Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Козiн Валерiй Станiславович

УДК 621.548(477)

Підвищення аеродинамічної ефективності роботи вітроустановок

Спецiальнiсть:05.07.01– Аеродинаміка та газодинаміка

літальних апаратів.

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Київ-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в проектному підрозділі Державного конструкторського бюро “Південне”, м.Дніпропетровськ

Науковий керівник - Головний конструктор КБ ДКБ ”Південне” кандидат

технічних наук Голубенко Микола Степанович

Офіційні опоненти-доктор технічних наук, провідний науковий

співробітник ІЕД НАН України

Васько Петро Федосійович,

-кандидат технічних наук, доцент кафедри

вищої математики N1 НАУ

Шквар Євген Олексійович.

Провідне підприємство- АНТК ім. О.К.Антонова

Захист відбудеться 7 червня 2001р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.05 у Національному авіаційному університеті за адресою : 03058 , м.Київ-58, пр. Комарова 1,

тел.(044) 488-41-18, 483-93-38, 484-96-28

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НАУ.

Автореферат розісланий “4“ травня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Жданов А.І.

1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми. Найбільш актуальними проблемами сучасної вітроенергетики є : 1) забезпечення довготривалого, протягом 20-25 років, функціонування вітроелектричних агрегатів ; 2) забезпечення ефективного використання енергії вітру ; 3) стабілізація частоти електроенергії , що виробляють вітроустановки . Вирішення цих проблем неможливе без дослідження впливу турбулентності повітряного потоку за площиною обертання вітроколеса на роботу як автономних вітродизельних енергоустановок, так і на роботу вітроелектричних генераторів, що підключені до мережі. Одночасно для автономних вітроелектричних установок, що працюють на ізольовану локальну електричну мережу, котра не має задавачів промислової частоти, питання стабілізації частоти обертання вітроколеса і, відповідно, частоти електричного струму, що виробляється, є найбільш важливим. Аналіз електричних схем систем керування кутовим положенням лопатей більшості вітроагрегатів свідчить, що всі вони побудовані за принципом порівняння частоти обертання лопатей і вмонтованого в систему керування кварцованого генератора базової частоти з подальшим переданням команди виконуючим органам (електромеханічним або гідравлічним) на змінення кута атаки лопатей, пропорційно виміряній розбіжності частот. При такій схемі робочим органом, який вимірює швидкість вітру, є ротор вітроагрегата. Розміри та маса лопатей, що становлять ротори вітроагрегатів середньої та великої потужності, такі, що вимірювання швидкості за допомогою ротора є дуже інерційним. Забезпечити більш "тонке" регулювання кутового положення лопатей при всіх змінах швидкості повітря можна при застосуванні критерію оптимальності. Цей критерій мінімальним змінам швидкості повітря ставить у відповідність мінімум функціоналу керування. З цієї точки зору, збільшення швидкості протікання перехідних процесів у системах керування і генерування електроенергії, а також збільшення вироблення електроенергії можливі при введенні в контур системи керування кутовим положенням лопатей вимірювача швидкості повітря і диференціатора. Таким чином, більш сучасними, ніж описані, є схеми, які включають до свого складу вимірювачі швидкості повітря – анемометри. При цьому природне бажання – розташувати анемометр як можна ближче до вітроагрегату на висоті осі обертання ротора, щоб одержати найбільш достовірне вимірювання швидкості повітря. Дуже часто анемометри встановлюють на даху гондоли горизонтально-осьового вітроагрегату. В такому випадку, коли вітроколесо знаходиться з навітреного боку гондоли, анемометр попадає за площиною обертання лопатей в потужний турбулентний потік, що спотворює інформацію вимірювачів швидкості і напрямку повітря. Оскільки для створення ефективних і надійних ВЕУ треба оптимізувати процес регулювання кутового положення лопатей, завдяки вимірюванню швидкості турбулізованого повітря за площиною обертання вітроколеса, це визначає актуальність те- 2 ми вивчення структури турбулентного потоку за діючим вітроколесом з метою використання одержаної від анеморумбометра інформації в системах керування вітроагрегатів. Це завдання вирішується в дисертаційній роботі. Зв'язок роботи з науковими програмами. Роботу виконано в проектному підрозділі Державного конструкторського бюро "Південне" в ініціативному порядку та у звўязку з прийняттям Постанови Кабінету Міністрів України від 31.12.97 р. N1505 про програму державної підтримки розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії та Указу Президента України від 02.03.96 р. N159/96 про будівництво вітрових електростанцій, в якому визначені організаційні заходи щодо розширення потужностей для виробництва вітроенергетичного обладнання і створення фонду фінансування цих робіт. Мета роботи. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності і надійності роботи вітроустановок. Для досягнення мети роботи вирішувались основні задачі: - уточнення структури турбулентного потоку за площиною обертання вітроколеса; -виявлення факторів і закономірностей, що впливають на процес вимірювання швидкості і напрямку вітру за допомогою вимірювачів, встановлених на даху головки вітроагрегату; -формування рекомендацій щодо використання результатів вимірювання параметрів потоку повітря у схемах і алгоритмах системи керування вітроагрегату. Методи досліджень.Для вирішення завдань дисертації використано фундаментальні положення теорії аеродинаміки, результати вітчизняних і закордонних експериментальних досліджень в натурних і лабораторних умовах, власні експериментальні дослідження автора на вітроагрегаті АВЕ-250М, математичні програми для ПЕОМ Державного конструкторського бюро "Південне". Наукова новизна роботи полягає в таких основних результатах: 1.Вперше теоретично обгрунтовано, виведено й експериментально підтверджено основне рівняння зміни швидкості повітря за площиною обертання лопатей вітроагрегату. 2. Вперше теоретично виведено і експериментально підтверджено основне рівняння зміни напрямку потоку після проходження за площину обертання вітроколеса. 3. Теоретично обгрунтовано сприйняття вітроколеса як поганообтічного тіла, що дає змогу підраховувати частоту пульсацій швидкості повітря за площиною обертання вітроколеса за допомогою відомого критеріального рівняння Струхаля. 4.Теоретично визначено гранично можливу межу кута розбіжності осі вітроколеса і напрямку вітру. 5.Підтверджено, що турбулентний потік являє собою суму векторів швидкості, що обертаються в різні боки з різними кутовими швидкостями. Практична цінність роботи : 3 1.Розроблено закон керування кутовим положенням лопатей у відповідності до змін швидкості повітря, що вимірюється в турбулентному потоці за вітроколесом, що дає змогу на 5-10% збільшити виробництво електроенергії і в 5 разів зменшити помилку стабілізації частоти електроструму. 2.Формула зміни напрямку потоку за площиною обертання лопатей дає змогу активно керувати орієнтацією вітроколеса на вітер і, таким чином, збільшити вироблення електроенергії вітроагрегатом на 20% за рахунок зменшення кута розбіжності між напрямком вітру і віссю обертання лопатей. 3.Наведені вимоги до анемометрів, які можуть встановлюватися на даху гондоли вітроагрегату і працювати в турбулентному потоці. 4.Розроблено схеми керування кутового положення лопатей із залученням інформації анемометра. 5.Розроблено алгоритм розрахування швидкості вітру перед працюючим вітроколесом за інформацiєю про швидкість повітря, одержаною в турбулентному потоці за площиною обертання лопатей, що дає змогу проводити випробування вітроагрегатів без метеовежі. Реалізація результатів роботи. Алгоритм розрахунку швидкості вітру по виміряній швидкості турбулентного потоку за площиною обертання лопатей і рівняння зміни напрямку потоку за працюючим вітроколесом використано при проектуванні і розробці вітроагрегату ВЕУ-500, при вимірюванні залежності потужності вітроагрегатів від швидкості вітру, при випробуваннях нових систем керування кутовим положенням лопатей та в інших роботах ДКБ “Південне”. Апробація роботи. Основні результати експериментальних досліджень були викладені в технічному звіті “Визначення коефіцієнту виправлення до швидкості повітря, виміряній за вітроколесом працюючого вітроагрегату” АВЕ-250М 21.12898.559 ТД, затвердженому керівництвом ДКБ “Південне”. Зміст винаходу “Енергетична установка “, який увійшов до тексту дисертації, був представлений як стендова доповідь на 3-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів механіків у Львові 21-23 травня 1997р. Основні результати досліджень були доповідані на засіданні секції науково-технічної ради проектно-конструкторського підрозділу, де працює автор, на семінарах в Інституті Електродинаміки НАН України і Дніпропетровському Національному університеті. Достовірність основних рішень.Результати розрахунків швидкості повітря за площиною обертання лопатей за допомогою розробленої інженерної методики, чітко збігаються з результатами експериментальних вимірювань автора, а також з результатами зарубіжних досліджень у цій галузі. Публікації. Основні результати досліджень відображено в шести науково-технічних звітах та опубліковано в чотирьох статтях у журналах і наукових збірках, одному винаході, матеріалах конференції, авторефераті дисертації. Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, 4 висновку, списку літератури і двох додатків. Всього 159 сторінок, в тому числі 117 сторінок тексту, 24 таблиці, 25 рисунків, 2 сторінки додатків. Список літератури на 5 сторінках вміщує 50 найменувань. Особистий внесок автора.У статтях, опублікованих автором, відображено його особистий внесок у розробку наукових результатів. Автор особисто планував і проводив експерименти щодо вимірювання швидкості і напрямку повітря за працюючим вітроколесом і водночас – на метеовежі. Автор аналізував результати вимірювань і проводив статистичне математичне оброблення результатів експериментів на ПЕОМ, а також планував і проводив досліди щодо визначення кута розбіжності осі обертання вітроколеса і напрямку вітру, проектував сенсори кута повороту головки вітроагрегату, розробляв програми – методики здійснення експериментів. Автору належать ідеї стосовно розгляду вітроколеса як поганообтічного тіла, а також розгляду зміни проекцій вихора на вісь обертання вітроколеса як частоти пульсацій швидкості повітря за працюючим вітроколесом. Авторові належать виведені ним закони зміни швидкості і напрямку вітру за площиною обертання вітроколеса, розроблений алгоритм обчислення швидкості вітру за швидкістю турбулентного потоку, виміряній за лопатями, що обертаються. Автор дисертаційної роботи вважає своїм обов'язком принести щиру подяку Головному конструктору ДКБ “Південне” к.т.н.М.С.Голубенко, а також старшому науковому співробітнику ДКБ “Південне” к.т.н. П.Г. Хорольському і завідуючому кафедрою аерогідромеханіки ДНУ д-ру фіз.-мат.наук О.Г.Гоману за увагу і поради, які ними були надані під час виконання моєї роботи. ЗМІСТ РОБОТИ У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у визначенні швидкості і напрямку вітру, що набігає на лопаті працюючого вітроагрегату, на підставі результатів вимірювань параметрів турбулентної течії за вітроколесом задля оптимального керування кутовим положенням лопатей, комутації режимів роботи електрогенераторів і системи керування лопатями, а також для точної орієнтації вітроколеса на вітер. Для вирішення цієї задачі були зроблені деякі припущення: -працююче вітроколесо може бути уявлене як тонкий вихровий диск, поставлений перпендикулярно до набігаючого вітру; -турбулентний потік за площиною обертання лопатей миттєво реагує на зміни швидкості і напрямку вітру і є носієм інформації про параметри вітру; -найбільш інформативним параметром, що свідчить про ефективність роботи вітроколеса, є коефіцієнт гальмування потоку k або співвідношення швидкості потоку за площиною обертання вітроколеса U2 до швидкості вітру U0, при цьому оптимальним є k=1/3; -кут розбіжності осі обертання вітроколеса і напрямку вітру повинен не перевищувати 20-30 кутових градусів з розгляду ймовірного зриву потоку з лопаті. 5 У вступі обгрунтовано актуальність роботи, визначено мету досліджень. У розділі 1 “Аналітичний огляд раніше проведених експериментальних досліджень” наведені численні приклади експериментів вітчизняних і зарубіжних вчених щодо вимірювання швидкості повітря за площиною обертання лопатей у лабораторних і натурних умовах. Наведено перелік проблем і питань, що потребують вирішення в дисертаційній роботі. Сформульовані основні завдання дисертації: 1)часткове вивчення вихрового сліду за працюючим вітроагрегатом; 2)дослідження зміни швидкості повітря при проходженні площини вітроколеса; 3)дослідження зміни напрямку потоку за лопатями, що обертаються; 4)дослідження впливу кута розбіжності осі вітроколеса і напрямку вітрового потоку на інформацію анеморумбометра, встановленого на гондолі вітроагрегату; 5)створення алгоритмів обчислення швидкості і напрямку вітру по виміряним параметрам турбулентної течії за лопатями, що обертаються; 6)вирішення принципових питань, пов'язаних з використанням одержаної від анеморумбометрів інформації в системах керування вітроагрегатів. Розділ 2 “Методика досліджень ” присвячений теоретичному дослідженню процесів, які відбуваються в площині обертання лопатей вітроколеса і за площиною в близькій зоні. Розділ містить характеристики профілю лопаті вітроагрегату АВЕ- -250М, результати розрахунків відносних індуктивних швидкостей повітря на різних рівнях по довжені лопаті при різних швидкостях вітру, а також аналіз режимів, в яких працює вітроколесо АВЕ-250М. Розділ містить також розрахунок істинного кута атаки, який, з урахуванням індуктивної швидкості, відрізняється на декілька градусів від існуючого кута атаки лопаті. Досліджено: А. За певних умов вітроколесо може працювати як в режимі струминної течії, так і в режимі турбулентного сліду. Це залежить не тільки від швидкості вітру, але й від надмірної частоти перекладання лопатей як в процесі регулювання кутового їх положення, так і в процесі демпфірування пружних коливань торсіонного валу, що з'єднує вітроколесо з мультиплікатором. Наведені розрахунки на прикладі вітроколеса агрегату АВЕ-250М показують, що при малій швидкості вітру (4-7м/с) вітроколесо працює в режимі турбулентного сліду. При роботі в цьому режимі порушується лінійна залежність частоти обертання вітроколеса від швидкості вітру і коефіцієнт потужності зменшується. Так як частота обертання вітроколеса постійна і диктується частотою струму в мережі, потужність вітроагрегату зменшується завдяки зменшенню обертового моменту. У загальному випадку обертовий момент вітроколеса можна уявити у вигляді Т=См ·Тмах , 6 де См - коефіцієнт обертового моменту. На практиці коефіцієнти См і Ср не є постійними, а є функціями коефіцієнта швидкохідності z. Зі збільшенням значень z коефіцієнт моменту, а значить і сам момент прагне до нуля. У зв'язку з тим, що z=tgЯ (?е в –кут притікання потоку до лопаті) зменшення кутів в і ? (кута установлення лопаті відносно площини обертання) до певних значень призведе до збільшення См. Але це- за імпульсною теорією, котра на режимі турбулентного сліду є непридатною. В режимі турбулентного сліду коефіцієнт обертового моменту може бути визначений на основі теорії елемента лопаті за формулою -- Сm'=у ·Wp2 · (Cy(б)*sinв – Cx(б)·cosв)·r, b·n де у= ----- - коефіцієнт заповнення площини обертання; р·R n-кількість лопатей вітроколеса; b-хорда перетину лопаті; R-радіус вітроколеса; Сy (б)-?оефіцієнт підйомної сили профілю; Сх (б)-?оефіцієнт опору профілю; --- Wp = Wp / U0 –відносна результативна швидкість потоку на профілі. Аналіз наведеного рівняння свідчить, що зі зменшенням кутів в множник при кое- фіцієнті сили опору прагне до одиниці. В результаті – коефіцієнт рушійного момен- ту і, відповідно, коефіцієнт потужності прагне до нуля. Електрична потужність, що її виробляє вітроагрегат, стає порівнюваною з енергоспоживанням на власні потре- би і електроавтоматика вимикає вітроагрегат за ознакою “Нульова потужність”. Такий результат багаторазово спостерігався при випробуваннях вітроагрегату АВЕ--250М на малих швидкостях вітру. Очевидно, що двом режимам роботи вітроколеса (турбулентного сліду і струминної течії) повинна відповідати дворежимна система керування. Згадана система повинна мати у своєму складі анемометр і запам'ятовувайний пристрій, щоб контролювати тенденцію до збільшення чи зменшення швидкості вітру і, в залежності від режиму обтікання вітроколеса (ВК), робити перемикання режимів роботи системи керування. В режимі струминної течії керування ВК, що має постійне число обертів, зводиться до установлення лопатей під мінімальним кутом до площини обертання. В режимі турбулентного сліду кут в повинен змінюватися зворотно пропорційно швидкості вітру. У зв'язку з тим, що в = б + ц, ? максимально можливий кут б знаходиться в межах 160 , зміна кута в відбувається, в основному, за рахунок кута ?. Звідси витікає задача вимірювання швидкості повітря за площиною обертання вітроколеса і визначення, таким чином, швидкості вітру. У режимі турбулентного сліду число Струхаля вихрового диску, в який перетворюється вітроколесо, становить 0,145. При швидкості повітря понад 7,2м/с ротор вітроагрегату переходить в режим струминної течії, коли вихровий диск розпадається на окремі вихрові сегменти і число Струхаля змінюється на 0,21. Відповідно змінюється частота пульсацій швидкості повітря за працюючим вітроколесом (ВК). 7 Вітер, що має швидкість понад 7 м/с нібито “протискує” повітря поміж лопатями і швидкість потоку за вітроколесом збільшується. Відповідно збільшується коефіцієнт використання енергії вітру. Побачити згадану картину можна лише в процесі фарбування потоку димом. В роботі наведено результати розрахунку частоти пульсацій швидкості повітря при різних значеннях числа Струхаля , при цьому деякі результати обчислень збігаються з результатами вимірювань на вітроустановці МОД-2 у США. Б. Відомо, що в фіксованій точці простору повітря має турбулентний характер і є випадковою функцією часу, яку можна уявити у вигляді t U(t)= Uў (t) + Uсер.= Uў (t)+ t-1Ч т U(t)dt (1) 0 де ф – період осереднення; U(t), Uсер. – миттєве і середнє значення швидкості вітру; Uў (t) – пульсації швидкості вітру, що є випадковою величиною. Маючи на увазі, що для ідеального вітроколеса швидкість повітря за працюючими лопатями втричі менше ніж швидкість вітру перед ВК, рівняння (1) може бути записане у вигляді співвідношення для ідеального вітроколеса t 1 t U2ў(t)+ t2-1Ч т U2(t)dt= - Ч ( U0ў(t)+ t0-1Ч т U0(t)dt) (2) 0 3 0 де U2- швидкість потоку за вітроколесом; U0- швидкість вітру, що набігає на лопаті. Співвідношення швидкостей ідеального вітроколеса в рівнянні (2) використане для подальшого створення алгоритму оптимального керування кутовим положенням лопатей і досягнення максимального значення коефіцієнта використання енергії вітру Ср. Відомо, що за допомогою перетворення Фур'є (частотного зображення) функція від часу може бути перетворена в функцію від частоти 8 U(іW)= т U(t) е-іW ф dt 0 Це значить, що функція від частоти є безкінечною сумою безкінечно малих за розміром векторів, що обертаються на комплексній площині з різними кутовими швидкостями (частотами) W. За гіпотезою відомого математика А.М.Колмогорова така математична модель може бути відображенням реальної фізичної картини турбулентного потоку. В тих випадках, коли ми маємо діло зі східчастими або синусоїдальними функціями, замість перетворення Фур'є використовується перетворення Лапласа, яке пов'язує орігінал і зображення наступними інтегральними співвідношеннями 8 U(S)= т U(t) е-st dt; 0 8 1 с+і: U(t)=--------· т U(s) е-st ds i·2·p с-і: На відміну від перетворення Фур'є, тут зображення функції від часу є функцією не від частоти, а від деякої комплексної величини S=c+i·W, де с-абсциса абсолют- __ ної збіжності; і=Ц-1 - уявна одиниця. Для більшості функцій абсциса абсолютної збіжності дорівнює нулю, тоді перетворення Лапласа трансформується у перетво- рення Фур'є, якщо зробити підстановку S=i·W. Для вирішення рівняння (2) задано начальні умови U0 = U2=0 і замість інтегрування застосоване перетворення Лапласа окремо до лівої і правої частини рівняння (2). Після перетворення одержано F0 + U2 (0)= U2 (s)Ч( s+W2), 1 F0(s) + U0(0)= U0(s)Ч---Ч(s+W0). 3 При цьому зображення Лапласа однієї частини рівняння (2) було замінене зображенням Лапласа іншої частини рівняння, оскільки вони є відображенням одного і того ж процесу 1 --- U2 (s)Ч( s+W2)=L[U0(t)] 3 Це рівняння є зображенням для прискореного руху і не враховує певною мірою реальних характеристик справжньої турбулентної течії. Математичні задачі турбулентності на сьогоднішній день не мають загальних методів вирішення. Можливе лише рішення окремих задач на теоретико-імовірному або статистичному рівні. Найбільш повним статистичним описанням турбулентної течії нестискуваної рідини є задання міри імовірності частоти пульсацій швидкості повітря на функціональному просторі можливих полей швидкості. У математичній статистиці основними об'єднаними характеристиками завжди служать моменти. Момент першого порядку називається математичним очікуванням. При цьому роль абсцис виконують різні можливі значення випадкової величини – проекції вектора прискорення потоку. Проекція вектора прискорення потоку є скалярною величиною. Для одержання моментів необхідно величину проекції вектора прискорення помножити на відповідну імовірність. “Класичне” визначення імовірності передбачає, що, число елементарних подій є кінцевим. В дисертації було прийнято, що число вихорів у турбулентному потоці є безкінцевим. В таких випадках “класичне” визначення є непридатним. З цієї причини поряд з “класичним” користуються також статистичним визначенням імовірності, беручи за імовірність події відносну частоту. В зв'язку з тим, що величина відносної частоти, також як імовірність події не може бути більше одиниці, за величину відносної частоти прийнято частоту пульсацій 9 швидкості вітру, заздалегідь меншу 1 Гц, з котрою здійснюється проектування вектора прискорення на вісь абсцис. Будемо вважати обертані вектори на комплексній площині зображенням векторів кутової швидкості – вихорів за вітроколесом. Проведемо координатні осі так, щоб крапка відліку збігалася з крапкою перехрещення осі обертання і площини обертання вітроколеса. При цьому, вісь абсцис збігається з віссю обертаня лопатей і разом з віссю аплікат і= =Ц-1 становить комплексну площину. У встановленій системі координат основною статистичною характеристикою турбулентної течії є центральний момент першого порядку, в якому характеристикою імовірності є відносні частоти пульсацій швидкості повітря:W0 – частота зміни швидкості вітру за метеоданими; W2 - частота пульсацій швидкості потоку за площиною обертання лопатей, розрахована за допомогою критеріального рівняння Струхаля. З практичних міркувань треба по швидкості потоку за вітроколесом визначити швидкість вітру перед лопатями. Тому передатна функція повинна бути співвідношенням зображення Лапласа для функції швидкості вітру до зображення Лапласа для функції швидкості турбулентного потоку. У зв'язку з рівною імовірністю пульсацій прискорення повітря за площиною обертання вітроколеса з частотою :W0 і W2 (все залежить від відстані за лопатями нижче вздовж потоку) моментом прискорення потоку за площиною обертання на вісь абсцис буде вираження виду 1 W0 + W2 ---U0 (s)Ч( s+W0)Ч(-----------)= Р(W2(t)) 3 2 Прискорення потоку повітря за “диском” обертання лопатей є наслідком пульсацій швидкості вітру перед вітроколесом з частотою W0. Відповідно, наведене вираження можна записати у вигляді Р(W2(t))= U2 (s)Ч( s+W2)Ч W0 Будемо вважати перше з рівнянь зображенням Лапласа кореляційної функції на виході динамічної системи “виміряна швидкість – вітроколесо – істинна швидкість”. А друге рівняння будемо вважати зображенням Лапласа кореляційної функції на вході згаданої системи. Тоді як відношення перетворення Лапласа для впливу на виході динамічної системи до перетворення для впливу на вході, можемо записати передатну функцію у вигляді 1 W0 + W2 (s+W0) G(s)= --- Ч ------------ Ч --------- , (3) 3 2W0 (s+W2) В. Шляхом зворотного перетворення Лапласа знайдене речове рішення рівняння (3), що має вигляд 10 0,6 1 U0(t) = U2(t)· ----------- · ----------------- , (4) 0,1 + W2 e(0,1--W2)·t де t – зворотна характеристика частоти (період) вимірювання швидкості. Зробивши попередній розрахунок відносних індуктивних швидкостей повітря на тому перетині, що знаходиться на рівні розташування анемометра на даху гондоли ВА, і обчислюючи швидкість вітру по формулі (4), можна уявити, в якому з двох режимів працює вітроколесо, і зробити комутацію системи керування. Дворежимна робота системи керування ВК дозволить збільшити вироблення електроенергії на 5%. Таке збільшення вироблення можливе, якщо в складі вітроагрегату будуть, наприклад, два асинхронних електрогенератора. Перший- потужний, високообертовий для роботи ВА в режимі струминної течії. Другий- малопотужний (приблизно 20% від номінальної потужності першого генератора), низькообертовий для роботи ВА в режимі турбулентного сліду. Річ у тому, що при зміні кута установлення лопаті з метою оптимального використання енергії вітру, число обертів вітроколеса може зменшитися. Тому в дисертації наведено результати розрахунку частоти обертання ВК для вітроагрегата середньої потужності коли він працюватиме при малих швидкостях вітру. В цей час і повинен бути підключений до роботи другий генератор. Г.Остаточно закон регулювання кутового положення лопатей, з урахуванням (4), має вигляд R·w b = arctg-------------- , (5) 2ЧU2 Ч е0,1t де ? – частота обертання валу ВК. Такий закон керування може бути використаний якщо вітроагрегат оснащений синхронним генератором . Тоді на режимі турбулентного сліду він може працювати за схемою “будь-яка частота обертання вітроколеса”- “змінний струм будь-якої частоти”-“постійний струм” -“змінний струм промислової частоти”. Але на практиці вітротурбіни, що працюють за такою схемою з інвертором, є дуже дорогими. Більш прості і дешеві схеми регулювання використовуються, наприклад, у комбінованих вітродизельних енергоустановках. Річ у тому, що частота обертання дизельгенератора змінюється не шляхом регулювання подачі палива в двигун, а підключенням баластних активних і реактивних навантажень до вихідної шини електрогенератора. В дисертації розглянуто приклад такої автономної вітроустановки на норвезькому острові Фроєя. В якості зворотного зв'язку в системі керування комбінованою станцією використовується частота обертання вітроколеса. Підключенням навантажень шини генератора можна регулювати і частоту обертання ВК вітроагрегатів середньої потужності. Такий вид регулювання по виміряній швидкості вітру одержав за кордоном назву “stall” (українською -гальмування). Існує ще декілька схем регулювання вихідної потужності вітроагрегатів із лопатями, у яких не змінюється кут атаки, розроблених 11 дтн Р.І. Мустафаєвим зі співробітниками.У цих схемах інформація про швидкість вітру використовується для регулювання систем керування тиристорного перетворювача, встановленого в ланцюг статора генератора і регулюючого вихідну потужність вітроагрегату. На основі схем Р.І.Мустафаєва автором запропоновано схеми систем керування, в яких регулювання вихідної потужності здійснюється за допомогою зміни кута установлення лопаті. Крім того, до складу запропонованих автором схем входить вищезгаданий запам'ятовувальний пристрій для відстеження тенденції у зміні швидкості вітру і для зміни режимів роботи системи керування кутовим положенням лопатей. Завдяки анемометру перша із цих систем керування має у своєму складі дестабілізувальну складову – швидкість вітру. У цій схемі вимірюється швидкість вітру і частота обертання вала ВК, а потім визначається поточне значення кута ?, яке порівнюється з оптимальним значенням ?опт на вході регулятора, з виходу якого подається командний сигнал на систему керування лопатями. Практика свідчить, що tg вопт ? 4р/n. При виконанні цієї пропорції досягається максимальний Ср і, відповідно, максимальна ефективність роботи вітроагрегату. При цьому компенсація великої постійної часу системи, пов'язана зі значною інерцією махових мас вітроколеса, досягається шляхом застосування пропорційно – інтегрального регулятора, пропорційна складова якого значно демпфірує коливання, надаючи їм аперіодичного характеру, і знижує перерегулювання, завдяки чому час перехідного процесу зменшується в 2,5-3 рази. У другій схемі регулювання сигнал на виході функціонального перетворювача пропорційний частоті обертання вала вітроколеса в третьому ступені (?3 ) і відповідає максимальній потужності ВА, яка може бути одержана при даній частоті обертання. На вході інтегрального регулятора поточне значення активної потужності порівнюється з оптимальним, що визначається функціональним перетворювачем –Ропт=f(щ). Вихідна напруга регулятора пропорційна куту установлення лопаті. В цій системі до блоку порівняння (суматору) через диференційну ланку підводиться безпосередньо дестабілізувальний фактор – швидкість вітру. Така структура дозволяє використовувати в тракті регулювання флуктуаційну (динамічну) складову швидкості вітру. Це дає можливість скоротити час перехідного процесу (у 2,0 – 2,5 рази), не змінюючи його аперіодичного характеру. Д. У розділі також розглянуто відхилення потоку на зовнішньому боці гондоли вітроагрегату завдяки турбулізації ламінарної течії при різних швидкостях повітря. Встановлено, що вектор швидкості відхиляється на декілька кутових градусів у такт з коливаннями швидкості повітря. При цьому крапка переходу ламінарної течії в турбулентну буде повільно переміщуватися вздовж контуру гондоли вітроагрегату. При певній швидкості вітру ця крапка може збігтися з місцем розташування анеморумбометра на даху гондоли і “паралізувати” його роботу. Відомо, що в площині обертання вітроколеса колова індуктивна швидкість дорівнює половині колової індуктивної швидкості за площиною обертання ВК. З розгляду геометрич - 12 них співвідношень індуктивних швидкостей потоку в площині обер- тання лопатей і на підставі другої теореми М.Є.Жуковського, а також замінюючи тангенціальну залежність лінійною, одержано закон відхилення напрямку повітря за площиною обертання вітроколеса. Для аеродинамічних характеристик вітроагрегату АВЕ-250М формула має вигляд Dm = Db¤2 + Q = 0,3057ЧЅDU0Ѕ +q , (6) де m - кут відхилення на тому рівні, де розташований румбометр; Q - кут помилки орієнтації осі вітроколеса на вітер. Така залежність одержана завдяки нехтуванню деякою зміною напрямку лінії графічного зображення залежності кута відхилення потоку за вітроколесом від швидкості вітру в деяких діапазонах зміни останньої. Тобто завдяки лінеаризації згаданої залежності. В розділі досліджено також, як впливає кут розбіжності осі обертання вітроколеса і напрямку вітру на зміну аеродинамічних характеристик лопатей. Визначено межу кута розбіжності осі вітроколеса і напрямку вітру, що є безпечною для беззривної роботи лопатей. Як відомо, відхилення осі ВК від напрямку вітру на 5, 10 і 20 градусів призводить до зниження потужності на 3, 5 і 15% відповідно. Враховуючи, що сучасні румбометри мають погрішність визначення кутового напрямку вітру в межах +5 град. , активна система орієнтації дозволить збільшити вироблення електроенергії мінімум на 5-10% по відношенню до ВА з пасивною системою орієнтації без урахування тих випадків, коли напрямок вітру змінюється на протилежний і потрібне швидке реагування на ці кардинальні зміни. Розділ 3 “Експериментальне підтвердження результатів теоретичних досліджень” присвячений порівнянню результатів теоретичних і експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження, що їх проводив безпосередньо автор, здійснювались на вітроагрегатах АВЕ-250М, що розташовані на Акташській і Аджигольській вітрових електростанціях (ВЕС) із застосуванням анемометрів і румбометрів, встановлених на метеовежах і на дахах гондол вітроагрегатів. При цьому відстань між метеовежами і вітроагрегатами становила 50-72 м, тобто не перевищувала 3-х діаметрів вітроколеса. Згідно з міжнародним стандартом ІЕS1400-12 дисперсія, пов'язана зі спотворенням вітрового потоку в місці проведення випробувань, повинна бути взята рівною або більшою 2% величини швидкості вітру, що вимірюється в тому випадку, якщо метеовежа розташована на відстані поміж двома та трьома діаметрами Д вітроколеса ВА, або більше 3%, якщо ця відстань дорівнює від 3-х до 4-х діаметрів ВК. У випадку, що розглядається, Д=25м. Тобто в умовах проведених експериментів результати вимірювань були цілком достовірними. В розділі 3 наведено склад і режими роботи експериментального обладнання, результати вимірювань швидкості і напрямку потоку повітря, результати математичного оброблення статистичних даних, графіки, одержані внаслідок оброблення статистичних даних за допомогою алгоритму швидкого перетворювання Фур'є. Так, при прове- 13 денні експериментів на Акташській ВЕС, період вимірювання швидкості t анемометром ІПВ-92 становив 5с. Тобто вимірювання відбувалося з частотою 0,2 Гц, що при швидкості вітру 5-7 м/с майже збігається з частотою флуктуацій швидкості повітря за працюючим ВК. Враховуючи те, що швидкість вітру найчастіше змінюється 1 раз за 10-11 с., а також, що постійна часу гідропривода дорівнює 0,05с, така частота вимірювань була б достатньою для досить точного регулювання кутового положення лопатей. Усього було одержано понад 200 результатів паралельних вимірювань швидкості вільного потоку на метеовежі і турбулізованого потоку за працюючим ВК. Якщо результати вимірювань на Акташській ВЕС свідчать про роботу вітроагрегату АВЕ-250М переважно в режимі турбулентного сліду, то пізніші результати контрольних вимірювань на доопрацьованому АВЕ-250М Аджигольської ВЕС свідчать вже про роботу в режимі струминної течії. При дослідах на Акташській ВЕС у більшості випадків паралельно із регістрацією швидкостей занотовувалась різниця напрямків вітру і потоку за вітроколесом. Але так як згадана різниця була сумою відхилення потоку і помилки орієнтації, на Акташській ВЕС проводились додаткові експерименти з вимірювання погрішності роботи віндрозного механізму вітроагрегату АВЕ-250М. Аналіз результатів всіх цих вимірювань свідчить про правильність одержаного рівняння (6). За результатами обробки даних експериментів були одержані графіки коваріаційних залежностей швидкості повітря за вітроколесом і кутового відхилення потоку від швидкості вітру, а також графіки логарифмічних амплітудно-частотних характеристик вищезгаданих залежностей. Усі графіки підтверджують правильність результатів теоретичних досліджень. Так, наприклад, логарифмічна амплітудно-частотна характеристика (ЛАХ) процесу зміни швидкості повітря за працюючим вітроколесом свідчить, що максимальне значення цієї характеристики має місце при частоті пульсацій швидкості приблизно рівній 0,1Гц. При цій частоті, за метеоданими, відбувається максимум розподілу вірогідності пульсацій швидкості вітру. Тобто ЛАХ показує, що пульсації швидкості за вітроколесом можуть відбуватися як з частотою флуктуацій вітру, що відповідає роботі ВК в режимі струминної течії, так і з більшою частотою, що відповідає роботі ротора вітротурбіни в режимі турбулентного сліду. Це свідчить про правильність зробленого в роботі припущення про рівну вірогідність пульсацій швидкості повітря за працюючими лопатями з частотами W0 і W2 . Розділ містить також розроблений автором алгоритм обчислення швидкості вітру, що набігає на лопаті, по виміряній швидкості турбулентного потоку за площиною обертання вітроколеса. Основні результати і висновки: 1.Підтверджено, що турбулентний потік являє собою нескінченну суму безкінечно малих за розміром векторів швидкості, що обертаються в різні боки з різними кутовими швидкостями. 2. Вітроколесо, що працює в режимі турбулентного сліду, повинне розглядатися як поганообтічне тіло з числом Струхаля Sh=0,145. Коли вітроколесо переходить в режим струминного обтікання, число Струхаля змінюється на Sh=0,21. 14 3. Кутове відхилення потоку повітря за площиною ВК залежить від швидкості пові- тря та аеродинамічних особливостей лопатей на тому рівні, на якому розташований румбометр на гондолі вітроагрегату. Врахування цих властивостей дає змогу вивести рівняння відхилення потоку за лопатями, що підтверджено під час експериментів. 4.Теоретично виведене і практично підтверджене рівняння зміни швидкості повітря після проходження крізь працююче вітроколесо. 5.Виведене рівняння оптимального керування кутовим положенням лопатей під час зміни швидкості повітря на підставі швидкості потоку повітря, виміряній за площиною обертання лопатей. 6. Досліджена вихрова структура сліду за працюючим ВК. 7. Запропоновано структурні схеми оптимального регулювання кутового положення лопатей на підставі інформації про швидкість повітря з анемометра, встановленого на гондолі вітроагрегату. 8.Встановлено, що урахування швидкості повітря в системах керування вітроколеса автономних ВЕУ дасть змогу зменшити помилку стабілізації частоти електричного струму, що виробляє вітроустановка. 9. Активна система орієнтації вітроколеса на вітер, у складі якої є румбометр, дозволяє вітроустановці виробляти на 10% більше електроенергії, ніж вітроустановка з пасивною системою орієнтації. CПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ 1.А.с.N1816056 СССР.МКИ F03Д9/00.Энергоустановка/В.С.Козин, П.Г.Хорольский, N4953406/06; заявлено 5.05.91. 2.В.С.Козин Комбинированные ветродизельные энергоустановки // Энергия.- М.- 1993.- N5.-С.28-29. 3.В.С.Козин. Автономные ветродизельные энергоустановки//Энергетика и электрификация.- Киев.- 1996.- N5.- C.52-54. 4.В.С.Козин. Измерение скорости ветра в турбулентном потоке за плоскостью вращения ротора ветроагрегата//Проблемы высокотемпературной техники:Сб. науч. тр. ДГУ.-Днепропетровск.- 1997.-С.59-70. 5.В.С.Козин. Измерение скорости турбулентного потока за плоскостью вращения ветроколеса с целью оценки эффективности работы системы управления//Энергетика и электрификация.-Киев.- 2000.-№8.-С. 6.В.Козін, П.Хорольський. Енергетична установка//, 3-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків: Тез. доповід..,- Львів, 21-23 травня, 1997.- С.133. 7.В.С.Козин. Изменение направления воздушного потока за плоскостью вращения ветроколеса//”Космическая техника. Ракетное вооружение”.-Днепропетровск,- 2000.- N1-2.С.127-135.

Захищається дисертація, що присвячена питанням аеродинаміки працюючого вітроколеса. Виведені теоретично рівняння зміни швидкості повітря і напрямку потоку за працюючим вітроколесом, що дає змогу здійснювати оптимальне керування кутовим положенням лопатей і орієнтацією ротора вітроустановки на вітер з метою підвищення виробництва електроенергії.

Запропоновані схеми оптимального регулювання кутового положення лопатей і алгоритм обчислення швидкості вітру по швидкості повітря за лопатями. Порівняння теоретичних результатів досліджень з дослідними даними свідчить, що розбіжність не перевищує 5%, і це

свідчить про достовірність.

Защищается диссертация, которая посвящена вопросам аэродинамики работающего ветроколеса. Теоретически выведены уравнения изменения скорости воздуха и изменения направления потока за работающим ветроколесом, что даёт возможность осуществлять оптимальное управление угловым положением лопастей и ориентацией ротора ветроустановки на ветер с целью увеличения выработки электроэнергии. Предложены схемы оптимального

регулирования углового положения лопастей и алгоритм вычисления скорости ветра по скорости воздуха за лопастями. Сравнение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными свидетельствует, что расхождение не превышает 5%, и это свидетельствует о достоверности.

Thesis is devoted to research of airdynamics working wind rotor. Equations of the air speed change and airflow direction behind the working rotor were taken theoretically. That gives possibility

to provide оptimal control of wind-device blade pitch аnd wind azimuth orientation in order to rize power output. The scheme of optimal regulating of blade pitch and algoritm for wind