Ветроколесо ветросилового агрегата. Мощность ветродвигателя

Ветросиловой агрегат промышленного масштаба (учитывая и выполненные экземпляры и, преимущественно, проектные данные) имеет следующие основные элементы:

1. Ветроколеса — быстроходные узколопастные с 4-3-2 лопа­стями. Число ветроколес в одном агрегате может быть: одно (ПВЭИ), два, расположенные по вертикали на одном стволе (инж. Кондратюк и Горчаков — КрВЭС), или несколько, располагаемых в одной плоскости, но не на одной вертикали (Уфимцев, Ветчинкин, Гоннеф).
2.  Коренной вал, на котором укреплено ветроколесо, и его под­шипники (в некоторых конструкциях ветроколесо непосредственно сидит на подшипниках и вала нет — Гоннеф, Балаклава).
3. Повысительные механические или гидравлические редуктора (конструкция Гоннефа их не имеет, — генератор непосредственно на ветроколесе, Уфимцев и проф. Ветчинкин также предлагали по­добные схемы).
4. Система регулирования с механизмами поворота лопастей или всего ветроколеса.
5. Башня-конструкция, несущая все указанное выше и дающая ветроколесам нужную высоту установки над земной поверхностью.

Создание ветросилового агрегата (ВСА), являющегося основ­ным элементом ветроэлектрической станции, представляет собою одну из сложнейших задач современной техники, ибо необходимо учитывать:

а) малую интенсивность энергии ветра;

б)  неравномерность ветрового потока как в пространстве, так и во времени.

Малая интенсивность ветрового потока заставляет для получе­ния достаточно мощных установок осваивать агрегаты с ометаемы-ми площадями как минимум 500 м .

Ветросиловой агрегат по проекту Ай-Петринской ВЭС имеет ометаемую площадь 10 тыс. м , с высотою центра тяжести ее около 100 м от земли, а в проектах инж. Гоннефа, ометаемая площадь аг­регата доходила до 100 тыс. м (6 ветроколес диаметром по 160 м каждое) с высотою центра тяжести около 450 м.

Использование ометаемой площади, измеряемой тысячами квадратных метров, представляет серьезную конструктивную зада­чу. При этом нужно иметь в виду, что собственный вес конструкции необходимо снижать в пределах возможного, так как вес лопастей и всего ветроколеса в целом представляет собою основную нагрузку и для конструкции самих ветроколес (центробежные силы, изгибаю­щие моменты от веса), и для механизмов управления лопастями (центробежные силы, центробежные моменты, инерционные мо­менты), и для коренного вала и подшипников (изгибающий момент от консольного веса ветроколеса, гироскопический момент), т. е. для значительной части наиболее дорогих элементов ВЭС.

Основные законы изменения теоретического веса элементов ветроколесо ветросилового агрегата

Удельный вес ветроколеса (на 1 кВт или на 1 м² ометаемой площади) при одном и том же установочном ветре и одной и той же схеме растет прямо пропорционально диаметру ветроколеса (ввиду того, что вес растет с кубом диаметра, а мощность — только с квад­ратом — по ометаемой площади).

Отсюда вытекает, что чем большее число мелких ветроколес охватывает данную ометаемую площадь, тем меньше их суммарный вес.

К этому надо прибавить, что этот же квадратно-кубический за­кон в равной степени относится и к коренному валу с подшипника­ми, и к редукторам ветродвигателя ввиду того, что при равном ус­тановочном ветре обороты ветроколеса падают пропорционально увеличению его диаметра, а вращающий момент растет соответст­венно с кубом диаметра ветроколеса.

Однако ряд техно-экономических факторов приводит к тому, что оптимальный диаметр ветроколес приходится определить дос­таточно крупным размером — не менее 30-40 м, но возможно, что и значительно выше, т.е. размером, дающим вес на единицу ометае-мой площади значительно больший, чем минимально возможный при более мелких ветроколесах.

Главными из этих факторов являются:

1.    Общая конструктивная эксплуатационная выгодность более крупных агрегатов.

2.   Возрастание мощности ветра с высотою, для равнинных мест

примерно определяемое зависимостью Т = НС.

3.   Уменьшение неравномерности ветра с высотою.

Последние два фактора требуют высокой мачты, а высокая мач­та может себя экономически оправдать лишь при установке на ней достаточной мощности и косвенно требует укрупнения ветроколес.

В связи с проблемами охвата больших ометаемых площадей и большим весом крупных ветроколес в вопросе построения схемы промышленного агрегата имеется два противоположных течения.

Все конструкции ЦВЭИ и его конструктивных преемников — ВИМЭ и ВИСХОМ имеют по одному ветроколесу в агрегате.

Ими созданы агрегаты — Д-12 — 15 кВт и Д-30 — 100 кВт и проекты более мощных агрегатов, как Д-50 — 1000 кВт.

На рис. 1 дан характерный для этого конструктивного типа об­щий вид ВЭС Д-50 — 1000 кВт по проекту, сделанному примени­тельно к условиям Кольского полуострова.

Закон увеличения удельного веса ветроколес вместе с их диа­метром и веса редукторов, составляющего ориентировочно от 0,4 до 0,9 от веса ветроколес, а также и технологические трудности с изго­товлением того и другого при большом диаметре ветроколеса, при­вели другую конструкторскую группу — изобретателя А.Г. Уфимцева и проф. В.П. Ветчинкина — к мысли ориентиро­ваться на создание ветросилового агрегата из многих менее круп­ных ветродвигателей, устанавливаемых на одной общей мачте-раме, которая дает ветродвигателям должную высоту установки и совме­стный поворот на ветер.

Авторы настоящей статьи, руководя проектированием Ай- Петринской ВЭС 10 тыс. кВт, начали с ветросилового агрегата 1-Д- 100 (в эскизном проекте 1932 г.), но затем перешли к конструкции, занимающей промежуточное место между указанными выше край­ними течениями: ветросиловой агрегат Ай-Петринской ВЭС 10 тыс. кВт принципиально уже не является одноколесным агрега­том, но число ветродвигателей — 2 — еще невелико, и башня еще сохранила простую форму одного стержня.

В результате целого ряда проведенных проектировок и анализа показателей ветросилового агрегата и их компонентов можно сде­лать следующие выводы:

• Оптимальный промышленный ветросиловой агрегат будет об­ладать не менее чем двумя ветроколесами.
• Применение металлических башен позволяет увеличивать чис­ло ветродвигателей в одном агрегате, а железобетонная башня при­нуждает не идти далее двух ветродвигателей — подобно Ай- Петринскому агрегату.
• Промышленный ветросиловой агрегат будет иметь ветроколесо с диаметром не ниже 30-40 м.

Ветроколеса ветродвигателей промышленного масштаба имеют от 20 до 60 об/мин, причем последняя цифра относится лишь к ме­нее крупным мощностям.

Ветроколеса Ай-Петринской ВЭС долж­ны делать всего по 20 об/мин. Это обстоятельство выдвигает особое требование к редуктору. Значение редуктора в ветротехнике видно на примерах Ай-Петринской ВЭС, где ветродвигатель в 5000 кВт имеет на валу вращающий момент 330 т^м, Балаклавской ВЭС мощностью всего 100 кВт, имеющей вращающий момент около 6 т^м, т.е. такой же вращающий момент, как у 3000-оборотного тур­богенератора мощностью 15 тыс. кВт.

Радикальное решение вопроса заключается в создании гидрав­лической передачи.

В проекте Ай-Петринской ВЭС задача гидравлической переда­чи была успешно разрешена в виде присоединяемого к ветроколесу на 20 об/мин лопаточного ротативного насоса системы т. Чечулина, нагнетающего масло под давлением до 37 ат. в гидротурбину, непо­средственно присоединенную к генератору на 600 об/мин.

Вес основного элемента этой передачи — насоса — оказался равным 90 т, вместо предусмотренного раньше в проекте зубчатого редуктора весом около 220 т.

При этом примененные в насосе материалы и требования к точ­ности обработки оказались много проще, чем для зубчатого редук­тора.

Неравномерность ветрового потока ставит перед ветротехникой троякого рода задачи: прочностные, регулировочные и энергетиче­ские.

Обычный ветровой поток в теплое время года показан на гра­фике экспериментальной записи давления ветра на горизонтальную пластинку размером 12×0,35 м (рис. 4). Нужно, однако, иметь в ви­ду, что изменчивость давления и резкость переходов для лопасти ветроколеса оказываются еще значительно большими, чем для не­подвижной пластинки, так как лопасть перемещается в потоке в по­перечном направлении со скоростями в несколько десятков метров в секунду.

Ввиду неравномерности ветрового потока аэродинамическую нагрузку на лопасти приходится учитывать как динамически при­кладываемую.

В части регулирования неравномерность ветрового потока ста­вит перед ветротехникой задачи, которые совершенно отсутствуют в области гидравлических и паровых турбин.

В то время как с регулированием гидравлических и тепловых двигателей вполне справляется центробежное — скоростное регу­лирование, для ветродвигателей оно совершенно недостаточно.

Ветродвигатель, имеющий жесткую связь генератора с ветроколесом и работающий в какой-либо системе с нормальным синхрон­ным генератором, не может самостоятельно изменить своих оборо­тов при изменении скорости ветра и нуждается поэтому в дополни­тельном регулировании от фактора мощности, который может быть взят или непосредственно от замера скорости ветра, или от вра­щающего момента на валу, или от электрической нагрузки.

При превышении мощности регулирование ветродвигателя точно так же должно «выводить лопасти из-под ветра», как и при «переоборотах».

Другой способ решения этой задачи заключается в обеспечении ветроколесу асинхронного скольжения вперед, — переоборотов при избытке мощности, чтобы оно имело возможность индивидуально регулироваться своим центробежным регулятором.

Скольжение в свою очередь может быть достигнуто по разным путям — в электрической части (асинхронный генератор, преобра­зователи, специальные машины переменного тока, постоянный ток с последующим преобразованием) или в механической части — специальной гидравлической муфтой или же созданием мягкого гидравлического редуктора. По имеющимся на сегодняшний день решениям создание скольжения в электрической части следует при­знать дорогим, весьма невыгодным по к. п. д. и эксплоатационно излишне сложным, а вполне приемлемым оказались гидравлические решения в виде муфт, ограничивающих вращающий момент, и в виде нежесткой гидравлической редукции.