) или ротора, лопасти и мачта.
Например, на уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭУ мощностью 850 кВт с горизонтальной осью вращения уровень шума составляет 104 дБ [1]. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. На расстоянии 300 м шум снижается до 42-45 дБ. Это позволяет размещать ВЭУ в относительной близости к жилью, что уже принято в Европе согласно Требованиям Ллойда [20].
В лаборатории инженерной механики MITI (Ибараки, Япония) были проведены исследования акустических характеристик ВЭУ мощностью 15 кВт с ветроколесом диаметром 15 м при скорости ветра 8 м/с [1]. Ось вращения ротора (ветроколеса) горизонтальная, на высоте 14,7 м. Редуктор содержит мультипликатор (зубчатые шестерни) и коническую зубчатую передачу. Вал генератора расположен вертикально в цилиндрической металлической башне, имеющей фланцевые соединения на высотах 1,0; 6,5 и 13 м от ее основания.
Измерения собственных частот башни и акустических характеристик работающей ВЭУ показали, что имеют место флуктуации уровня шума, обусловленные крутильными колебаниями вала ветроколеса. Эти колебания вала передачи возникают при малых нагрузках.
Факторами, определяющими уровень его шума, считаются тип передачи, условия работы, конструкция, рабочие характеристики, размещение. Уровень акустического шума планетарной передачи, обычно применяемой для таких ВЭУ, может быть приблизительно рассчитан по эмпирической формуле в функции передаваемой мощности [64].
Шум, измеренный в непосредственной близости к горизонтально-осевой ВЭУ мощностью 2 МВт (Германия), составляет суммарно 102.2 дБ(А).
Измерения проводились в точке на уровне земли в 115 м от башни по направлению ветра. Как видно, сравнительно сильное излучение идет от ступицы ВК. Это обусловлено тем, что она является внешней частью рабочего подшипника и выполнена из стали. Излучение от башни относительно невелико, так как она была изготовлена из армированного бетона. Следует отметить, что при логарифмическом сложении указанных составляющих суммарный шум 56 дБ(А) определяет наиболее интенсивная составляющая.
В таблице 1.1 и на рис. 1.3—1.7, в качестве примера приведены данные о шумовых характеристиках различных ветроустановок и их зависимость от скорости ветра, от расстояния до ветроустановки, от мощности ветроустановки и т.д.
Известно, что при подключении достаточной нагрузки ВЭУ флуктуации уровня шума не наблюдается, т.е. отсутствуют крутильные колебания вала ВК [1]. Таким образом, одно из решений проблемы - наличие постоянной нагрузки, подключенной к ВЭУ. Это может быть какой-либо балласт в отсутствие полезной нагрузки, система стабилизированного обогрева и/или охлаждения, генерирование потенциальной энергии с целью ее запасания различными способами и т.д.
Из системы ВЭУ может быть исключен мультипликатор [61]. В этом случае проблема акустических шумов механики (и гидравлики) отпадает сама собой.Шум исправного безредукторного генератора и электрооборудования не является существенным и им можно пренебречь.
Вообще, при исключении зубчатой передачи из устройства исключается возможность возникновения резонанса собственных частот крутильных колебаний вала с частотой колебаний вращающего момента, которые возникают вследствие неравномерности работы ветроустановки. Таким образом, вибрации, а значит и шум, в таком случае отсутствуют. Тенденция ухода от наличия редукторов в системе ВЭУ просматривается уже на протяжении последних 30-40 лет [72].
Учитывая данные замечания, известные уже на протяжении полувека, ряд новейших современных ветроустановок не имеют мультипликатора, в конструкциях их гондол используются эффективные звукоизолирующие и звукопоглощающие материалы [19]. Основной составляющей шума таких ВЭУ является аэродинамический шум, производимый лопастями ветроустановок. За счет разницы линейных скоростей точек лопастей горизонтально-осевых ветроустановок генерируются звуковые (в том числе и инфразвуковые) колебания [69].
Их низкочастотная составляющая была проблемой для некоторых ранних проектов ветроустановок, поскольку было замечено, что они отрицательно сказывались на живых организмах. Однако этот недостаток в целом преодолен 20-30 лет назад (т.е. в XX веке) рядом инженерных решений. Аэродинамический шум также может быть снижен соответствующим профилированием лопастей, подбора скорости вращения ветроколеса и механизма его ориентации на ветер (для горизонтально-осевых установок) [16, 37].
Предварительные теоретические исследования на этапе проектирования
На этапе проектирования в целях определения нагрузок на ВЭУ-3 и обеспечения прочности ее силовой конструкции выполнены следующие предварительные исследования: - проведен анализ проектных чертежей установки и технических условий на безопасность ветроустановок [20] и результатов аэродинамических расчетов с позиции механических нагрузок и прочности силовой конструкции; - определены силовые воздействия на установку и ее элементы при эксплуатации; - построена расчетная конечно-элементная модель установки для расчетов динамических характеристик при механических колебаниях и расчетов напряженно-деформированного состояния; - при тестировании модели проведены расчеты напряженно-деформированного состояния конструкции ВЭУ-3 на максимальные нагрузки каждого вида (гравитационные, инерционные, аэродинамические) и на сочетание нагрузок в случае максимального ветрового воздействия рабочего состояния; - проведены расчеты динамических характеристик конструкции (собственных частот, форм колебаний) и амплитудно-частотных характеристик в характерных узлах модели по ускорениям от переменных сил; - проведен анализ результатов уточненных аэродинамических расчетов, на основании которого уточнены внешние механические воздействия на установку при ее эксплуатации [35]; - проведены расчеты внутренних силовых факторов и напряженно деформированного состояния конструкции ВЭУ-3 на нагрузки, соответствующие характерным точкам диаграммы «скорость ветра - число оборотов ротора»; - определены расчетные собственные динамические характеристики ВЭУ-3 при упругих колебаниях, а также амплитудно-частотные характеристики при действии нагрузок гармонического характера на ротор.
В обеспечение расчётов усталостной прочности конструкции ВЭУ-3 выполнены следующие работы: - проведён анализ конструкторской документации и технических условий безопасного функционирования ветроэнергетических установок [5] и определён перечень расчётных случаев; - проведён анализ вероятностных характеристик скорости ветра и выбран ветровой режим для расчётов; - проведён анализ аэродинамических характеристик, соответствующих выбранному ветровому режиму; - определены действующие нагрузки для каждого расчетного случая и выполнены расчеты внутренних силовых факторов и напряжённо деформированного состояния конструкции ВЭУ-3; - выполнены расчетные оценки усталостной прочности наиболее нагруженных элементов конструкции ВЭУ-3; - даны соответствующие рекомендации для учета при выпуске конструкторской документации; конструкторская документация откорректирована в соответствии с рекомендациями; - проведен ряд стендовых и полевых испытаний, подтвердивших расчетные данные, вычисленные с помощью математической модели; - по анализу испытаний проведена корректировка математической модели с выводом о близком соответствии математической и физической модели ветроэнергетической установки ВЭУ-3. На основе модифицированной в ООО «ГРЦ-Вертикаль» импульсно-вихревой теории были рассчитаны габаритные и основные конструктивные параметры ВЭУ-3, получены аэродинамические характеристики конструкции. Аэродинамические нагрузки на лопасти и на роторы в целом для ВЭУ при всех значениях быстроходности проанализированы и использованы группой динамической прочности в дальнейших расчетах [105]. Общий вид профиля лопасти ВЭУ-3 приведен на рисунке 2.2. Для исследуемой модификации ВЭУ-3 длина хорды равна Ь=0,35 м (ось ординат), максимальная толщина с=0,18Ь (ось абсцисс) расположена на 39% хорды, считая от носка профиля. Конструкция лопасти приведена на рис. 2.3. Толщина обшивки лопасти, выполненной из стеклопластика, равна 3,5 мм. Заполнитель - пенопласт. Толщина законцовки лопасти 4 мм. Расчетная модель силовой конструкции ВЭУ-3 разработана с учетом применения программно-вычислительного комплекса MSC/NASTRAN [114], реализующего метод конечных элементов. Для большей части элементов конструкции ВЭУ-3 в модели использованы элементы типа "SOLID", лишь конструкция основания ротора представлена элементами типа "PLATE". Число степеней свободы в модели составляет примерно 20000. Общий вид расчетной модели показан на рисунке 2.10. Расчеты по модели установки с жесткой мачтой, имеющей два подкоса, показали, что на заданные ветровые условия сконструировать подкосы с приемлемыми массовыми и жесткостными характеристиками не представляется возможным. Дальнейшие расчеты выполнялись для конструкции мачты с тремя подкосами. В расчетах использованы две модели работы подкоса. По первой из них жесткость подкоса при сжатии принимали равной его жесткости при растяжении. Эта модель обеспечивает оценку максимально возможных сжимающих усилий в подкосе. По второй модели подкос не воспринимает сжимающих усилий после потери устойчивости. Расчет по данной модели с использованием геометрической нелинейности, учитывающей потерю устойчивости, позволяет дать верхнюю оценку значений нагрузок на мачту и растянутые подкосы. Переменные составляющие нагрузок на конструкцию ВЭУ определены по модели, в которой исходили из допущения о "нулевой" жесткости сжатого подкоса, поскольку статические составляющие нагрузок вызывают потерю устойчивости. Упомянутый выше расчет с учетом геометрической нелинейности показал, что в этом случае суммарная жесткость подкрепления мачты, обеспечиваемая всеми подкосами, снижается примерно в два раза. Поэтому в расчетной динамической модели осуществлено освобождение степени свободы нижнего узла сжатого подкоса по продольной оси этого подкоса.
Виброиспытания и методика весовой балансировки ВЭУ на основе методики балансировки вертолетов
Вибрационные испытания и балансировка вращающихся винтов (роторов) достаточно хорошо изучены предприятиями, производящими вертолеты [116] -Казанский вертолетный завод, Кумертауское авиационное предприятие и т.д. Методика балансировки роторов, предназначенная для снижения вибрационных колебаний в предэксплуатационный период, основана на регистрации вибраций и последующему их снижению за счет соответствующей методики установки весов (грузов) на лопастях вертолета [174, 175,176-178, 181-185].
Сравним винт вертолета и ротор ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения с точки зрения анализа возможности применения методики весовой балансировки винтов вертолетов к балансировке вертикально-осевых ВЭУ.
Несущая система вертолёта является достаточно специфичным объектом динамической балансировки по целому ряду причин [175]. Роторная группа, подлежащая балансировке, представляет собой один или два низкооборотных соосных винта. Согласно методике в случае наличия двух винтов балансировать можно, любой из винтов, а в случае специального требования — оба винта.
Наличие динамического дисбаланса винта вертолета в данном случае может быть обусловлено несколькими причинами: лопасти винтов отличаются по весу, либо его распределению по длине лопасти; -лопасти винтов отличаются, по геометрическим размерам; , лопасти винтов отличаются по профилю; аэродинамический дисбаланс от неравномерного взаимодействия лопастей с окружающей средой; аэродинамическое, взаимодействие лопастей верхнего и нижнего винтов (в основном приводит к возрастанию виброактивности на второй гармонике лопастной частоты, т.е. 6FBp. винта); лопасти винтов.отличаются инерционно-жесткостными характеристиками; аэродинамическое взаимодействие лопастей винтов с землей при наземной гонке и висении на малых высотах. аэродинамическое взаимодействие лопастей с корпусом вертолёта; неравные жесткости корпуса вертолёта в осевом и поперечном направлениях и т.д.
Все вышеупомянутые причины дисбаланса .верны для; вертикально-осевой шестилопастной ветроэнергетической установки типа ВЭУ-3 (ООО «ГРЦ-Вертикаль»).
В; соосных двухвинтовых вертолетах балансируют в первую очередь верхний винт благодаря тому, что он оказывает большее влияние на виброактивность объекта, т.е. генерирует наиболее высокие амплитуды вибраций. Балансировка нижнего винта проводится по мере необходимости.
Балансировка ВЭУ-3 может быть произведена в плоскости среднего кольца исходя из предположения, что центр масс ротора ВЭУ расположен в этой плоскости. В общем случае, конечно, это не так,, однако, как в случае балансировки двухвинтового вертолета в ряде случаев пренебрегают балансировкой нижнего винта, так и в. случае балансировки ВЭУ можно пренебречь массой верхнего и нижнего кольца,, а также лопастей, т.к.. по сравнению с массой остальных комплектующих ротора эта масса является . ничтожной.
С точки. зрения оборотов винты вертолёта представляют собой практически однорежимный механизм, т.е. в большинстве случаев они вращаются с постоянными, номинальными оборотами. Все эволюции, совершаемые вертолётом, в основном определяются законами изменения углов атаки лопастей за оборот винта и в этом отношении винты представляют собой многорежимный объект балансировки.
В отличие от лопастей вертолета лопасти ВЭУ всегда имеют один и тот же угол атаки, но их скорость постоянно изменяется сообразно с изменением скорости ветра и нагрузки. Таким образом, если центр масс смещен относительно геометрического центра, при возрастании скорости возрастают силы и моменты, в результате чего возникают вибрационные колебания. Таким образом, принимая максимальную скорость вращения ВЭУ за номинал, можно утверждать, что режим вращения ротора ВЭУ с номинальной скоростью является самым экстремальным, поэтому именно на нем следует проводить балансировку. Данное утверждение верно только за счет того, что, благодаря аэродинамическим тормозам ВЭУ-3, ротор установки, начиная со скорости 10,4 м/с, вращается с одной и той же скоростью 180 об/мин. Кроме того, данный режим является номинальным, т.к. именно на нем производится расчет снимаемой энергии.
В силовом приводе вертолёта нет ни одного значимого с точки зрения наличия вибрации вала или узла, который вращается медленнее, чем несущие винты. Это означает, что динамический дисбаланс винтов, проявляющийся на частоте их вращения, создаёт самые низкочастотные и, соответственно, самые большие динамические усилия, воздействующие на объект. Соответственно, решение задачи качественной балансировки винтов является одной из важнейших задач улучшения динамических параметров вертолёта.
В конструкции ВЭУ-3 ротор включает в себя ступицу и генератор, общий центр масс которых расположен с некоторой погрешностью в плоскости среднего кольца. Мультипликатор отсутствует. Поэтому балансировка, как и в случае вертолета, в ВЭУ сводится к балансировке ротора в плоскости среднего кольца.
Большое количество факторов, формирующих динамическую сбалансированность винтов вертолётов и неоднозначность в выборе режима балансировки не должны создавать впечатления большой сложности или даже невозможности решения данной задачи. В действительности это совсем не так, поскольку существует многолетний опыт успешного выполнения подобных работ и, значит, речь идет только о соответствующем техническом и методическом оснащении, позволяющим выполнить работу с наилучшим качеством и в минимальные сроки. Опыт показывает, что наибольшее влияние на сбалансированность оказывает весовая несбалансированность винтов и в эксплуатационных условиях выполняется именно весовая балансировка винтов. При этом просто необходимо иметь в виду, что это далеко не единственная причина динамического дисбаланса и распределение влияния различных факторов вполне может отличаться от одного вертолёта к другому и поэтому результаты, достигаемые весовой балансировкой, могут несколько отличаться даже для однотипных машин.
Напротив, для ВЭУ такой балансировки может быть достаточно в общем случае, т.к. балансировочный объект представляет из себя только ротор, без дополнительных тел (в отличие от вертолета, который имеет корпус со своими характеристиками, также вносящими помехи в работу винта). Однако, в случае необходимости, для более точной балансировки потребуется пространственная балансировка. Она сводится к уравновешиванию центра масс, расположенного в пространстве (т.е. в объеме цилиндра ротора ВЭУ), а не на плоскости среднего кольца. Как уже говорилось, в большинстве случаев достаточно выполнить плоскую балансировку.
Учитывая схожесть конструкций, проведение вибрационных испытаний и выполнение весовой балансировки вертикально-осевой (ортогональной) ветроэнергетической установки ВЭУ-3 предполагается провести на основании технологии виброиспытаний роторов малых вертолетов.
Потенциальный рынок ветроэнергетических установок, предназначенных для размещения на зданиях и сооружениях
Согласно данным Росстата [112], мощность электростанций в России в 2004 г. возросла до 216,6 млн. кВт против 213 млн. в 1991-м, т. е. прирост составил 1,6%. Однако производство электроэнергии уменьшилось за эти годы почти на 13% - с 1068,2 млрд. до 931,9 млрд. кВт ч в 2004-м, из которых почти 40 млрд. были потеряны в сетях или использованы для нужд самой электроэнергетики [179]. Возведение отдельных ВЭУ и ветроэлектрических станций на зданиях и сооружениях позволит: - сэкономить дорогостоящие территории вблизи мегаполисов. Эти данные с трудом поддаются каким-либо оценкам, тем не менее, являясь очевидными, - сократить расходы на передачу электроэнергию потребителем за счет минимальных потерь в линиях электропередач благодаря, сокращению их протяженности. При условии перевода 10% мощностей ОАО РАО «ЕЭС России» в ветроэнергетические ресурсы, находящиеся в непосредственной близости к жилью, экономия составит свыше 4 млрд. кВт-ч в год. Это очевидный экономический эффект. - сократить расходы на содержание ВЭУ за счет местных потребителей, что также является экономическим эффектом, измеряемым миллионами рублей в связи с отсутствием специальной охраны ВЭУ, строительства подъездных магистралей, найма монтажников-высотников, расхода ГСМ на транспортировку, обслуживание и ремонт и т.д. - сократить выбросы вредных веществ в атмосферу за счет сокращения деятельности топливно-энергетических предприятий. Это серьезный экологический аспект в условиях изменяющегося климата планеты. Согласно запросам, поступающим от потенциальных потребителей в ООО «ГРЦ-Вертикаль», количественный процент желающих разместить ветроэнергетическую установку, составляет 10% от числа потенциальных заказчиков ВЭУ. В соответствии с этим легко подсчитать, что Мс (мощность ВЭУ, размещенных на зданиях и сооружениях) будет равна: Мсоор = Мпстр х 10% = 16.120.000 кВт х 10% = 1.612.000 кВт На основании расчетов, проведенных в п. 5.2, можно легко пересчитать полученную мощность на внедряемые установки согласно их номинальной (заявляемой) мощности. При подсчетах необходимо иметь в виду следующие особенности размещения ВЭУ в городских условиях [179]: - часть ВЭУ будет находиться в аэродинамической тени зданий (сооружений) и поэтому выдаст меньшую мощность, - часть ВЭУ будет находиться на высоте нескольких десятков метров, что внесет положительные коррективы, т.е. выдаваемая мощность будет больше, т.к. скорость ветра увеличивается на 10% с подъемом на 10 м. При размещении ВЭУ на зданиях и сооружениях установочные расходы снижаются за счет отсутствия высокой мачты и уменьшения длины линий электропередач на 20-25% [ПО, 111, 180]. Эксплуатационные расходы снижаются на 50% за счет отсутствия необходимости проведения высотных работ. 1. При замене (внедрении) в России традиционных источников энергоснабжения ветроэнергетикой потенциальный рынок ВЭУ может составить 16 млн.кВт установленной мощности. 2. При размещении ВЭУ на зданиях и сооружениях потенциальный рынок ВЭУ может составить 1,6 млн. кВт установленной мощности. В этом случае сокращаются установочные и эксплуатационные расходы в среднем на 30-40%. 3. Внедрение ветроэнергетики в виде дополнения или замены традиционных источников электроэнергии окажет неоценимое положительное влияние на экологические параметры окружающей среды и климат планеты в целом. В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача обеспечения вибробезопасности ветроэнергетической установки (ВЭУ) с вертикальной осью вращения, которая может быть использована для подавляющего большинства вертикально-осевых ВЭУ. Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и сделать выводы: 1. Основным негативным параметром, ограничивающим применение ветроустановок, являются вибрационные колебания и резонансные явления, возникающие при работе ВЭУ под действием возмущающих аэродинамических сил и дисбаланса ротора. 2. Выявлены зависимости влияния аэродинамических и центробежных сил на процесс возникновения вибраций, действующих . по негармоническим колебательным законам, которые можно разложить в ряд Фурье с последующим проведением спектрального анализа. 3. На основе анализа созданных компьютерной (трехмерной), математической (функциональной) моделей и физического действующего образца ВЭУ создан метод определения пригодности материалов для использования в составе комплектующих ВЭУ, при этом появляется возможность оптимизации конструкции компонентов и архитектуры ротора с целью снижения общей вибрации. 4. Разработанный метод весовой балансировки ротора позволяет снизить вертикальное вибросмещение ротора ВЭУ в 10-15 раз. Конечный результат вибробалансировки с большим запасом удовлетворяет действующим ГОСТ и СНиП в части вибраций. При определенной доработке балансировку можно проводить в автоматическом режиме в процессе эксплуатации ВЭУ. 5. Результаты теоретических и экспериментальных испытаний вертикально-осевых ВЭУ показали необходимость корректировки действующих стандартов по ветроэнергетике с целью внесения особенностей вертикально-осевых ветроустановок и уточнения требований к вибробезопасности ВЭУ.
