1.3 Устройство ВЭМУ



Текст статьи

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЭМУ

    ВЭМУ состоит из двух крупных узлов – основания, в котором располагаются преобразователи энергии и системы управления, установленного неподвижно на морском дне, или на островке, и вращающегося вокруг него ротора с ветровыми лопастями, который опирается на морскую поверхность. Ветроротор с основанием связан тросовой системой или радиальными шарнирными элементами.


    Практически все элементы конструкции ВЭМУ взяты из арсенала судовых или гидротехнических объектов:
  • основание (корпус) с энергетической установкой;
  • помещение для управления (мостик);
  • якорные или свайные системы для закрепления основания, основание на базе затопляемого кессона;
  • понтоны для обеспечения плавучести ротора;
  • палуба для размещения ветровых систем;
  • лопасти (паруса);
  • стойки (мачты), на которых закрепляются лопасти;
  • системы поворота лопастей;
  • тросовые системы для гибкой связи кольцевого ротора с основанием.


ВЕТРОРОТОР ВЭМУ
    Корпус ветроротора должен нести на себе лопастные системы (поворотные лопасти и их приводы), взаимодействующие с ветром, иметь элементы, с помощью которых осуществляется опора на воду, и элементы связи ротора с преобразователем энергии. Конструкция ротора воспринимает сложный комплекс статических и динамических нагрузок, из которых можно выделить:
  • тангенциальные и радиальные силы ветрового давления на i-тую лопасть, радиальную силу ветровой нагрузки на корпус ротора;
  • изгибные и закручивающие моменты сил ветрового давления на лопасти;
  • статические нагрузки от веса конструкций на опорные элементы и понтоны;
  • динамические вертикальные нагрузки на опорные элементы при волнении;
  • радиальные силы волнового воздействия на конструкцию ротора;
  • нагрузки от i-того элемента связи с преобразователем энергии.

    Основой корпуса ротора служит кольцевая тонкостенная палуба, которая опирается на подводный кольцевой понтон, палубу располагают на высоте 5…15 метров над поверхностью моря в зависимости от высоты волн, а понтон на глубине 0…3 метров, чтобы уменьшить волновые нагрузки. Кольцевая палуба даёт для корпуса необходимую радиальную жёсткость, а изгибная жёсткость в вертикальном направлении и жёсткость на кручение обеспечиваются соединением палубы и понтона.На кольцевой палубе устанавливаются вертикальные стойки для поворотных лопастей и их приводных механизмов. 

    Наиболее нагруженной частью ротора является та его часть, которая находится на наветренной стороне. Половина кольца ротора на наветренной стороне не удерживается тросами и нагружена наибольшими силами ветрового давления и волнового ударного воздействия. Устойчивость этой части конструкции целиком зависит от крутильной и изгибной жесткости ротора. К наиболее опасным деформациям можно отнести продольное закручивание корпуса и горизонтальный изгиб конструкции кольцевого ротора с наветренной стороны. Для расчёта ротора необходимо знать распределение ветровых и волновых нагрузок в их наиболее неблагоприятном сочетании.


МЕРОПРИЯТИЯ ЭФФЕКТИВНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КОРПУСА РОТОРА ВЭМУ
    Прежде чем рассматривать вопросы прочности и устойчивости конструкции, можно предложить простые эффективные решения, направленные на повышение её работоспособности:
  • Коническая форма кольцевой палубы, при которой внутренний диаметр палубы выше наружного. На рис. показано превышение внутреннего диаметра, что приводит к наклону палубы на наветренной стороне навстречу ветру. В потоке ветра это вызовет реакцию, направленную вниз. Соответственно на подветренной стороне возникнет реакция, направленная вверх. Получается своеобразное антикрыло.
  • Применение дополнительного верхнего кольца, охватывающего верхние концы стоек лопастей. Это приведет к существенному снижению моментов сил лопастей, закручивающих корпус ротора.
  • Коническая форма дополнительного верхнего кольца аналогично конической форме кольцевой палубы, что приведет к дополнительны силам прижатия в сторону поверхности воды.
  • Применение в системе понтонов двух трубчатых колец, из которых внутреннее расположено немного ниже наружного. Это дополнительно увеличит крутильную жесткость корпуса ротора.
  • Наклон осей лопастных стоек в сторону основания. Это приводит к дополнительным реакциям лопастей. На наветренной стороне это будет реакция, направленной вниз, а на подветренной – реакция, направленная вверх.При этом следует учесть, что упругая деформация осей лопастных стоек приводит к ещё более благоприятному перераспределению сил реакций.
  • Применение в тросовой системе двух рядов тросов, разнесенных по высоте.
  • Применение дополнительных горизонтально расположенных лопастей (крыльев) для динамического управления деформациями корпуса ротора.
  • Применение горизонтальных плоских поверхностей на понтоне. Это приведёт к эффективному гашению вертикальных смещений в условиях резких колебаний скорости ветра.

ЛОПАСТНЫЕ СИСТЕМЫ ВЭМУ
    Работа лопастной системы ВЭМУ характеризуется тем, что каждая лопасть на роторе при его вращении последовательно проходит попутную, подветренную, встречную и наветренную зоны (рис Изменение тяги лопасти при вращении ротора ).
    При попутном движении (вектор скорости лопасти Vл1 совпадает с вектором скорости ветра V), полезная тяга лопасти Fл1 существенно снижается. При движении поперёк воздушного потока на подветренной стороне сила тяги лопасти Fл2 увеличивается. Затем лопасти проходят зону встречного движения в потоке воздуха, когда лопасть сопротивляется движению с силой Fл3. На наветренной стороне тяга лопасти Fл4 вновь увеличивается до наибольшего значения. В этой зоне создается основная тяга ротора. На рис. показан график тяги лопасти Fл при круговом движении ротора и график возникающей при этом радиальной силы Fr на конструкцию ротора. Для увеличения тяги Fл2 на лопастях подветренной стороны могут быть предусмотрены системы дополнительного автоматического подъёма лопастей (рис. ).

Рассмотрим основные схемы лопастных систем для ВЭМУ:

    Первая схема. 

Неуправляемые асимметричные лопасти (рис.   ) со свободным поворотом в пределах угла 90 градусов вокруг горизонтальных осей (патент №            ) могут обеспечить минимальное сопротивление при движении лопасти против ветра и меньшие нагрузки на ротор в радиальном направлении. Для эффективной работы в этом случае необходим дополнительный доворот конструкции лопасти вокруг вертикальной оси при прохождении наветренной и подветренной зон.

    Вторая схема. 

Управляемые лопасти с поворотом вокруг вертикальных осей могут быть с жестким управлением (патент №               ), когда для каждой симметричной лопасти (рис.   ) предусмотрен привод равномерного и пропорционального поворота и закон этого поворота близок к соотношению - один оборот ротора соответствует повороту лопасти на 0,5 оборота в направлении, обратном направлению вращения ротора.

    Третья схема. 

Нежесткие несимметричные лопасти со свободным поворотом в пределах ограниченного управляемого угла, (рис.    ) (патент №             ).

Конструкция лопасти может быть мягкой (парус) и жесткой (крыло). Мягкие паруса или упругие конструкции можно использовать в третьей схеме.


   Рассмотрим, какие аэродинамические профили целесообразно использовать для лопастей ВЭМУ. Как показано в работах (Cheboxarov et al, 2002a, Cheboxarov VV and Cheboxarov VV, 2002), за один оборот ротора ВЭМУ со второй схемой лопастей необходимо повернуть лопасти вокруг их вертикальных осей на пол-оборота в  противоположном направлении относительно ротора. За это время на каждой лопасти передняя кромка становится задней и наоборот. Следовательно, чтобы не потерять аэродинамического качества, профиль лопасти должен быть центрально симметричным. Очевидно, что наиболее простым решением является использование профиля без изгиба, близкого к прямоугольному (Fig. 3a). Но его качество нельзя считать приемлемым для ветроустановок большой мощности. Значительно большие значения коэффициента подъемной силы и, следовательно, лучшее аэродинамическое качество имеют выпукло-вогнутые профили.

    Предлагается использовать лопасти изменяемой кривизны, схема которых похожа на  конструкцию самолетного крыла с закрылком. В первом варианте (Fig. 3b) лопасть должна иметь продольный шарнир, соединяющий две её части. Требование симметричности (см. выше) ведет к тому, что шарнир должен располагаться на оси поворота лопасти. По мере поворота лопасти угол в шарнире между двумя полулопастями будет менять свой знак на противоположный, создавая тем самым выпуклость на противоположной стороне лопасти. Отметим, что введение дополнительного двигателя для разворота частей лопасти не является обязательным. Нетрудно показать, что полулопасти могут разворачиваться механизмом, приводимым от двигателя поворота всей лопасти.

    К сожалению, выпуклая часть в указанном профиле располагается только в его средней части и имеет относительно малую протяженность. Её увеличение путем увеличения радиуса оси приведет к уменьшению зоны застоя на вогнутой части профиля, что нежелательно. Поэтому срыв потока будет возникать сразу за осью уже при углах атаки 20°, резко снижая подъёмную силу.

    Расширим выпуклый участок профиля путем разбиения профиля на три части (Fig. 3c), центральная из которых будет иметь небольшую двухстороннюю выпуклость, а крайние будут с ней шарнирно связаны. Легко показать, что в лопасти, состоящей из трех частей, закрылки также могут поворачиваться механизмом, приводимым от двигателя поворота всей лопасти. Здесь разворот крайних частей профиля (закрылков) будет образовывать обширную зону застоя, а с обратной стороны профиля образуется достаточно большая зона разрежения. Таким образом, циркуляция вокруг профиля значительно увеличится. Этот профиль с размерами, показанными на  Fig. 3c, выбран для дальнейших аэродинамических исследований турбины ВЭМУ. При симметричном расположении закрылков профиль имеет вид как показано на Fig. 3d.


В заключение пока скажем, что в работах по ссылке ( ) приведены подробные численные расчеты обтекания лопастей потоком. Для нас же здесь важно  только проиллюстрировать принцип выбора той или иной конструкции лопасти ВЭМУ.


БАШНЯ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НУЖДЫ ВЭМУ 

УСЛОВИЯ ОБИТАЕМОСТИ ВЭМУ


Замечание:

Устройство ВЭМУ в значительной степени зависит от назначения и размера каждой конкретной установки, поэтому некоторые элементы конструкции могут видоизменяться самым радикальным образом. Например, существует несколько вариантов плавающей конструкции, который соответственно не нуждается в неподвижном основании.