Динамічна стабілізація частоти обертання тихохідної вітроустановки зі складанням лопатей

Abstract

У дисертаційній роботі обґрунтовано, що одним із найефективніших і найбільш придатних для використання у тихохідних горизонтально-осьових вітроустановках способів регулювання потужності є складання лопатей. Доведено необхідність поєднання класичного механізму складання та відцентрового регулятора для забезпечення динамічної стабілізації частоти обертання із заданою точністю. Удосконалено математичні моделі аеромеханічної системи вітроустановки з механізмами орієнтації та регулювання, які адекватно описують процеси динамічної стабілізації частоти обертання вітроколеса у характерних перехідних режимах роботи. Подано результати експериментальних досліджень аеродинамічних характеристик вітроколеса з механізмом складання лопатей. Побудовано характеристики регулювання, регулятора та вітроустановки. Наведено аналітичні залежності для встановлення інерційно-жорсткісних параметрів відцентрово-аеродинамічних механізмів регулювання. Результати комп’ютерного моделювання процесу стабілізації у характерних перехідних режимах роботи практично повністю узгоджуються з теоретично розрахованими. In dissertation work there is substantiated, that the one of the most effective and adaptable for use in low-speed horizontal-axis wind turbines power regulation methods is blades folding. The necessity of combination of classic blades folding mechanism and centrifugal regulator is proved for providing rotation frequency dynamic stabilization with set precision. The mathematical models of the wind turbine aeromechanical system with the mechanisms of orientation and regulation, which adequately describe the processes of rotation frequency dynamic stabilization at typical transient operation modes, are improved. The experimental research results of aerodynamic characteristics of the wind wheel with the mechanism of blades folding are presented. The characteristics of regulation, regulator and wind turbine are built. The analytical dependencies for ascertainment of inertial and stiffness parameters of the centrifugal and aerodynamic regulation mechanisms are produces. The results of stabilization process computer modeling at typical transient operation modes practically fully accord with theoretically calculated dependencies. Цель работы. Обеспечение необходимой точности стабилизации частоты вращения тихоходного ветроколеса на основе динамического анализа аэромеханической системы ветроустановки та обоснования конструктивных параметров механизмов регулирования. Методика исследований: описание и исследование динамических моделей ветроустановок; анализ статических характеристик регулирования и часовых диаграмм частоты вращения в переходных режимах работы; формирование аналитических зависимостей для установления инерционно-жёсткостных параметров центробежно-аэродинамического механизма регулирования. Результаты. Обосновано, что одним с самых эффективных и наиболее пригодных для использования в тихоходных горизонтально-осевых ветроустановках способов регулирования мощности есть складывание лопастей. Доказано необходимость сочетания классического механизма складывания лопастей и центробежного регулятора для обеспечения динамической частоты вращения с заданной точностью. Усовершенствовано математическую модель аэромеханической системы ветроустановки с механизмами ориентации и регулирования, которая адекватно описывает процессы динамической стабилизации частоты вращения ветроколеса в характерных переходных режимах работы. Представлено результаты экспериментальных исследований аэродинамических характеристик ветроколеса с механизмом складывания лопастей. Построено характеристики регулирования, регулятора и ветроустановки. Приведено аналитические зависимости для определения инерционно-жёсткостных параметров центробежно-аэродинамического механизма регулирования с условий сохранения необходимой точности стабилизации и обеспечения начала процесса регулирования при достижении ветроколесом номинальной частоты вращения. Результаты компьютерного моделирования процесса стабилизации в характерных переходных режимах работы практически полностью согласовываются с теоретически рассчитанными. Научная новизна заключается в дальнейшем развитии методов динамической стабилизации частоты вращения тихоходных горизонтально-осевых ветроустановок, что разрешило обосновать возможности совместного использования двух принципиально разных систем регулирования – аэродинамической и центробежной и усовершенствовать методику расчёта инерционно-жёсткостных параметров механизма складывания лопастей для обеспечения необходимой точности стабилизации. Практическая значимость. Предложенный способ динамической стабилизации частоты вращения ветроколеса с использованием центробежно-аэродинамического механизма складывания лопастей эффективно реализовывает функции защиты лопастей от перегрузок инерционными и аэродинамическими силами вследствие неконтролируемого возрастания частоты вращения и противоштормовой защиты ветроустановки при резких порывах ветра.