СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ И УСТРОЙСТВ С ЛОПАСТЯМИ ВИНТОВ
SAFETY SYSTEM OF WIND-POWERED GENERATORS AND DEVICES WITH PROPELLER BLADES

Изобретение относится к машиностроению и энергетике и может быть использовано при создании ветрогенераторов, турбин, пропеллеров и винтов всех типов, для контроля и защиты любых вращающихся частей.
При создании ветрогенераторов основной опасностью является не только общеизвестный факт вибрации и изгибов несущей конструкции при ветровых нагрузках и ввиду гироскопического эффекта, но и поведение, в частности, деформация, непосредственно лопастей винта (или нескольких винтов). Настоящая система призвана обеспечить безопасную работу ветрогенератора за счет того, что соосность схемы винтов уменьшает момент, вибрацию и раскачивание несущей конструкции, а предлагаемое техническое решение позволяет компактнее разместить винты без опасности их разрушения.
Система может быть использована также для увеличения безопасности любых других систем, имеющих вращающиеся винты (различные системы вентиляции, технологические системы), лопасти которых подвержены деформации. Она может найти применение для увеличения безопасности аттракционов, где присутствуют балки или иные конструкции, закрепленные в центре вращения.
В патенте GB 2466243, G09F 13/30, 2010-06-23 описана система безопасности ветрогенератора, содержащая группы светодиодных излучателей, размещенных на лопастях турбины, микроконтроллер и блок запоминания, осуществляющие мониторинг зрительного образа, возникающего при вращении турбины, для согласования скорости вращения с силой ветра и контроля балансировки лопастей.
Однако система, основанная на анализе зрительного образа, дает неоднозначную информацию о положении лопастей, неприменима в системе с несколькими винтами, т.е. недостаточно информативна.
В патенте CN 101550909, F03D 7/04, 2009-10-07 описана система безопасности ветрогенератора, осуществляющая контроль динамического баланса лопастей и содержащая группу датчиков, контрольный блок, элемент балансировки и привод. Сигнал от группы датчиков поступает на контрольный блок, последний вырабатывает сигнал, управляющий приводом и привод перемещает элемент балансировки. Ветрогенератор управляется соответствующим вычислителем (процессором).
Данное устройство является наиболее близким к предложенному. Его основным недостатком является нечувствительность к относительному положению лопастей, низкая информативность измерительной части, реагирующей на небаланс, в то же время малым значениям небаланса могут соответствовать весьма значительные деформации лопастей турбины (винта), близкие к критическим.
Вибрация лопастей есть только косвенное и необязательное следствие небаланса, а сам небаланс лишь опосредовано связан с причиной разрушения лопастей вследствие их сближения. Поэтому достоверность известного устройства невелика.
Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение эффективности системы безопасности за счет повышения ее чувствительности, информативности и расширения функциональных возможностей.
Указанный результат достигается тем, что в известной системе безопасности ветрогенератора, содержащей группу датчиков и контрольный блок, группа датчиков выполнена в виде групп приемников и передатчиков, а контрольный блок - в виде последовательно соединенных блока обработки и блока анализа, при этом выходы группы приемников подключены к первой группе информационных входов блока обработки, выход которого через вычислитель ветрогенератора соединен с органами управления и/или индикации, а вторая группа информационных входов блока анализа соединена с соответствующей группой выходов вычислителя ветрогенератора.
При этом группы передатчиков и приемников могут быть расположены на первом и втором соосных винтах ветрогненератора.
Кроме того, группы передатчиков и приемников, размещенных на элементах конструкции ветрогенератора, могут образовывать многосвязную систему регистрации отклонения пространственного положения элементов конструкции от нормального.
В последнем случае датчики (пара приемник-передатчик) кроме лопастей устанавливаются на опоры, противовесы и оси, а также на иные конструктивно удобные места несущей конструкции.
На фиг.1 показано размещение элементов системы на элементах конструкции ветрогенератора. Фиг.2 иллюстрирует блок-схему системы обеспечения безопасности. На фиг.3 показан пример построения многосвязной системы регистрации отклонения пространственного положения элементов конструкции от нормального.
Система содержит (фиг.1) приемник 1 и передатчик 2 (или передатчик 1 и приемник 2), размещенные на лопастях 3, 4 соосных винтов. Один или несколько приемников или передатчиков 5 может быть расположен на корпусе 6 ветрогенератора, точно также приемник или передатчик 7 может размещаться на стойке 8.
Иными словами, на элементах конструкции ветрогенератора размещена группа 9 передатчиков 10 и группа 11 соответствующих им приемников 12, способных принимать сигнал одного или нескольких передатчиков 10, что показано фигурной стрелкой (фиг.2). Запитка последних осуществляется частотой генераторов 13, а сигнал с выхода приемников 12 поступает на соответствующие амплитудные детекторы 14, образующие блок обработки, назначением которого является выделение, формирование, преобразование сигналов приемников 12 в вид (например, в цифровой код), пригодный для анализа и использования в вычислениях. Выходы детекторов 14 соединены с первой группой информационных входов блока 15 анализа, выход которого соединен с вновь образованным входом вычислителя 16. С блока 15 на этот вход поступает информация, используемая в вычислителе 16 для управления органами 17 управления лопастями и/или средствами индикации, также условно обозначенными на фиг.2 позицией 17. Позицией 18 обозначены датчики, дающие на вход вычислителя 16 информацию о ветровой нагрузке и других влияющих параметрах. После обработки эта информация с выхода вычислителя 16 поступает на вторую группу информационных входов блока 15 анализа.
Как показано на фиг.3, на корпусе 6 могут располагаться два приемника 12, на лопастях 3 первого винта три, а на опоре 19 - один передатчик 12. Передатчики 10 могут располагаться на лопастях 4 второго винта (три), на элементе 20 (один), на оси 21 (один). Передатчики 10 стрелками соединены с приемниками 12, настроенными на их сигналы, так что стрелки на фиг.3 показывают связи в многосвязной системе регистрации отклонения пространственного положения элементов конструкции от нормального. Так, передатчик 10 на винте 4 связан с приемниками 12 на винте 3, одним приемником 12 на стойке 8 и т.д., а передатчик 10 на оси 21 сопряжен с приемником 12 на винте 3 и т.д.
Связи устанавливаются из условий: данные от приемников 12 об их положении относительно связанных с ними передатчиков 10 должны быть достаточны для определения взаимного положения всех элементов конструкции, на которых передатчики 10 или приемники 12 установлены, и число связей в системе не является избыточным. Выполнить это условие можно путем решения соответствующей системы уравнений, а также установив сначала связь всех приемников 12 со всеми передатчиками 10, а затем поочередно исключая дальние связи и проверяя достаточность информации, т.е. возможность определения взаимного положения всех элементов конструкции.
Система работает следующим образом. Вблизи критических режимов, при переменной ветровой нагрузке происходит деформация лопастей и других элементов конструкции ветрогенератора. Величина этой деформации фиксируется по величине амплитуды сигнала, принимаемого приемником 12. Последняя выделяется детектором 14, выполненным, например, в виде последовательно соединенных собственно амплитудного детектора и аналого-цифрового преобразователя.
Эта информация поступает на блок 15, в котором выполняются все или несколько из следующий операций:
- данные об амплитуде сигналов с выхода детекторов 14 преобразуются в данные о величине деформации элементов конструкции ветрогенератора, о величине отклонения их положения от нормального,
- эти отклонения сравниваются с предшествующими значениями и по величине производных делается прогноз о развитии ситуации,
- эти отклонения и/или производные сравниваются с пороговыми значениями, или,
- по этим значениям для совокупности звеньев многосвязной системы регистрации отклонения пространственного положения элементов конструкции от нормального определяется комплексный показатель опасности, вероятность аварийной ситуации,
- при расчете данного показателя используются хранящиеся в блоке 15 или вычислителе 16 сведения о сроке службы элементов конструкции и времени, прошедшем с момента замены или ремонта отдельных элементов,
- при расчете показателя и/или прогнозировании развития ситуации используется также информация о скорости, нагрузках, положении элементов управления. Эти данные поступают от вычислителя 16,
- формируются сигналы, корректирующие действия оператора или дающие ему информацию о близости критических режимов и путях предотвращения аварийной ситуации.
Как отмечалось выше, система предназначена, прежде всего, для ветрогенераторов с винтами соосной схемы, где при критических режимах лопасти 3, 4 винтов могут сблизиться вплоть до взаимного соприкосновения и разрушения, но может быть полезна и для наблюдения за поведением винта в обычной одновинтовой схеме. В последнем случае датчики (пара приемник-передатчик), кроме лопастей, устанавливаются на опору 19 и корпус 6.
Система измеряет в реальном времени взаимное расположение своих элементов (передатчиков 10 и приемников 12), размещенных на лопастях 3, 4 (при необходимости - в нескольких точках, но главным образом на концах, где деформация максимальна), а также, например, на корпусе 6.
Система фиксирует взаимное расстояние между элементами лопастей 3, 4 винтов в момент их прохода друг над другом (сближения), а также, при необходимости, положение датчиков лопастей 3, 4 относительно датчиков на корпусе 6. По данным замерам в реальном времени определяется взаимное положение винтов, а также их положение по отношению к элементам несущей конструкции.
Результаты измерений, а также вычисленные по ним производные движения лопастей (скорости, ускорения и т.п.) позволяют предсказать тенденции, определить близость опасных режимов, а также зарождающуюся колебательность и т.п. Эта информация позволяет скорректировать управление ветрогенератором соответствующим образом, вводя ограничения, либо произведя соответствующие изменения угла наклона лопастей.
Как отмечено выше, для уточнения предсказания поведения лопастей и устройства в целом, в блок 15 целесообразно вводить дополнительную информацию, например, о текущей скорости и направлении ветра, прогнозе погоды, температуре воздуха, режиме двигателя и т.п.
Пример 1. Три передатчика 10 с уникальными сигналами располагаются на концах трех лопастей 4 первого соосной двухвинтовой схемы, а три приемника 12 - на концах лопастей 3 второго винта (питание и съем сигналов могут осуществляться по уже существующим в лопастях элементам проводки, либо сигнал - по радиоканалу, а питание - автономное, с индукционной подзарядкой). Дополнительные приемники 12 могут быть размещены на опоре 19, вблизи которой также проходит при вращении лопасти винта 4. При сближении каждой пары приемник-передатчик приемником 12 выделяется и распознается индивидуальный сигнал каждого передатчика 10 и по его максимальной амплитуде определяется расстояние до него (вычислительная часть может быть выполнена также в едином для системы блоке, либо и в приемнике и в общем блоке для увеличения надежности системы при повреждениях - при этом информация, поступающая с приемника 12, может быть минимизирована, передаваться надежно и с избыточностью, как это обычно имеет в системах обеспечения безопасности).
Датчики на лопастях показывают взаимное положение и профиль двух встречно вращающихся «воронок» винтов, а датчик (или датчики) на опоре 19 ветрогенератора дают привязку положения этих фигур вращения в системе координат устройства в целом.
Пример 2. Все датчики (пара приемник 12 - передатчик 10) выполнены в виде приемопередатчиков, где любая пара обменивается сигналами встречно (но независимо, что надежнее, хотя режим запрос-ответ также возможен). Все сигналы - электромагнитные, а антенны в простейшем случае представляют собой плоские катушки. Характер сигналов при этом по мощности и спектру должен удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости с другими системами ветрогенератора и обладать помехоустойчивостью в отношении мощных наземных излучающих систем.
Система допускает различные способы калибровки и обеспечивает живучесть при выходе из строя одного или нескольких датчиков.
Дополнительно, архивированная информация предлагаемой системы может быть полезна для оценки реального ресурса лопастей, редуктора и т.п. (за счет перманентного измерения деформаций и ускорений), что может быть учтено как для своевременной замены (что также увеличивает безопасность), так и для автоматического изменения предельных констант, обозначающих критические режимы, - для комплектов с большим износом или в конце срока службы.
Кроме того, возможна диагностика повреждений лопастей и элементов крепления в реальном времени по изменившемуся или аномальному поведению при различных нагрузках. По модуляции амплитуды сигнала датчиков можно обнаружить и измерить вибрацию лопасти с дефектом (определив номер дефектной лопасти методом исключения, анализируя на предмет наличия характера модуляции сигналов всех датчиков).
Предложенное решение может быть использовано также для увеличения безопасности любых других систем, имеющих вращающиеся винты (различные системы вентиляции, технологические системы с винтами для перемешивания и пр.), где лопасти подвержены деформации. Также может найти применение для увеличения безопасности аттракционов, где присутствуют схожие по конструкции с винтом различные балки или иные конструкции, закрепленные в центре вращения.
Таким образом, предложенное решение призвано повысить безопасность ветрогенератора и схожих по конструкции систем и увеличить эффективность их работы.