СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛА ДИАМЕТРАЛЬНОГО ШАГА ЛОПАСТЕЙ РОТОРА ВЕТРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF DIAMETRE PITCH ANGLE IN ROTOR BLADES OF WIND-POWERED PLANTS

Изобретение относится к способу регулирования угла диаметрального шага лопастей ротора на ветросиловых установках, причем угол диаметрального шага регулируется для установления наивысшего эффекта и во избежание перегрузок на лопастях ротора.
Изобретение относится также к устройству регулирования угла диаметрального шага лопастей ротора на ветросиловых установках со средствами для настройки угла диаметрального шага.
Обычно в ветросиловых установках лопасти ротора имеют поперечное сечение, похожее на поперечное сечение профиля крыла. Это поперечное сечение (профиль) имеет вогнутую кривизну на продольной стороне поперечного сечения, которая образует сторону разрежения лопасти ротора, и, в основном, выпуклую продольную сторону поперечного сечения, которая образует напорную сторону лопасти ротора. Между обоими поперечными сечениями располагается осевая линия поперечного сечения, которая соответственно следует в продольном направлении поперечного сечения.
Для создания вращательного движения на лопасти ротора должна воздействовать тангенциальная по отношению к оси вращения ротора силовая составляющая - сила тяги или движущая сила, образующаяся за счет угла, под которым лопасти ротора располагаются относительно оси вращения ротора, так как, тем самым, определяются подъемные силы, а следовательно, силы тяги. Этот угол обозначается как угол диаметрального шага или кратко как диаметральный шаг и измеряется обычно между средней линией поперечного сечения и перпендикуляром к оси вращения.
Известно, что настройка угла диаметрального шага лопастей ротора определяет эффект, достигаемый ветросиловой установкой. Для этого регулирование настройки угла диаметрального шага производится по характеристической кривой, к примеру, в зависимости или в связи с измеренной на гондоле скоростью ветра, с числом оборотов и/или крутящим моментом приводного вала и/или электрической мощности.
Данное регулирование по характеристической кривой проблематично в том отношении, что оно, в силу различных ветровых режимов между верхним и нижним положением лопастей ротора, в частности, вследствие их значительной длины у больших ветросиловых установок, не находит оптимальной настройки угла диаметрального шага, так как существенный показатель «скорость ветра» измеряется на гондоле лишь выборочно.
Задача изобретения состоит, таким образом, в том, чтобы довести до максимума силу тяги на лопастях ротора и избежать возникновения перегрузок на лопастях ротора.
Эта задача решается посредством способа согласно пункту 1 формулы изобретения. Последующие зависимые пункты 2-19 формулы изобретения представляют предпочтительные варианты осуществления предлагаемого способа.
Задача решается также посредством устройства с признаками пункта 20 формулы изобретения. Последующие зависимые пункты 21 и 22 формулы изобретения представляют предпочтительные варианты осуществления предлагаемого устройства.
Решение поставленной задачи касательно способа предусматривает, что первый замер давления производится на напорной стороне (замер избыточного давления), а второй замер давления производится на стороне разрежения лопасти ротора (давление разрежения). Исходя из этого определяется, по меньшей мере, одно соотношение между первым и вторым замерами давления. Это соотношение может быть определено различным образом, к примеру, как разность давлений или как производная по времени от этого, как далее впоследствии и выполняется. Затем настройка угла диаметрального шага производится посредством функции регулировки, которая функционально зависит от соотношения, образованного из первого и второго замеров давления. При этом становится возможным посредством настройки угла диаметрального шага повысить кпд ветросиловой установки и/или избежать возникновения перегрузок.
Одна возможность состоит в том, чтобы выразить соотношение между первым и вторым замерами давления в виде разности давлений.
В частности, возможно, чтобы соотношение было образовано из абсолютных значений первого и второго замеров давления.
Поскольку временной характер соотношения может быть характерным для поведения лопастей ротора, чтобы, к примеру, соотношения давления во время вращения лопасти ротора изменялись, предусмотрено, что функция регулировки находится в функциональной зависимости от изменения во времени, по меньшей мере, одного соотношения. Тем самым, к примеру, становится возможным приводить угол диаметрального шага в соответствие с такого рода соотношением
К примеру, во избежание перегрузок интенсивность изменения по времени, то есть от производной по времени, по меньшей мере, одного соотношения, может представлять собой характерную величину. В таком случае целесообразно, чтобы функция регулировки находилась в функциональной зависимости от интенсивности изменения по времени, по меньшей мере, одного соотношения.
В частности, для оптимизации эффективности ветросиловой установки целесообразно, чтобы угол диаметрального шага изменялся, пока не установится разность давлений, которая соответствует максимальной подъемной силе.
Благодаря предлагаемому изобретению становится возможным не допускать возникновения перегрузок. При этом, в частности, при возникновении перегрузок можно реагировать своевременно, без необходимости превышения предельных значений нагрузок. Это может целесообразно происходить благодаря тому, что при возникновении перегрузок угол диаметрального шага изменяется таким образом, что удерживается допустимая нагрузка.
Далее может быть целесообразным, чтобы первый и второй замеры давления (замер избыточного давления и замер давления разрежения) производились многократно в нескольких местах измерений лопасти ротора. Возможные локальные ошибки измерений или локальные особенности места замера могут быть, таким образом, обнаружены или исключены совсем. Таким образом, также может быть установлено поведение локальных особенностей на лопасти ротора.
Решение поставленной задачи касательно устройства предусматривает, что на одной лопасти ротора расположено, по меньшей мере, два места замера давления, которые посредством измерительного и управляющего элементов соединены со средствами для настройки угла диаметрального шага. Эти места замера давления могут находиться на напорной стороне и на стороне разрежения лопасти ротора, или, по меньшей мере, быть связаны с этими сторонами лопасти ротора.
Целесообразным образом предусмотрено, что место замера содержит проходящий насквозь через обшивку лопасти ротора канал и датчик давления, который расположен на внутренней стороне лопасти ротора, в отверстии с внутренней стороны соответствующего канала. Тем самым, становится возможным расположить датчик давления на внутренней стороне лопасти ротора, где он легко доступен, к примеру, с целью обслуживания.
В качестве альтернативы этому предпочтительно, если место замера содержит проходящий насквозь через обшивку лопасти ротора канал, подсоединенную к нему трубку и расположенный в произвольном месте в лопасти ротора датчик давления. Тем самым становится возможным располагать датчик давления в тех местах, которые имеют особо легкий доступ в лопасть ротора.
Далее изобретение более подробно поясняется с помощью чертежа, на котором обозначены отдельные действующие на лопасть ротора физические величины.
Существенными для подъемных сил FA и, тем самым, для движущих сил или сил тяги FV, действующих на лопасть 1 ротора, являются условия обтекания, которые образуются при обтекании в соответствии с диаметральным шагом 2 лопасти 1 ротора, между средней линией 3 поперечного сечения и перпендикуляром 4 к оси вращения. Из сил тяги FV и подъемных сил FA образуется радиальная силовая составляющая FR. Об условиях обтекания и, тем самым, о подъемных силах FA можно легко судить по замерам избыточного давления на напорной стороне 5 и по замерам разрежения на стороне 6 разрежения на лопасти 1 ротора.
Изображенный на чертеже треугольник демонстрирует соотношение скорости ветра w, скорости вращения u и результирующей скорости vR.
Если шаг 2 лопасти 1 ротора посредством замера условий обтекания через замер режима давления в соответствии с изобретением отрегулирован таким образом, что лопасть 1 ротора показывает аэродинамически оптимальный результат, посредством прямого аэродинамического регулирования может быть достигнут максимальный эффект, который лучше, чем опосредованное регулирование диаметрального шага посредством семейства характеристик, и лучше, чем не характерный для лопастей ротора замер скорости ветра на гондоле.
Измерение распределения давления происходит с помощью нескольких распределенно расположенных над поверхностью лопастей 1 ротора, не представленных более подробно, мест замера давления.
Простейший вариант осуществления мест замера представляет следующее: вдоль лопасти 1 ротора на напорной стороне 5 и на стороне 6 разрежения нанесены маленькие, проходящие насквозь через обшивку лопасти 1 ротора, каналы. На внутренней стороне обшивки лопасти 1 ротора посредством прикрепленных датчиков давления измеряется прилагаемое снаружи давление.
В соответствии с используемым для лопасти 1 ротора профилем и на основании рассчитанных, к примеру, экспериментальным или математическим путем величин, используются необходимые оптимальные условия давления для алгоритма регулирования в соответствии с изобретением для достижения максимального эффекта, а также значения предельного давления, в которые входят другие величины, такие, к примеру, как скорость ветра и число оборотов.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 - лопасть ротора
2 - диаметральный шаг
3 - средняя линия поперечного сечения
4 - перпендикуляр к оси вращения
5 - напорная сторона
6 - сторона разрежения
FA - подъемная сила
FV - движущая сила или сила тяги
FR - радиальная силовая составляющая
w - скорость ветра
u - скорость вращения
vR - результирующая скорость