Регулирование возбуждения для обеспечения устойчивости генератора
Двухлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветроколеса, расположенного за башней, имеют ряд преимуществ в части аэродинамической эффективности, выработки энергии и материалоемкости. Однако реализация этих "Качеств требует особого рассмотрения возмущений, вносимых следом за башней. Аэродинамические силы, которые изменяются в процессе прохождения лопасти в тени сквозь след башни, могут вызывать большие механические напряжения и флуктуации (пульсации) электрической мощности. Эта проблема изложена в и экспериментально исследована в эксплуатационных условиях на ВЭУ Mod-0.
Были предложены некоторые схемы для дополнительного демпфирования колебаний в приводе с целью уменьшения воздействий на вращающий момент на входе. В [17] исследуется возможность дополнительного демпфирования системы путем регулирования возбуждения генератора.
Экспериментальные и теоретические исследования ВЭУ Mod-О были выполнены для того, чтобы определить эффект, который может быть получен в результате использования систем возбуждения генератора для обеспечения демпфирования системы.
В результате исследований были получены следующие выводы. Математический анализ выявил, что дополнительным демпфированием генератора первая резонансная гармоника может быть значительно уменьшена (но не до нуля). Испытания ясно продемонстрировали, что любые преимущества регулирования возбуждением с целью получения улучшения динамики системы могут быть полностью сведены к нулю из-за изменения реактивной мощности. Таким образом, было установлено, что регулирование возбуждением не является приемлемым методом для предотвращения флуктуации мощности ВЭУ Mod-0, вызываемых действием следа за башней.
Секционированное и саморегулирующееся ветроколесо
Лаборатория фирмы Martin Marietta исследовала возможность использования свойств аэроупругости для создания ВЭУ, автоматически регулирующейся при изменении скорости ветра. Работу ВЭУ с примерно постоянной частотой вращения стараются реализовать для того, чтобы облегчить подключение ее к общей электрической сети.
Исследование было направлено на разработку конструктивной схемы лопасти, которая исключала бы необходимость механизма поворота лопастей, применявшегося ранее для регулирования больших ветродвигателей. Специфической задачей было исследование возможности использования эффекта аэроупругости для управления силами на лопастях, которые действуют при различных скоростях ветра.
Основное различие между обычными и аэроупругими лопастями состоит в том, что первые обладают значительной жесткостью на кручение и выполняются с фиксированным или механически регулируемым углом установки у, втулки. Аэроупругие лопасти могут скручиваться, так что угол установки каждого элемента лопасти обусловлен аэродинамическим моментом, действующим относительно ее упругой оси.
Основным аспектом исследования было изучение того, каким образом реакции ветроколеса могут оказать полезное влияние для получения соответствующей аэроупругой обратной связи, т. е. оптимальной формы характеристики крутки лопасти для заданного аэродинамического момента.
Начальная фаза исследования включала подготовку ряда аналитических программ расчета характеристик ветроколеса. В этом случае для определения аэродинамических сил была использована теория элемента лопасти Глауэрта. При исследованиях рассматривались характеристики ветроколеса с различными законами изменения крутки лопасти. Вначале они проводились для тех лопастей с упругим махом и обычной конструктивной схемой, которые ранее не были объектом исследования.
В частности, деформации при кручении таких лопастей относительно продольных осей не достигают достаточно больших значений, но они будут давать же-j дательное распределение крутки. С учетом этих соображений выдвигается идея о механизме компенсации местных углов установки лопасти. По существу, эта идея предполагает прямолинейную форму лопасти, создаваемую махом, обладающим значительной жесткостью на кручение. Хотя фактически каждый отдельный элемент лопасти свободно поворачивается относительно маха, он подвержен действию поворотного момента, приложенного к лопасти и компенсируемого пружинным механизмом. Поэтому действительным углом установки элемента лопасти будет угол, который получается при уравновешивании внешнего аэродинамического момента компенсирующим моментом пружинного механизма.
Для оценки идеи компенсации крутки были проведены параметрические исследования и анализ характеристик. Вначале изучалась воображаемая модель направления потока. После этого оно освобождается при г=0 и разворачивается по ветру, устанавливаясь в рабочее положение. При этом окружная скорость конца, лопасти увеличивается и примерно через 2 с под действием движущегося маятника угол установки лопасти начинает увеличиваться. Это приводит к непрерывному ускорению в процессе разгона ветроколеса. Напряжения при кручении изменяются пропорционально углам установки. Через 14 с после начала вращения напряжения в поперечном и продольном направлениях незначительно увеличивается при 6 рв, которое имеет место при совпадении первой поперечной и второй продольной частот собственных колебаний. Однако это увеличение относительно невелико и быстро прекращается.
Рис. 3.16. Реакции ветродвигателя на моделируемые внезапные изменения скорости ветра (V=8,9 м/с, w.R=86 м/с):
1 — процесс раскрутки (разгона); 2 — продольная составляющая; 3 — поперечная составляющая (вращение против часовой стрелки при виде на ветродвигатель с задней стороны; положительный угол поворота против часовой стрелки при виде сверху).
Способность ветроколеса, выполненного по схеме с большим начальным моментом, реагировать на внезапным изменения направления ветра, иллюстрируется рис. 3.16. Вращающееся ветроколесо, уравновешенное прн большой частоте вращения, освобождается при заданном угле поворота относительно вертикальной оси. В начальном положении ветроколесо стремится установиться по ветру. Первоначальная амплитуда продольных напряжений обусловлена большими циклическими нагрузками типа вертолетных, связанными с начальным углом поворота. Результаты показывают, что КАВ по схеме с большим начальным моментом будет также автоматически устанавливаться на ветер с частотой вращения, регулируемой по методу автоматического изменения угла Установки, и иметь небольшие вибрационные напряжения при обычных перемещениях на режимах трогания и выравнивания.
В результате выполнения программы испытаний на модели получен ряд важных выводов. Так как модель была динамически подобной, то можно ожидать, что выводы справедливы также и для реальных конструкций. Однако некоторые вариации в характеристиках полноразмерных колес могут иметь место в результате различия в числах Рейнольдса и Фруда, в пределах которых справедливы полученные выводы. Отметим, что ссылки на нормальную скорость ветра соответствуют примерно среднегодовой скорости до 13,4 м/с. Эти выводы сводятся к следующему:
1. КАВ может быть использовано совместно с маятником, имеющим опору на втулке, для получения автоматически регулирующегося устойчивого ветродвигателя. Автоматическое регулирование определяется как самостраги-1рование с автоматической установкой углов лопасти и частоты вращения на всем используемом диапазоне скоростей ветра.
2. Ветродвигатели с бесшарнирными поворотными лопастями обычной жесткости обладают динамическим моментом, который стремится устанавливать ось ветроколеса по направлению ветра.
3. Ветродвигатель с КАВ, выполненным по схеме с автоматическим регулированием, хорошо работает при напряжениях ниже тех, которые допускаются для расчетных скоростей ветра. Эта его особенность не зависит от направления ветра, начальной ориентации по ветру, начальной частоты вращения неустановившихся внешних воздействий, а также работы на устойчивый режимах.
4. Для ветродвигателей, свободно ориентирующихся по направлению ветре и рассчитанных для работы за башней, лобовое давление на невращающееся ветроколесо обычно достаточно для его ориентации при любых начальных направлениях ветра.
5. Равновесное положение ветродвигателя, свободно устанавливающегося по направлению ветра при работе за башней, изменяется в зависимости от главного! вектора ветрового потока. Это приводит к разгрузке движущихся вниз лопастей при уменьшении скорости ветра за башней.
6. Уровень напряжений в лопастях значительно ниже допускаемого при флюгерном их положении на невращающемся ветроколесе при скорости ветра, доходящей до 26,8 м/с.
7. Ветродвигатель с КАВ и саморегулируемой установкой лопастей с помощью маятника, закрепленного на лопастях, который создает частоты крутильных колебаний, близкие к круговой частоте ветроколеса vB будет неустойчивым.
