Прикладные научные исследования и технологические разработки ветрогенераторов в США - Конструкция металлической лопасти с жестким креплением к втулке

Конструкция металлической лопасти с жестким креплением к втулке для ветрогенератора мощностью 100 кВт

Ветроэнергетическая программа Центра NASA-LeRC предусматривала проектирование и эксплуатацию экспериментальной ВЭУ мощностью 100 кВт с целью получения основных инженерных данных для оценки разработанных компонентов и систем. Фирма Lockheed заключила контракт на проектирование и изготовление лопастей, который предусматривал проектирование, анализ, изготовление, оснастку контрольно-измерительной аппаратурой и вибрационные испытания двух рабочих и одной запасной лопасти. Должны удовлетворяться следующие требования: диаметр ветроколеса 38 м; расчетная частота вращения ветроколеса 40 об/мин; пределы изменения угла установки лопастей на относительном радиусе 0,75 от —3,5 до +92,5°; нелинейная крутка лопасти 33,8°; профиль серии NACA-23000; конструкция лопасти — алюминиевая.
Экспериментальная ВЭУ мощностью 100 кВт имеет двухлопастное ветроколесо с жестким креплением лопастей к втулке. Лопасти проектируются на мощность, равную 133 кВт на валу ветроколеса при частоте его вращения 40 об/мин и скорости ветра 8 м/с. Изготовление лонжеронов, нервюр, стрингеров, массивной обшивки передней кромки и легкой обшивки задней кромки (ее толщина определена условием предотвращения повреждений градом), соединительных элементов корневой части и двух механически обработанных массивных нервюр обеспечивается применением обычной технологии самолетостроения.
Была использована конструкция с D-образными лонжеронами (рис. 3.6),. которая обеспечивает прочность, жесткость, возможность балансировки и малую массу. Именно эти качества необходимы вращающейся крыловой конструкции. Важно также отметить, что создаваемое в результате вращения поле центробежных сил на конце самых больших воздушных винтов составляет около 900 g, несущих винтов вертолетов — 550 g, а для ветроколеса ветрогенератора — только 34 g. Это подчеркивает наличие подобия в принципах конструирования» л в технологии изготовления лопастей ветроколес и самолетных крыльев.

Рис. 3.6. Размеры лопасти ветрогенератора мощностью 100 кВт.

Центром NASA-LeRC были определены следующие требования к лопасти толщины, распределение хорд и углов крутки должны соответствовать графикам на рис. 3.7. Было задано также распределение аэродинамических нагрузок по длине лопасти;
масса лопасти не должна превышать 908 кг, а центр масс для любого ее сечения должен быть расположен впереди упругих осей и центра давлениям
должна быть обеспечена возможность изменения массы с целью балансировки каждой лопасти;
лопасть должна быть рассчитана на нагрузку, возникающую при максимальной частоте вращения поворотной головки ВЭУ при ориентации по направлению ветра, равной 0,33 об/мин;
лопасти должны иметь срок службы 50 тыс. ч при эксплуатации в расчетных условиях, позволять ветрогенераторам работать при порывистом ветре, при расчетной скорости ветра автоматически устанавливаться во флюгерное положение без повреждения конструкции, быть стойкими к флаттеру и позволять круглогодичную эксплуатацию в условиях, обычно встречающихся в выбранном месте строительства ветрогенераторов — в районе г. Сандаски в штате Огайо, США.
Опыт фирмы Lockheed по проектированию, исследованию и испытанию аэроупругих полноразмерных невращающихся моделей ветроколес показал, что скорость ветра, которой лопасть может противостоять в невращающемся состоянии, зависит в значительной степени от жесткости лопасти накручение и на изгиб, когда нагрузка действует на 0,75 длины хорды лопасти. Выбор D-образных лонжеронов способствовал получению требуемой жесткости на кручение.

Конструкция втулки допускает только изменение углов установки лопастей, как и в случае винта с изменяемым шагом. Гидравлические исполнительные механизмы с пневматической системой возврата обеспечивают выполнение основной управляющей функции по изменению угла установки лопастей. Жесткость главных органов системы регулирования рассчитана на получение 19 200 Н/град в расчете на одну лопасть.
При проектировании ветроколеса должны быть детально рассмотрены динамические характеристики. Обычно особого внимания требуют вопросы обеспечения частотной характеристики, предотвращения флаттера, в том числе и срывного, эффект образования следа, устойчивость при крутильных и маховых движениях, реакции на порывы ветра, влияния башенной опоры и характеристик механизма регулирования на динамическую устойчивость системы ветроколесо—башня, быстродействия регулятора, влияния зазоров и нестационарных нагрузок, связанных с реакцией системы в процессах пуска и останова ветроколеса.
Частотный спектр консольно закрепленной лопасти при вращении ветроколеса представлен на рис. 3.8. Результаты относятся к совместному действию изгиба и кручения лопасти. Анализ квазистационарного флаттера консольно закрепленной лопасти при скорости ветра 8 и 22 м/с и частоте вращения вала 45олее номинальной, соответствующей уровню демпфирования конструкций

Рис. 3.7. Зависимость отношения максимальной толщины лопасти к длине хорды, отношения длины хорды к радиусу b = bjR(2) и угла лопасти ф
(3) от относительного радиуса r/R: —----------линия соединения лопастей с
втулкой.
Рис. 3.8. Зависимость расчетных собственных изгибно-крутильных колебаний лопасти v от частоты вращения ветроколеса

Башня была спроектирована отделом Центра NASA-LeRC Facilities Engineering Division. С учетом важности этой экспериментальной опорной конструкции для испытания будущих систем и сведения к минимуму возможности динамического взаимодействия между ветроколесом и башней последняя спроектирована с большой жесткостью и высокой частотой собственных колебаний. Была создана модель этой системы NASTRAN, и полученные с ее использованием результаты исследования динамики показывают, что частота собственных изгибных колебаний первой формы системы башня — ветроколесо равна 2,5 Г и (3,75 р, при частоте вращения ветроколеса 40 об/мин).
* рв — собственная круговая частота ветроколеса, равная числу его оборотов в секунду.
В результате расчета получены характеристики упругости несущего вала, поворотной платформы (головки) и башни в комплексе с ветроколесом, частотой спектр лопасти, а также ее устойчивость к флаттеру. В связи с тем что характеристики башенной опоры асимметричны и ветроколесо двухлопастное, система не может строго трактоваться как стационарная с постоянными коэффициентами, т. е. в этом случае должны быть решены уравнения с варьированием времени. Влияние упругой опоры на частотный спектр вращающейся лопасти и границы устойчивости к флаттеру были исследованы с использованием характеристик средней жесткости. Эти качества в значительной степени обусловлены гибкостью вала. Оценка характеристик флаттера при циклическом и связанном движении лопасти была получена с использованием осредненных квазистационарных аэродинамических характеристик башни, системы передачи а поворотной головки. Установлено, что система устойчива.

Рис. 3.9. Геометрия башни и зазор в системе башня — ветроколесо в координатах «расстояние от оси башни I— расстояние от уровня земли Н> при упругом равновесном положении лопасти.

Рис. 3.10. Зависимость величины зазора б в системе башня — ветроколесо от относительного радиуса лопасти r/Rпри углах конусности равных —6, 0 и +6°.

Программа MOSTAB, разработанная фирмой Mechanics Research Inc. в. 1990 г. по контракту с сухопутными силами армии США для расчета несущих, винтов вертолетов, была модифицирована в программу MOSTAB-WT применительно к расчетам ветроколес. Она используется Центром NASA-LeRC для определения нагрузок, действующих на металлические лопасти ветрогенераторов. Для расчета внутренних нагрузок лопастей программа использует только первую-форму изгибных колебаний. Модель нагрузок на ветроколесо фирмы Lockheed также была модифицирована применительно к расчету ветроколес (программа WINTUR). Она используется фирмой Lockheed для расчета внутренних нагрузок и деформаций лопастей. Программа позволяет рассчитывать на изгиб лопает» ветроколеса при совместном действии моментов, изгибающих лопасть в направлении хорды и в направлении перемещений при маховых движениях. Поэтому программа WINTUR обеспечивает более строгое решение, чем MOSTAB-WT, однако результаты расчетов по обеим программам хорошо согласуются между собой. Все силы и изгибающие моменты имеют частоту рв. Касательные силы малы по сравнению со средней центробежной силой, действующей на узел крепления лопасти к втулке и равной 101 000 Н. Скручивающий момент в этом месте лопасти мал по сравнению с моментами, изгибающими лопасть в направлении хорды и маховых движений. Учитывается экранирующий эффект башни и вертикальный градиент скорости ветрового потока. Дополнительно к условиям, определенным в контракте как минимально необходимые, исследовалось также влияние на нагрузки на лопасти ряда других факторов, в частности угла и частоты поворота ветроколеса при его ориентации, изменения частоты вращения ветроколеса и угла установки лопасти, градиента скорости ветрового потока у поверхности земли и изменения скорости ветра, экранирующего эффекта башни, периодов пуска и останова ветрогенераторов.
Однако в связи с тем что проектные условия носили предварительный характер и их выполнение не было обязательным, лопасти проектировались так, чтобы иметь существенно большую конструкционную прочность, чем это необходимо для нагрузки 100 кВт при нормальной эксплуатации. Представляется что это значение легко может быть увеличено до 500 кВт.
Статическая упругая деформация ветроколеса в периферийной плоскости при аэродинамической нагрузке в случае работы за башней вызывает его перемещение в направлении от башенной конструкции. Упругая деформация лопастей ветроколеса при порывах и внезапных изменениях направления ветра или управляющих аварийных воздействиях требует, однако, рассмотрения упругой деформации системы башня — ветроколесо, чтобы иметь возможность оцепить пределы изменения зазора между ними. Геометрические размеры башни «ферменной конструкции и зазор в системе башня — ветроколесо показаны на рис. 3.9 при расположении оси ветроколеса параллельно стороне башни и ее диагонали. Статическое упругое равновесное положение лопастей соответствует углу конусности 7° для расчетной скорости ветра 8 м/с и частоте вращения ветроколеса 40 чзб/мин. В эксплуатационных условиях отклонения от этого угла составляют от —6 до +6° (рис. 3.10). Эти отклонения, получающиеся в результате изменения положения лопастей, когда производится рассмотрение совместно с нестационарной нагрузкой, показывают, что система имеет значительный диапазон взаимного влияния ветроколеса и башни. Должна быть известна скорость ветра при флюгерном положении лопастей, чтобы определить, является ли это условие критическим для лопастей в отношении их повреждения.
Для уменьшения взаимного влияния башни и ветроколеса существует ряд способов, такие, как увеличение жесткости лопасти и изменение ее крутки, увеличение угла конусности втулки и расстояния между ветроколесом и башней, изменение начальной конусности лопасти при флюгерном положении.
Чтобы определить влияние геометрии крутки лопасти на характеристики ее прогиба, были проведены предварительные исследования с использованием программы WINTUR для двух принятых значений мощности, развиваемой ветроколесом. Анализ был основан на данных о массе и жесткости для композиционных неметаллических лопастей и о форме лопасти в плане и сужении для металлических лопастей. Данные показывают различие в смещении средней части лопасти между двумя вариантами крутки для выбранных мощностей и недопустимое увеличение прогиба концов лопастей без крутки. Наибольшая вероятность удара лопастей о башню соответствует случаю, когда корневая часть изгибаемой лопасти не имеет крутки. Для того чтобы предотвратить возможность удара лопастей о башню, требуется жесткость относительно маховых движений, соответствующая частоте выше 2ря.
Изготовление металлических лопастей основывается на обычной самолете ной технологии. Были непосредственно использованы эксперименты фирмы Lockheed с самолетными и вертолетными винтами.

Лопасти состоят из тонкой алюминиевой обшивки и большого числа штампованных нервюр и элементов, предназначенных для того, чтобы обеспечить заданную аэродинамическую форму, которая характеризуется круткой и конусными переходами. Сужение и крутка таковы, что прямолинейные участки не располагаются по длине лопасти на постоянном относительном расстоянии по хорде. Определение прямолинейных участков было весьма важным для проектирования (расположения лонжеронов) и для технологического процессам «формирующего кривизну на толстой передней кромке обшивки.

Испытания невращающейся конструкции были проведены на первой металлической лопасти, установленной на испытательном зажимном устройстве. Оно имитировало такую же жесткость системы втулка — вал, как и у экспериментальной ВЭУ мощностью 100 кВт. Установлена тесная связь между расчетными и экспериментальными частотными параметрами лопастей (табл. 3.2).

таблица 3.2. Частотный спектр металлической лопасти, полученный в результате испытаний невращающейся лопасти

* Число колебаний в минуту.
На режиме как маховых, так и неплоских движений экспериментальные частоты несколько выше расчетных, для которых отмечена тенденция к более высокому уровню жесткости лопасти на изгиб. Первая форма крутильных колебаний оказалась несколько ниже расчетной, но для 2000 циклов в минуту получено хорошее совпадение. В то же время можно заметить, что характеристики распределения массы и жесткости, определенные графиками, полученными на ЭВМ, оказались непригодными.
В процессе тарировочного опытного нагружения измерительного оборудования величины прогиба были приняты совпадающими с действующими нагрузками. Коэффициенты, учитывающие влияние параметров конструкции и определенные с помощью этих измерений, были сопоставлены с расчетными. Результаты показывают хорошее совпадение с результатами измерений при маховых и неплоских движениях. Для рассмотренного сечения лопасти, близкого к корневому, маховое движение дает жесткость в 1,6 раза, а неплоское движение — в 1,1 раза больше, чем предсказывает теория. При сравнении этих значений с первой резонансной частотой иевращающейся лопасти должно быть дано объяснение факту, почему в результате испытаний получена более высокая частота, чем при расчетах (табл. 3.2).
Первая металлическая лопасть ветрогенератора имела массу 899,5 кг, что хорошо согласуется с расчетным значением, равным 887,8 кг. Некоторое увеличение вызвано, по-видимому, увеличением массы краски на 11,7 кг сверх расчетного значения. Данные о расположении центра массы лопастей по длине и хорде также хорошо согласуется с расчетными.
Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что частотный спектр металлической лопасти обеспечивает хорошее разделение собственной частоты вибрации и создаваемых высшими прв гармониками сил (например, воздействием гравитационного поля \рв)- В результате анализа определены границы устойчивости вращающейся лопасти к флаттеру как при консольной, так и при упругой (башенной) опоре ветроколеса.
Устойчивость результатов отклонения лопасти при совместном действии изгиба и кручения и аналитическое исследование флаттера заторможенной лопасти при скорости ветра до 63 м/с показали, что аэродинамические качества
этой конструкции обеспечиваются в широких пределах с учетом намечаемо ее использования и предполагаемого воздействия окружающей среды.
Связь между нагрузками, получаемыми в результате расчетов по программам MOSTAB и WINTUR, показала, что нагрузки лопастей для известного по. тока могут быть рассчитаны с приемлемой точностью. Наземные вибрационные испытания, так же как и испытания с точным регулированием мощности при вращении, должны привести к подтверждению характеристик систем и устойчивости в пределах эксплуатационных режимов.
На обеспечении хорошего совпадения экспериментальных результатов с теорией должен быть сделан акцент, чтобы способствовать надежности разрботок первой ВЭУ мощностью 100 кВт.