Вплив параметрів відцентрового регулятора ротора на статичні та динамічні характеристики вітроустановок малої потужності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут відновлюваної енергетики

УДК 621.548:621.311.245

Вплив параметрів відцентрового регулятора ротора на статичні та динамічні характеристики вітроустановок малої потужності

Спеціальність 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Коханєвич Володимир Петрович

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Кудря Степан Олександрович, Інститут відновлюваної енергетики НАН України, заступник директора з наукових питань, завідувач відділом вітроенергетики.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Яковлєв Олександр Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» МОН України, професор кафедри енергоустановок космічних літальних апаратів;

- кандидат технічних наук Даниленко Олександр Іванович, ДП ЕТУ «Воденергоремналадка» Держводгоспу України, головний інженер. Захист дисертації відбудеться «10» листопада 2010 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.249.01 в Інституті відновлюваної енергетики НАН України за адресою: 02094, м. Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20а. Тел. 537-26-57.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту відновлюваної енергетики НАН України (02094, м. Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20А).

Автореферат розіслано « 05 » жовтня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Т.В. Суржик

вітроустановка ротор відцентровий регулятор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день Україна вимушена експортувати нафту та газ для забезпечення потреб промисловості та населення, що підштовхує до більш широкого використання відновлюваних джерел енергії. Однією з складових частин вирішення даних проблем є подальший розвиток вітроенергетики та її підрозділу - вітроустановок (ВУ) малої потужності.

Постійний ріст цін на енергоносії посприяв значному попиту індивідуальних споживачів на вітроустановки малої потужності, але широке їх впровадження гальмується недостатньою ефективністю, надійністю та безпекою в експлуатації. Враховуючи, що дані установки працюють в безпосередній близькості від житлових приміщень, то безпека їх експлуатації виходить на перший план.

Сутність наукового завдання даної дисертаційної роботи полягає в розробці та впровадженні в практику на етапі проектування способів визначення аеромеханічних характеристик та відцентрових навантажень в системах регулювання роторів вітроустановок з відцентровими регуляторами в залежності від виду регулювання, параметрів системи регулювання, режиму навантаження в статичному та динамічному стані.

Актуальність роботи обумовлена відсутністю методів розрахунку на міцніть лопатей вітроустановок малої потужності від відцентрових навантажень в залежності від конструктивних параметрів відцентрового регулятора ротора.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукова робота виконана у відповідності з планами наукових досліджень Інституту відновлюваної енергетики НАН України, що проводяться згідно Постанови бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України №5 від 8 квітня 2004 року за темою «Розроблення ефективних методів і засобів перетворення, акумуляції та використання енергії вітру» (шифр «Вітер», №ДР 0104U003588); Інституту електродинаміки НАН України (шифр «Сонце-2» №ДР 01.91.0006203; шифр «Сонце-Д» №ДР 0195U008560) та з програмою ДКНТП і Міннауки України «Нетрадиційні і відновлювані джерела енергії та ефективні системи їх використання» (науково-дослідна робота №05.21.04/142-93, №ДР 0196U016319). В даних НДР автором виконано: «Вітер» - розроблений метод побудови статичних характеристик ротора вітроустановки, розроблена методика та проведені експериментальні дослідження статичних характеристик ротора вітроустановки з відцентровим регулятором; «Сонце-2» - проведено розрахунки відцентрового регулятора ротора ВЕУ АВЭ-2-4,5; «Сонце-Д» - проведено розрахунки та проектування систем регулювання обертів та потужності ВУ потужністю 0,5; 2; 4 та 10 кВт; НДР №05.21.04/142-93 - проведені розрахунки відцентрового регулятора обертів ротора та розрахунок лопаті на міцність для ВЕУ АВЭ-10-10.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є визначення впливу параметрів відцентрового регулятора роторів на характеристики вітроустановок малої потужності при флюгерному та антифлюгерному регулюванні.

Досягнення зазначеної мети потребувало розв'язання наступних основних задач:

– удосконалення математичної моделі відцентрового регулятора ротора вітродвигуна при флюгерному регулюванні;

– розробка математичної моделі відцентрового регулятора ротора вітроустановки при антифлюгерному регулюванні;

– розробка методу визначення статичних характеристик вітроустановки;

– удосконалення математичної моделі динаміки руху системи регулювання з відцентровим регулятором;

– проведення експериментальних досліджень роторів вітроустановок з відцентровим регулятором та співставлення їх з теоретичними положеннями.

Об'єктом досліджень є кінематичні та динамічні процеси в вітроустановках малої потужності з відцентровими системами регулювання роторів.

Предметом дослідження є визначення впливу параметрів відцентрового регулятора ротора на статичні та динамічні характеристики вітроустановок малої потужності при різних способах регулювання.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач використовувались положення теоретичної механіки та математичний апарат диференційного числення.

При розв'язанні рівнянь руху системи регулювання були використані метод ліанерізації нелінійних функцій, способи операційного числення та елементи теорії автоматичного регулювання.

Побудова статичних характеристик ротора вітроустановки проводилась геометричним способом на основі характеристик регулювання та статичних характеристик відцентрового регулятора.

Отримані теоретичні дані порівнювалися з експериментальними даними, отриманими при аеродинамічних продувках ротора вітроустановки з відцентровим регулятором.

Наукова новизна одержаних автором результатів. Наукова новизна досліджень і одержаних результатів полягає в наступному:

– набула подальшого розвитку математична модель відцентрового регулятора ротора вітроустановки, яка враховує додаткові параметри регулятора при флюгерному регулюванні, що дозволило отримати уточнені статичні характеристики вітроустановки малої потужності;

– розроблено нелінійну математичну модель відцентрового регулятора ротора вітроустановки при антифлюгерному регулюванні, що дозволило отримати статичні характеристики вітроустановки малої потужності за рахунок введення в математичну модель конструктивних параметрів регулятора;

– удосконалено рівняння руху системи регулювання з відцентровим регулятором при відсутності зовнішніх збурень та при їх наявності, що дало можливість визначити умови її стійкості в залежності від параметрів відцентрового регулятора та виду регулювання;

– запропоновано метод визначення видів перехідних процесів та їх цілеспрямованого коригування в системах регулювання роторів вітроустановок з відцентровими регуляторами за діаграмою Вишнеградського, що дозволило зменшити час перехідного процесу виходу вітроустановки на усталений режим.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному.

Запропоновані математичні моделі відцентрового регулятора дозволяють визначити параметри відцентрових регуляторів, розрахувати статичні характеристики регулятора та статичні характеристики ротора вітроустановки.

Рівняння руху системи регулювання дозволяють визначити стійкість системи регулювання з відцентровим регулятором, вид перехідного процесу та розрахувати параметри пристрою демпфування для коригування перехідного процесу.

На основі статичних характеристик ротора вітродвигуна розроблена методика розрахунку лопаті вітроустановки на загальну міцність та міцність від утоми від відцентрових навантажень.

Методики розрахунку відцентрових систем регулювання роторів пройшли апробацію та перевірку при розробці та виготовленні експериментальних зразків вітроустановок потужністю від 0,5 до 15 кВт в НТУУ “Київський політехнічний інститут”, Інституті електродинаміки та Інституті відновлюваної енергетики НАН України.

Результати роботи використані при розробці та виготовленні дослідних зразків вітроустановок та при підготовці Національного стандарту:

– в ДП «Дослідне виробництво Інституту проблем машинобудування НАН України» ім. А.М. Підгорного та в ДП «Житомирський ремонтно-механічний завод» - ВЕУ потужністю 4 кВт;

– в ТОВ «КАРБОН» та в АПК СГ «СКАЕТОН - ВЕУ потужністю 15 кВт;

– в ДП «Державний науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут інноваційних технологій в енергетиці та енергозбереженні» - ДСТУ «Вітроенергетика. Установки електричні вітряні малої потужності. Методи випробувань».

Результати впровадження підтверджені відповідними актами.

Особистий внесок автора. Всі результати дисертаційної роботи, які виносяться на захист, отримані автором особисто. Роботи [6-8, 12, 15, 16] написані автором самостійно.

В друкованих працях, опублікованих в співавторстві, дисертанту належать: в [3] - розробка програми та методики досліджень і паритетна участь у проведенні експериментальних досліджень ВЕУ з ротором Савоніуса з відцентровим регулятором; в [4] - розробка розрахункової моделі ВУ та визначення динамічних навантажень в лопатях при гальмуванні; в [5] - розрахунок характеристик регулювання ротора ВУ та визначення його статичних характеристик; в [1, 2] - аналіз відмов ВУ малої потужності; в [13] - розрахунок характеристик ротора; в [14] - методика визначення коефіцієнта моменту демпфування пристрою демпфування; в [9-11] - паритетна участь в розробці нових конструкцій регуляторів роторів ВУ; в [17] - розробка загальних технічних вимог до роторів ВУ малої потужності та систем їх регулювання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на: ІV, V, VI науково-практичних конференціях Міненерго України з питань розвитку й впровадження техніки і технологій використання нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії (смт. Миколаївка, АР Крим, 1995 р., 1996 р.,1997 р.); ІІІ міжнародній конференції «Енеркон-97» «Нові технології та інвестиції США в енергетичний сектор України» (м. Київ, 23-25 квітня, 1997 р.); 2-й міжнародній науково-практичній конференції «Управління енерговикористанням» (м. Львів, 3-6 червня, 1997 р.); V, VІ, IX, X, міжнародних конференціях «Нетрадиційна енергетика XXI століття» (смт. Миколаївка, АР Крим, 2004 р., 2005 р., 2008 р., 2009 р.).

Публікації результатів наукових досліджень. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 17-ти публікаціях: 8 статей у фахових наукових виданнях (3 без співавторів); 5 тез доповідей на науково-практичних конференціях (3 без співавторів); 3 авторські свідоцтва на винаходи; 1 Національний стандарт України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, двох додатків і переліку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 210 сторінок, у тому числі 183 сторінок основного тексту, 77 рисунків, 2 таблиці, 2 додатки і перелік використаних джерел (115 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, її зв'язок з науковими програмами. Показано актуальність роботи, сформульовано мету та основні задачі наукових досліджень, викладено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено відомості про апробацію і публікації.

У першому розділі проведено аналіз основних функціональних елементів ВУ малої потужності з концептуальних позицій безпеки та аналіз відмов лопатей показує, що лопать є потенційно найбільш небезпечним елементом ВУ. Аналіз режимів роботи ВУ та, відповідно, сил, що діють на лопать в даних режимах функціонування ВУ з урахуванням рекомендацій діючих нормативних документів показує, що в лопатях ВУ малої потужності визначальним є відцентрове навантаження, яке закладається в розрахунок лопаті на загальну міцність та міцність від утоми. Огляд різних моделей розрахунку лопатей на міцність від відцентрових навантажень дозволив встановити необхідність розглядати відцентрові навантаження як циклічні навантаження та провести розрахунки на міцність з використанням діаграми Гудмана. Враховуючи, що величина та діапазон відцентрових навантажень залежить від обертів ротора при різних його навантаженнях в діапазоні робочих величин швидкостей вітру, проведено аналіз систем регулювання роторів і обґрунтовано вибір відцентрової схеми регулювання та проведено огляд стану досліджень систем регулювання і, в першу чергу, відцентрових систем регулювання роторів.

Сформульовано основні напрямки досліджень дисертаційної роботи, що спрямовані на визначення аеромеханічних характеристик та відцентрових навантажень в системах регулювання роторів ВУ з відцентровими регуляторами при різних параметрах відцентрового регулятора, різних видах регулювання в статичному та динамічному стані.

У другому розділі проведено дослідження статичного стану вітроустановки при відцентровому регулюванні та отримані її статичні характеристики.

а

б

Рис. 1 Схема побудови характеристик регулювання ротора: а - при флюгерному регулюванні; б - при анти флюгерному регулюванні

Статичний стан вітроустановки визначається двома рівняннями. Перше рівняння являє собою умову рівноваги між рушійним моментом ротора ВУ та моментом навантаження при певних швидкостях вітру та визначається графічно (рис. 1), що дозволяє отримати характеристику регулювання ротора ВУ. Парабола навантаження визначається з умови та і має вигляд:

,

відповідно, гіпербола швидкості вітру при тих же умовах має вигляд:

.

Характеристики регулювання при різних моментах навантаження наведено на рис. 2. На рис. 3 наведено характеристики регулювання ротора при повороті всієї лопаті або її частини

а б

Рис .2 Характеристики регулювання ротора вітроустановки при різних моментах навантаження: а - при флюгерному регулюванні; б - при антифлюгерному регулюванні.



а б

Рис. 3 Характеристики регулювання ротора вітроустановки при флюгерному (а) та антифлюерному (б) регулюванні при обертанні: 1 - всієї лопаті; 2, 3 - частини лопаті.

Маючи характеристики регулювання ц- та статичну характеристику регулятора () з допомогою способу, що наведений на рис. 4, отримуємо статичну характеристику вітроустановки.

а б

Рис. 4 Схема побудови статичної характеристики вітроустановки при флюгерному (а) та антифлюгерному (б) регулюванні: 1- характеристика регулювання ротора; 2 - статична характеристика відцентрового регулятора; 3 - статична характеристики вітроустановки

Даний спосіб дозволяє отримати статичні характеристики вітроустановок при різних моментах навантаження з різними статичними характеристиками регуляторів та, відповідно, для роторів ВУ з різними аеродинамічними характеристиками і визначити необхідний діапазон кутів регулювання та статичні відхилення обертів ротора в діапазоні робочих швидкостей вітру.

Друге рівняння стану вітроустановки - це умова рівноваги всіх сил, які обертають лопать відносно своєї осі , що дозволяє отримати статичну характеристику відцентрового регулятора.

Оскільки при відцентровому регулюванні центр обертання лопаті суміщається з центром аеродинамічного тиску, то M_A=0. Враховуючи, що в сучасних відцентрових регуляторах в поворотних вузлах лопатей використовуються шарикопідшипники, в яких тертя незначне (коефіцієнт тертя f_Тр?0.01), то моментом тертя можна знехтувати, тобто М_Тр=0. З урахуванням даних допущень розрахункові схеми наведені на рис. 5.

а б

Рис. 5 Схема сил, що діють на лопать при її обертанні: а - при флюгерному регулюванні; б - при антифлюгерному регулюванні

Момент пружини при флюгерному регулюванні буде дорівнювати:



, (1)

де ; - величина початкового натяжіння пружини; k - жорсткість пружини; - кут установлення лопаті; - початковий кут установлення лопаті; - довжина кривошипа механізму регулятора; і - кількість лопатів.

Момент відцентрових сил при флюгерному регулюванні

, (2)

де - момент інерції лопаті; J_Т - момент інерції відцентрових тягарців.

Статична характеристика відцентрового регулятора при флюгерному регулюванні

, (3)

; .



а

б

Рис. 6 Статичні характеристики регулятора: а - при флюгерному регулюванні;б - при антифлюгерному регулюванні

Аналогічні вирази отримані також для антифлюгерного регулювання. Дані вирази дозволять отримати статичні характеристики відцентрового регулятора при різних його параметрах.

На рис. 6 наведено статичні характеристики відцентрового регулятора при різних кутах встановлення відцентрових тягарців Щ при флюгерному та антифлюгерному регулюванні (ц₀=3°, И=45°, А=2, =0,5).

Аналіз наведених на рис. 6 статичних характеристик та характеристик, розрахованих при інших параметрах, дозволяє оцінити вплив кожного параметра регулятора на статичну характеристику вітроустановки та визначити необхідні величини параметрів при проектуванні відцентрового регулятора ротора ВУ.

У третьому розділі виконано динамічний аналіз системи регулювання ротора з відцентровим регулятором.

Незалежні кінематичні величини щ і ц повністю характеризують режим роботи вітроустановки і прийняті як узагальнені координати для описання системи регулювання. Таким чином вітроустановка з відцентровим регулятором являє собою аеромеханічну систему регулювання з двома ступенями свободи, яку можна описати системою з двома рівняннями:

(4)

де - сума приведених до осі ротора моментів інерції всіх тіл, які кінематично пов'язані з обертанням ротора; - сума приведених до лопаті моментів інерції тіл, які кінематично пов'язані з обертанням лопаті; К - коефіцієнт аеродинамічного моменту демпфування.

Розв'язання системи рівнянь (4) при відсутності зовнішніх збурень дозволило

отримати умови стійкості системи регулювання з використанням критеріїв Гурвіца в параметрах ротора та відцентрового регулятора для флюгерного та антифлюгерного регулювання. Так для флюгерного регулювання вони мають вигляд:



; (5)

; (6)

. (7)

Отримані рівняння руху системи по відповідним координатам при зовнішніх збуреннях (раптова зміна моменту навантаження на роторі вітроустановки при постійній швидкості вітру та раптова зміна швидкості вітру при постійному навантаженні на ротор вітроустановки) показує, що система регулювання переміщується з одного урівноваженого положення в інше, які визначаються точками на статичній характеристиці ВУ або на характеристиці регулювання, при цьому характер перехідного процесу в системі регулювання не змінюється.

Це дозволяє виразити параметри А та В діаграми Вишнеградського (рис. 7) у відповідних параметрах ротора та відцентрового регулятора та використати їх для визначення виду перехідного процесу в системі регулювання.

Рис. 7 Діаграма Вишеградського

Після визначення коефіцієнтів А та В може виявитись, що параметри та характеристики не забезпечують необхідного перехідного процесу. Якщо провести аналіз, то можна констатувати, що характеристики ротора неможливо змінювати, виникає необхідність введення додаткового елементу демпфування в систему регулювання. Величину додаткового коефіцієнту моменту демпфування можна розрахувати задавши необхідне значення одного з коефіцієнтів А чи В з діаграми Вишеградського. Встановлено, що функціональна залежність між коефіцієнтами А та В є лінійною при зміні параметра К, що дозволяє розрахувати другу точку та побудувати пряму лінію РS. На лінії РS вибирається точка, яка знаходиться на потрібній ділянці діаграми з координатами А та В, що відповідає К. Величина коефіцієнта моменту демпфування К_Д, який необхідний для подальшого розрахунку пристрою демпфування, визначається як , або, в розгорнутому вигляді, наприклад, для флюгерного регулювання:



. (8)

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень та практичне використання результатів роботи.

Для дослідження систем регулювання роторів, в даному конкретному випадку з відцентровим регулятором, у відділі вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики був спроектований і виготовлений відповідний стенд (рис. 8) та маточина (рис. 9).

Рис. 8 Загальна схема дослідного стенду: 1 - переставний вентилятор;2 - блок вимірювань та навантажень; 3 - анемометр;4 - ротор на опорі; 5 - лінія розмітки

Рис. 9 Загальний вигляд маточини з відцентровими тягарцями

Програма досліджень включала визначення статичних характеристик ротора при різних параметрах відцентрового регулятора при різних моментах навантаження та випробування при збільшенні - зменшенні швидкості повітряного потоку та навантаження. Експериментальні статичні характеристики ротора (И=52є; =45є; J_Т=1,410^-3 кгм²; =40 Н; =0,4; =0,214 та при =) наведені на рис. 10 та при тих же параметрах регулятора при різних моментах навантаження на рис. 11.

а б

Рис. 10. Експериментальна статична характеристик ротора: а - при флюгерному регулюванні; б - при антифлюгерному регулюванні

а б

Рис. 11Статичні характеристики ротора вітроустановки при флюгерному (а) та антифлюгерному (б) регулюванні при різних моментах навантаження

Визначення впливу тертя в регуляторі (рис. 11) проводилось по статичним характеристикам ротора (И=52є, =40є, J_Т=1,410^-3 кгм², =40 Н, =0,4, =0,214 та при =0), заміряними при збільшенні та зменшенні швидкості повітряного потоку. Як видно з рис. 12 максимальна різниця між статичними характеристиками потоку сягає при =1,5 і, відповідно, складає

, або 0,28%,

що практично не впливає на точність регулювання, тобто допущення що М_Тр=0, є правомірним. При цьому слід зауважити, що заміри проводились при відсутності моменту навантаження, тобто коли регулятор найбільш чутливий до впливу тертя, а при навантаженні ротора величина буде меншою.

На рис. 13. наведені статичні характеристики ротора при різних кутах встановлення відцентрових тягарців (И=52є; J_Т=1,410^-3 кгм²: =0,214; при =).

Рис. 12 Статичні характеристики ротора при дослідженні впливу тертя: 1 - при збільшенні швидкості вітру; 2 - при зменшенні швидкості вітру

а б

Рис. 13 Статичні характеристики ротора при різних кутах встановлення відцентрових тягарців: а - при флюгерному регулюванні (=30Н); б - при антифлюгерному регулюванні (=40Н)

Для параметрів та характеристик ротора експериментальної установки та додаткових параметрів відцентрового регулятора, при яких проводились випробування при зміні швидкості вітру:

J_P=0,1194 кг·м²; J_Z=1,310^-3 кг·м²; J_Л=0,310^-3 кг·м²;

= - 0,44; = - 0,246; К=2,1910^-2 кг·м²·с^-1; R=1 м; і=3;

ц₀=7є; ц=8є; V=3,5 м/с; щ=23,2 с^-1; l=0,05 м; k=210^-3 Н/м,

розраховані коефіцієнти у відповідності з діаграмою Вишнеградського складають: А=4,43; В=4,04, що відповідає аперіодичному перехідному процесу. Це підтверджується тим, що динамічні відхилення обертів ротора при збільшенні швидкості вітру з 3,5 м/с до 5,5 м/с та зменшенні швидкості вітру з 5,5 м/с до 3,5 м/с не виходять за межі відхилень при статичних навантаженнях.

В повному обсязі теоретичні положення даної роботи були використані при проектуванні та виготовленні вітроелектричної установки АВЭС - 4 - 7, загальний вигляд якої наведено на рис. 14. Для регулювання обертів в даній ВЕУ був вибраний антифлюгерний режим, у відповідності з яким були розраховані режими регулювання та параметри відцентрового регулятора. Установка була виготовлена ТОВ «Агросервіс, ЛТД» та передана на ДП «Житомирський ремонтно-механічний завод» для проведення випробувань та розробки на її базі ВЕУ потужністю 7 кВт. За результатами проведення експериментальних досліджень розроблена універсальна маточина для ВЕУ потужністю 47 кВт. Дослідний зразок з даною маточиною виготовлений ДП «Дослідне виробництво Інституту проблем машинобудування НАН України» ім. А.М. Підгорного. Режими регулювання роторів вітроустановок при флюгерному регулюванні, визначення навантажень на лопать та розрахунки лопаті на міцність були використані при проектуванні ВЕУ потужністю 15 кВт підприємствами АПК СГ «СКАЕТОН» та ТОВ «КАРБОН».

Рис. 14 Загальний вигляд установки АВЭС - 4 - 7

У додатках наведені акти використання результатів дисертаційної роботи та таблиці з результатами експериментальних досліджень.

ВИСНОВКИ

В даній дисертаційній роботі вирішено важливу наукову задачу дослідження аеромеханічних характеристик та відцентрових навантажень в лопатях ВУ малої потужності з відцентровими системами регулювання роторів. Отримані результати дозволяють провести розрахунок відцентрових регуляторів роторів з урахуванням статики та динаміки процесу регулювання та провести розрахунки лопаті на міцність від відцентрових навантажень, що забезпечує ефективність та безпеку використання ВУ в процесі експлуатації.

В роботі одержані наступні наукові та практичні результати:

1. Встановлено, що відцентрові навантаження в лопаті носять циклічний характер, величина та діапазон відхилень яких залежать від обертів ротора і визначаються параметрами та характеристиками ротора і системи регулювання.

2. Запропонований метод визначення статичних характеристик ротора вітроустановки на основі характеристик регулювання ротора вітроустановки та статичних характеристик регулятора дозволив встановити залежність між діапазоном робочих швидкостей вітру, кутами відхилення регулятора та статичними відхиленнями обертів ротора при флюгерному та антифлюгерному регулюванні при обертанні всієї лопаті або її частини.

3. Удосконалена математична модель відцентрового регулятора ротора вітроустановки при флюгерному регулюванні та запропонована математична модель відцентрового регулятора при антифлюгерному регулюванні, що дозволило розрахувати статичні характеристики відцентрового регулятора в залежності від: кута установки відцентрових тягарців; кута установки кривошипа; жорсткості пружини регулювання; різних співвідношень моментів інерції лопаті та відцентрових тягарців.

4. Запропонована математична модель системи регулювання ротора вітроустановки з відцентровим регулятором при динамічному режимі роботи, яка описується системою нелінійних диференціальних рівнянь у визначених узагальнених координатах. Розв'язання даної системи рівнянь дозволило отримати в операторній формі рівняння руху системи регулювання в узагальнених координатах з коефіцієнтами, що враховують параметри та характеристики як ротора, так і відцентрового регулятора.

5. Аналіз коренів характеристичних рівнянь при відсутності дії зовнішніх збурень дозволив на основі критеріїв Гурвіца визначити умови стійкості системи регулювання з урахуванням параметрів відцентрового регулятора, відповідно, для флюгерного та антифлюгерного регулювання.

6. Для визначення виду перехідного процесу запропоновано вирази для розрахунку коефіцієнтів діаграми Вишнеградського в коефіцієнтах рівнянь руху системи регулювання, або в повному вигляді в параметрах та характеристиках ротора та відцентрового регулятора.

7. Проведено аналіз можливостей варіювання параметрами системи регулювання та для забезпечення необхідного виду перехідного процесу запропоновано ввести, при необхідності, на стадії проектування в систему регулювання додатковий елемент демпфування: механічний, гідравлічний, тощо. Із виразів для коефіцієнтів діаграми Вишнеградського встановлена лінійна залежність даних коефіцієнтів від коефіцієнта демпфування, що дозволило побудувати пряму на діаграмі Вишнеградського та визначити необхідну величину одного з коефіцієнтів, що, відповідно, дозволило отримати вираз для визначення величини додаткового коефіцієнта моменту демпфування.

8. Співставлення експериментальних статичних характеристик ротора, отриманих при флюгерному регулюванні при збільшенні та зменшенні швидкості вітру, підтвердило теоретичне припущення, закладене в основу математичної моделі, про незначний вплив тертя на роботу відцентрового регулятора. Різниця між статичними характеристиками склала 0,28%.

При співставленні теоретично розрахованої статичної характеристики та експериментальної статичних характеристик при флюгерному регулюванні відносне відхилення для діапазону зміни величини швидкості вітру від V_H до 2V_H складає 1,27%. Аналогічне співставлення статичних характеристик при антифлюгерному регулюванні показало, що найбільше відхилення між характеристиками знаходиться в точці перегину характеристик на швидкості вітру 1,5V_H і, відповідно, складає 1,29%.

9. Отримані статичні характеристики ротора при флюгерному та антифлюгерному регулюванні при співвідношенні моментів інерції лопаті та відцентрових тягарців: 0,3; 0,214; 0,143 показали, що відносне збільшення моменту інерції відцентрових тягарців підвищує точність регулювання, що співпадає з теоретично розрахованими статичними характеристиками відцентрового регулятора.

Отримані статичні характеристики ротора при різних кутах встановлення відцентрових тягарців в діапазоні зміни кутів встановлення для флюгерного регулювання 40є80є та 35є55є для антифлюгерного регулювання показали збільшення точності регулювання із збільшенням кутів установки, що також співпадає з теоретично розрахованими статичними характеристиками відцентрового регулятора.

10. Розроблені методика розрахунку та проектування відцентрового регулятора вітроустановки з забезпеченням необхідних статичних та динамічних характеристик та з введенням, при необхідності, додаткового елементу демпфування в систему регулювання та методика розрахунку лопаті на міцність від утоми при відцентрових навантаженнях з використанням діаграми Гудмана.

11. Методики розрахунку відцентрових регуляторів та лопаті на міцність були реалізовані та апробовані в ряді вітроустановок, таких як АВЭШ-4; АВЭС-4; АВЭС-4-7; АВЭ-2-3,9; АВЭП-2-4,5 та ВЕУ-2.01.00.00.000 СК.

12. Результати роботи використані при розробці та виготовленні дослідних зразків вітроустановок потужністю 4 і 15 кВт та при підготовці Національного стандарту: в ДП «Дослідне виробництво Інституту проблем машинобудування НАН України» ім.. А.М.Підгорного; в ДП «Житомирський ремонтно-механічний завод»; в ТОВ «КАРБОН»; в АПК СГ «СКАЕТОН»; в ДП «Державний науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут інноваційних технологій в енергетиці та енергозбереженні».

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇЇ

1. Коханевич В.П. Ветроэлектрическая установка мощностью 2 кВт / В.И. Коваленко, В.П. Коханевич, Н.А. Шихайлов [и др.] // Энергетика и электрификация. - 1991. - № 4. - С. 37 - 40.

2. Коханевич В.П. Ветроэнергетические установки малой мощности / В.И. Коваленко, В.П. Коханевич, Н.А. Шихайлов [и др.] // Энергетика и электрификация. - 1993. - № 1. - С. 43 - 46.

3. Коханевич В.П. Экспериментальные исследования ротора Савониуса с изменяемой геометрией / Е.М. Руденко, Г. Госбах, В.П. Коханевич [и др.] // Відновлювана енергетика. - 2005. - №2.- С. 35 - 39.

4. Коханєвич В.П. Статичні та динамічні навантаження в лопатях при гальмуванні вітроустановок / В.П. Коханєвич, М.О. Шихайлов, Г.П. Душина // Відновлювана енергетика. - 2005. - №3 - 4. - С. 38 - 41.

5. Коханєвич В.П. Розроблення ефективних методів і засобів перетворення, акумуляції та використання енергії вітру / С.О. Кудря, В.М. Головко, В.П. Коханєвич [та ін.] // Відновлювана енергетика. - 2007. - №3 (10). - С. 26 - 39.

6. Коханєвич В.П. Статичні характеристики відцентрового регулятора при флюгерному регулюванні ротора вітродвигуна / В.П. Коханєвич // Відновлювана енергетика. - 2008. - №1 (12). - С. 39 - 44.

7. Коханєвич В.П. Динамічна стійкість системи регулювання ротора вітродвигуна з відцентровим регулятором / В.П. Коханєвич // Відновлювана енергетика. - 2008. - №3 (14). - С. 47-54.

8. Коханєвич В.П. Статика регулювання роторів вітродвигунів відцентровими регуляторами при антифлюгерному регулюванні / В.П. Коханєвич // Відновлювана енергетика. - 2009. - №3 (18). - С. 18 - 24.

9. А.с. 21687 Україна, МПК F03D 7/00, F03D 7/04. Відцентровий регулятор ротора вітродвигуна / В.П. Коханєвич, Г.П. Душина, М.О. Шихайлов (Україна). - № u 2006 12415; заявл. 27.11.06; опубл. 15.03.07, Бюл. № 3.

10. А.с. 21582 Україна, МПК F03D 11/00. Регулятор ротора вітродвигуна / В.П. Коханєвич, В.М. Головко, М.О. Шихайлов (Україна). - № u 2006 11077; заявл. 20.10.06 ; опубл. 15.03.07, Бюл. № 3.

11. А.с. 38531 Україна, МПК F03D 7/04. Регулятор частоти обертання ротора вітродвигуна / М.О. Шихайлов, В.П. Коханєвич, Г.П. Душина, Ю. М. Перминов (Україна). - № u 2008 09957 ; заявл. 31.07.08 ; опубл. 12.01.09, Бюл. № 1.

12. Коханєвич В.П. Модернізація аеровідцентрового регулятора вітроагрегату АВЕ - 2 - 4,5 / В.П. Коханєвич // Нові технології та інвестиції США в енергетичний сектор України : ІІІ конференція «EnerCon-97», 23 - 25 квітня 1997 р.: тези доп. - Київ, Український Дім, 1997. - С. 42.

13. Коханєвич В.П. Агрегатування ротора вітродвигуна із генераторами з постійними магнітами / В.П. Коханєвич, М.О. Шихайлов // Відновлювана енергетика ХХІ століття: ІХ міжнародна конф., 15-19 вересня 2008 р.: тези доп. - АР Крим, 2008. - С. 133 - 134.

14. Коханєвич В.П. Розрахунок параметрів пристрою демпфування системи відцентрового регулювання ротора вітродвигуна / В.П. Коханєвич, М.О. Шихайлов // Відновлювана енергетика ХХІ століття: Х міжнародна конф., 14-18 вересня 2009 р.: тези доп. - АР Крим, 2009. - С. 245 - 247.

15. Коханєвич В.П. Перехідні процеси в системах регулювання роторів з відцентровим регулятором / В.П. Коханєвич // Відновлювана енергетика ХХІ століття: Х міжнародна конф., 14-18 вересня 2009 р.: тези доп. - АР Крим, 2009. - С. 248 - 250.

16. Коханєвич В.П. Експериментальні дослідження роторів з відцентровим регулятором / В.П. Коханєвич // Відновлювана енергетика ХХІ століття: Х міжнародна конф., 14-18 вересня 2009 р.: тези доп. - АР Крим, 2009. - С. 241 - 244.

17. Вітроенергетика. Установки електричні вітряні малої потужності. Загальні технічні вимоги: ДСТУ 4859:2507. - [Чинний від 2007-11-05]. - К.: Держспоживстандарт України, 2009. - 16 с. - (Національний стандарт України).

АНОТАЦІЇ

Коханєвич В.П. Вплив параметрів відцентрового регулятора ротора на статичні та динамічні характеристики вітроустановок малої потужності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії. - Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ, 2010.

Дисертація присвячена удосконаленню та розробці математичних моделей відцентрового регулятора ротора вітроустановки для флюгерного та антифлюгерного регулювання. Запропоновані математичні моделі дозволяють визначити статичні та динамічні характеристики вітроустановки та відцентрові навантаження в лопатях в залежності від параметрів регулятора та, при необхідності, скоригувати їх введенням додаткового елементу демпфування в систему регулювання і розрахувати його параметри. Дані теоретичні положення були підтверджені експериментальними дослідженнями, які були проведені на стенді Інституту відновлюваної енергетики НАН України. Основні положення роботи знайшли застосування при проектуванні вітроустановок потужністю від 0,5 до 15 кВт та при розробленні національного стандарту по загальним вимогам до вітроустановок малої потужності.

Ключові слова: вітроенергетика, вітроустановка, ротор, характеристика регулювання, статична характеристика, відцентровий регулятор.

Kokhanievych V.P. Parameters influence of rotor centrifugal regulator over static and dynamic features of low capacity wind turbines. - Manuscript.

The dissertation for a Candidate of Engineering Sciences degree, speciality 05.14.08 - Renewable energy sources conversion. - The Institute of Renewable Energy of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted to improving and developing mathematical models of a wind turbine rotor centrifugal regulator for weather vane and anti-weather vane control. The suggested mathematical models allow determining static and dynamic features of a wind turbine and centrifugal loads in blades depending on regulator parameters and, if necessary, adjusting them due to involving an additional damping element into control system and calculating its parameters. These theoretical grounds have been proved by experimental researches. They were performed at the stand of Institute of Renewable Energy of Ukrainian National Academy of Sciences. Basic grounds were applied when designing 0.5-15 kW wind turbines while developing national standards on general demands to low capacity wind turbines.

Key words: wind power, wind turbine, rotor, control parameters, static features, centrifugal regulator.

Коханевич В. П. Влияние параметров центробежного регулятора ротора на статические та динамические характеристики ветроустановок малой мощности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергии. - Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена исследованию аэродинамических характеристик и центробежных нагрузок в лопастях ветроустановок малой мощности с центробежными системами регулирования роторов.

Установлено, что центробежные нагрузки в лопастях имеют циклический характер, величина и диапазон отклонений которых определяются параметрами и характеристиками ротора и системы регулирования.

Предложен способ определения статических характеристик ветроустановки на основе характеристики регулирования ротора и статической характеристики регулятора, который позволил установить зависимость между диапазоном рабочих скоростей ветра, углами отклонения регулятора и статическими отклонениями оборотов ротора при флюгерном и антифлюгерном регулировании при вращении всей лопасти или ее части.

Усовершенствована математическая модель центробежного регулятора ротора ветроустановки при флюгерном регулировании и предложена математическая модель центробежного регулятора при антифлюгерном регулировании, что позволило рассчитать статические характеристики центробежного регулятора в зависимости от: угла установки центробежных грузов; угла установки кривошипа; жесткости пружины регулирования; различных соотношений между моментом инерции лопасти и моментом инерции центробежных грузов.

Предложена математическая модель системы регулирования ротора ветроустановки с центробежным регулятором в динамическом режиме работы, которая описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений в обобщенных координатах. Решение данной системы уравнений позволило получить в операторной форме уравнения движения системы регулирования в обобщенных координатах с коэффициентами, которые учитывают как параметры и характеристики ротора, так и центробежного регулятора.

Анализ корней характеристических уравнений при отсутствии внешних возмущений позволяет на основании критериев Гурвица определить условия стойкости системы регулирования с учетом параметров центробежного регулятора, соответственно, для флюгерного и антифлюгерного регулирования.

Для определения вида переходного процесса предложены выражения для расчета коэффициентов диаграммы Вышнеградского в коэффициентах уравнений движения системы регулирования или в полном виде в параметрах и характеристиках ротора и центробежного регулятора.

Проведен анализ возможностей варьирования параметрами системы регулирования и для обеспечения необходимого вида переходного процесса предложено ввести, при необходимости, на стадии проектирования в систему регулирования дополнительный элемент демпфирования: механический, гидравлический или др. Из выражений для коэффициентов диаграммы Вышнеградского установлена линейная зависимость данных коэффициентов от коэффициента демпфирования, что позволяет построить прямую на диаграмме Вышнеградского и определить необходимую величину одного из коэффициентов. Что, соответственно, позволяет получить выражение для определения величины дополнительного коэффициента момента демпфирования.

Сопоставление экспериментальных статических характеристик ветроустановки, полученных при флюгерном регулировании при увеличении и уменьшении скорости ветра, подтвердило теоретическое допущение, заложенное в основу математической модели, о незначительном влиянии трения на работу центробежного регулятора. Разница между статическими характеристиками составила 0,28%. При сопоставлении теоретически рассчитанных статических характеристик и экспериментальных статических характеристик при флюгерном регулировании относительное отклонение для диапазона изменения величины скорости ветра от V_H до 2V_H составляет 1,27%. Аналогичное сопоставление статических характеристик при антифлюгерном регулировании показало, что наибольшее отклонение между характеристиками находится на относительной скорости ветра равной 1,5V_H и, соответственно, составляет 1,29%.

Получены экспериментальные статические характеристики ротора при флюгерном и антифлюгерном регулировании при различных соотношениях между моментом инерции лопасти и центробежных грузов: 0,3; 0,214; 0,143 показывают, что относительное увеличение момента инерции центробежных грузов повышает точность регулирования, что совпадает с теоретически рассчитанными статическими характеристиками центробежного регулятора.

Полученные статические характеристики ротора для различных углов установки центробежных грузов в диапазоне изменения углов установки для флюгерного регулирования 40є80є и 35є55є для антифлюгерного регулирования показывают увеличение точности регулирования с увеличением углов установки, что также совпадает с теоретически рассчитанными статическими характеристиками центробежного регулятора.

Разработаны методика расчета и проектирования центробежного регулятора ВУ с обеспечением необходимых статических и динамических характеристик и с введением, при необходимости, дополнительного элемента демпфирования в систему регулирования и методика расчета лопасти на усталостную прочность при центробежных нагрузках с использованием диаграммы Гудмана.

Методы расчета центробежных регуляторов и лопасти на прочность были реализованы в ряде ветроустановок, таких как АВЭШ-4; АВЭС-4; АВЭС-4-7; АВЭ-2-3,9; АВЭП-2-4,5 та ВЕУ-2.01.00.00.000 СК.

Результаты работы использованы при разработке и изготовлении опытных образцов ВУ мощностью 4 и 15 кВт и национального стандарта: в ГП «Дослідне виробництво Інституту проблем машинобудування НАН України» им. А.М.Подгорного; в ГП «Житомирський ремонтно-механічний завод»; в ООО «КАРБОН»; в АПК СГ «СКАЕТОН; в ГП «Державний науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут інноваційних технологій в енергетиці та енергозбереженні»

Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроустановка, ротор, характеристика регулирования, статическая характеристика, центробежный регулятор.

Размещено на Allbest.ru

...