Քամու տուրբինի ռոտորի աշխատանքը տարբեր քամու պայմաններում
Քամու տուրբինները քամու կինետիկ էներգիան վերածում են էլեկտրական էներգիայի՝ ռոտորի (թիակների և գլանի) միջոցով, որը պտտում է գեներատորի լիսեռը: Այնուամենայնիվ, ռոտորի աշխատանքը երբեք «ֆիքսված» չէ. այն մեծապես կախված է քամու պայմաններից, որոնք ժամանակի ընթացքում փոփոխվում են: Քամու արագությունը, տուրբուլենտությունը, քամու ուղղությունը, օդի խտությունը և նույնիսկ ծայրահեղ երևույթները, ինչպիսիք են պոռթկումները և ուղղահայաց սղոցը, որոշում են, թե որքան արդյունավետ է ռոտորը կլանում էներգիան, որքան մեխանիկական բեռ է այն առաջացնում և որքան կայուն է ելքային հզորությունը: Այս հոդվածը քննարկում է, թե ինչպես են քամու տուրբինների ռոտորները գործում տարբեր քամու պայմաններում, ինչպես նաև նախագծման և կառավարման հետևանքները, որոնք օգտագործվում են արդյունավետությունն ու հուսալիությունը պահպանելու համար:
Ռոտորի աշխատանքի հիմունքներ. Հզորություն, պտտող մոմենտ և հզորության գործակից
Քամու մեջ առկա էներգիան արագորեն աճում է քամու արագության հետ մեկտեղ։ Ընդհանուր առմամբ, քամու հոսքում պարունակվող տեսական հզորությունը համեմատական է քամու արագության խորանարդին (∝ v³): Սա նշանակում է, որ քամու արագության փոքր աճը կարող է հանգեցնել շատ ավելի մեծ հզորության պոտենցիալի։ Այնուհետև ռոտորը «կլանում» է այդ էներգիայի մի մասը որոշակի աերոդինամիկ արդյունավետությամբ, որը ներկայացված է հզորության գործակցով (Cp): Cp արժեքը չի կարող գերազանցել Բեթցի սահմանը (մոտավորապես 59,3%), քանի որ ռոտորը չի կարող կլանել ամբողջ էներգիան՝ առանց օդի հոսքը դադարեցնելու։
Ռոտորի աշխատանքը կախված է նաև ծայրի արագության հարաբերակցությունից (TSR), որը սայրի ծայրի արագության և քամու արագության հարաբերակցությունն է: Ռոտորն ունի օպտիմալ TSR, որտեղ սայրի հարձակման անկյունը ապահովում է առավելագույն վերելք՝ նվազագույն դիմադրությամբ: Եթե TSR-ը չափազանց ցածր է, սայրերը հակված են կանգ առնելու, ինչը նվազեցնում է արդյունավետությունը: Եթե TSR-ը չափազանց բարձր է, դիմադրողականությունը մեծանում է, և բեռը մեծանում է, ինչը նույնպես նվազեցնում է արդյունավետությունը և մեծացնում աղմուկը:
Ցածր քամու պայմաններ (միացման մակարդակից ցածր). Ռոտորը դեռևս արդյունավետ չէ
Քամու ցածր արագության դեպքում ռոտորը հաճախ ընկնում է միացման շեմից ցածր (ժամանակակից տուրբիններում սովորաբար մոտ 3-4 մ/վրկ): Այս պայմաններում քամու էներգիան բավարար չէ մեխանիկական և էլեկտրական կորուստները (կրողների շփում, ռոտորի իներցիա, գեներատորի կորուստներ և կառավարման կորուստներ) հաղթահարելու համար, ուստի տուրբինը չի արտադրում զուտ օգտակար հզորություն: Ռոտորի աշխատանքը նույնպես դժվարանում է հասնել օպտիմալ TSR-ի, քանի որ պտույտը անկայուն է: Որոշ նախագծերում կառավարման համակարգերը կպահեն կամ կազատեն արգելակը, կկարգավորեն շեղումը կամ կիրականացնեն մեկնարկի ռազմավարություն՝ հաճախակի միացումներից և անջատումներից մաշվածությունը նվազեցնելու համար:
Թույլ քամիների դեպքում հիմնական մարտահրավերը մեկնարկի ունակության բարելավումն ու պտույտի պահպանումն է՝ առանց չափազանց ցիկլիկ բեռներ ստեղծելու: Ռեյնոլդսի ցածր թվերի դեպքում բարենպաստ աերոդինամիկ պրոֆիլներով շեղբերը, ինչպես նաև մեղմ մեկնարկի ունակ գեներատորի կառավարման համակարգը օգնում են տուրբինին ավելի արդյունավետ աշխատել թույլ քամու գոտիներում:
Միջին ուժգնության քամի (Շրջան 2). Առավելագույն արդյունավետության հասնել
Երբ քամու արագությունը բարձր է միացման արժեքից, բայց դեռևս ցածր է քամու անվանական արագությունից, ռոտորը սովորաբար աշխատում է «2-րդ տարածաշրջանում», այն փուլում, որտեղ կառավարման նպատակն է մեծացնել էներգիայի կլանումը: Այս պայմաններում փոփոխական արագությամբ տուրբինը կկարգավորի ռոտորի արագությունը՝ TSR-ը օպտիմալ արժեքին մոտ պահելու համար: Պահպանելով օպտիմալ TSR-ը, Cp-ն կարող է մոտենալ իր գագաթնակետին, թույլ տալով, որ արդյունահանվող հզորությունը աճի v³-ի հետ:
Այս փուլում ռոտորը, որպես կանոն, արտադրում է ամենա«խնայողական» հզորությունը՝ բարձր արդյունավետության և համեմատաբար վերահսկվող կառուցվածքային բեռների շնորհիվ: Թևերի քայլը հաճախ փոքր անկյան տակ է (ցածր քայլ)՝ աերոդինամիկ վերելքը օպտիմալացնելու համար: Գեներատորի պտտող մոմենտի կառավարումը կարգավորում է պտտման արագությունը. որքան ուժեղ է քամին, այնքան մեծ է պտտող մոմենտը, որը կիրառվում է TSR-ը պահպանելու համար:
Քամին մոտ է գնահատվածին (անցումային). Հզորությունը սահմանափակ է, բեռը մեծանում է
Երբ քամին մոտենում է անվանական արագությանը (օրինակ՝ 11–13 մ/վ՝ կախված նախագծումից), տուրբինը մտնում է անցումային փուլ։ Եթե հզորությունը շարունակի հետևել v³-ին, գեներատորը և էլեկտրական համակարգը կգերազանցեն իրենց անվանական հզորությունը։ Հետևաբար, կառավարման ռազմավարությունը փոխվում է. ուշադրությունը «էներգիայի մաքսիմալացումից» տեղափոխվում է «հզորության և բեռի սահմանափակման» վրա։ Ահա թե որտեղ է կարևոր դառնում թեքության կառավարումը։
Ռոտորը թեքվում է (սայրի անկյունը մեծանում է)՝ վերելքը նվազեցնելու և Cp-ն իջեցնելու համար, ելքային հզորությունը պահպանելով անվանական արժեքի շուրջ։ Չնայած էլեկտրական հզորությունը մնում է կայուն, աերոդինամիկ բեռները և հոգնածությունը կարող են աճել տուրբուլենտության, կտրման և քամու ուղղության տատանումների պատճառով։ Ավելորդ տատանումները կանխելու համար անհրաժեշտ են արագ արձագանքող սայրի նախագծում, բեռի մոնիթորինգ և թեքության կառավարման ալգորիթմներ։
Ուժեղ քամիներ (Շրջան 3). Պահպանեք անվանական հզորությունը և անվտանգությունը
Նոմինալ քամու արագությունից բարձր քամիների դեպքում տուրբինը ցուցաբերում է տարբեր բնութագրեր. էլեկտրական հզորությունը պահպանվում է գրեթե անփոփոխ, մինչդեռ ռոտորը զոհաբերում է աերոդինամիկ արդյունավետությունը՝ կառուցվածքային և գեներատորի սահմանները պահպանելու համար: Թևերի թեքությունը մեծանում է մինչև փետուրի բարձրացում (նվազեցնում է հարձակման անկյունը), նվազեցնելով վերելքը: Այս պայմաններում ռոտորը գործում է ավելի շատ որպես կառավարվող համակարգ, որը նախատեսված է «անվտանգ մնալու», այլ ոչ թե «առավելագույն հզորություն ստանալու» համար:
Ռոտորի վրա բեռը առաջանում է ոչ միայն քամու ուժի մեծությունից, այլև արագ տատանումներից: Պոռթկումները կարող են առաջացնել պտտող մոմենտի և ծռման մոմենտների կտրուկ տատանումներ թևերի և աշտարակի վրա: Հետևաբար, շատ ժամանակակից տուրբիններ ունեն այնպիսի հատկանիշներ, ինչպիսիք են արագ թեքության կառավարումը, արագության գերազանցումից պաշտպանության համակարգերը և ծայրահեղ բեռները հայտնաբերելու սենսորները:
Անկայունություն և քամու պոռթկումներ. Արդյունավետության նվազում, հոգնածության աճ
Նույն միջին քամու արագությամբ աշխատող երկու տուրբինները կարող են տարբեր կերպ աշխատել, եթե տուրբուլենտության մակարդակները տարբեր են։ Տուրբուլենտությունը փոխում է քամու անկման անկյունը, ինչի հետևանքով տատանվում է թևի հարձակման անկյունը, ինչը դժվարացնում է օպտիմալ Cp-ի պահպանումը։ Արդյունքում, էներգիայի արտադրությունը կարող է նվազել, մինչդեռ հոգնածության բեռները կարող են աճել ավելի հաճախակի բեռնման ցիկլերի պատճառով։
Քամու պոռթկումները (կարճ, բարձր արագությամբ պոռթկումներ) ավելի ծայրահեղ են. դրանք կարող են առաջացնել ուժի հանկարծակի աճ, առաջացնել կտրուկ թեքության արձագանքներ և մեծացնել թևերի արմատների և փոխանցման համակարգի հոգնածության ռիսկը: Ժամանակակից կառավարման համակարգերը հաճախ օգտագործում են «բեռնվածության մեղմացման» մոտեցում, ինչպիսին է անհատական թեքության կառավարումը (IPC), որը կարգավորում է յուրաքանչյուր թևի թեքությունը՝ բարձր տուրբուլենտության ժամանակ ասիմետրիկ բեռնվածությունը նվազեցնելու համար:
Քամու ուղղության փոփոխություններ և քամու շեղում
Ռոտորն առավել արդյունավետ է աշխատում, երբ ուղիղ ուղղված է քամուն։ Եթե տեղի է ունենում շեղման անհամապատասխանություն (քամու ուղղության և ռոտորի առանցքի միջև անկյունը), արդյունավետ սահող մակերեսը նվազում է, և թևերի վրայով հոսքը դառնում է անհավասար։ Արդյունքը՝ հզորության նվազում և բեռների աճ, մասնավորապես՝ գոտկատեղի և աշտարակի վրա կողային բեռների ավելացում։ Շեղման կառավարման համակարգը գործում է գոտկատեղը պտտելու համար՝ ռոտորը քամու ուղղությամբ «կողպված» պահելու համար, բայց չափազանց ագրեսիվ շեղման արձագանքը կարող է նաև մաշվածություն և լրացուցիչ բեռներ առաջացնել։ Հետևաբար, շեղման կառավարումը սովորաբար ունի մեռյալ գոտի (հանդուրժողականության գոտի), որպեսզի կանխի դրա անընդհատ շարժումը փոքր տատանումներով։
Քամու սղոց և ուղղահայաց պրոֆիլ. Թևերի վրա ասիմետրիկ բեռներ
Քամու սղումը քամու արագության փոփոխությունն է բարձրության հետ։ Մեծ տրամագծով ռոտորների վրա ռոտորի վերին մասը կարող է ավելի ուժեղ քամիներ զգալ, քան ստորին մասը։ Սա ստեղծում է ասիմետրիկ ուժի բաշխում մեկ թևի պտույտի ընթացքում, ինչը ցիկլիկ բեռներ է առաջացնում թևերի, առանցքի և աշտարակի վրա։ Սղումը նաև ազդում է կառավարման ռազմավարությունների վրա. ուժեղ սղման պայմաններում թեքության և պտտող մոմենտի կառավարման մեջ պետք է հաշվի առնվեն կրկնակի բեռնումները՝ նյութի արագացված հոգնածությունից խուսափելու համար։
Մակերևույթին մոտ գտնվող տարածքներում (ցամաքում) սղումը, որպես կանոն, ավելի ուժեղ է՝ մակերեսային շփման և խոչընդոտների, ինչպիսիք են ծառերը կամ շենքերը, պատճառով։ Եվ հակառակը, ծովափնյա հատվածում հոսքը, որպես կանոն, ավելի հարթ է և սղումը ավելի քիչ, ինչը թույլ է տալիս ռոտորին ավելի կայուն աշխատել և ավելի կայուն էներգիա արտադրել։
Օդի խտությունը, ջերմաստիճանը և բարձրությունը. քամու էներգիան նույնը չէ
Արագությունից բացի, օդի խտությունը (ρ) ազդում է հասանելի հզորության վրա: Սառը, բարձր ճնշման օդն ունի ավելի մեծ խտություն, ինչը թույլ է տալիս ռոտորին ավելի շատ հզորություն արտադրել նույն քամու արագությամբ: Եվ հակառակը, ավելի բարձր բարձրություններում, որտեղ օդը ավելի նոսր է, արդյունավետ քամու հզորությունը նվազում է: Սա կարևոր է տուրբինի տեղակայման պլանավորման և հզորության կորի կարգավորման համար: Օպերատորները պետք է նաև հաշվի առնեն, որ ջերմաստիճանի և ճնշման սեզոնային տատանումները կարող են փոխել էներգիայի արտադրությունը, նույնիսկ եթե քամու արագության վիճակագրությունը համապատասխանում է:
Ծայրահեղ պայմաններ և անջատումներ. Առավելագույն պաշտպանություն
Երբ քամիները հասնում են անջատման արժեքին (հաճախ մոտ 20-25 մ/վրկ), տուրբինը սովորաբար անջատվում է՝ վնասը կանխելու համար: Ծայրահեղ պայմաններում աերոդինամիկ բեռները կարող են գերազանցել նախագծային արժեքները՝ մեծացնելով խափանման ռիսկը: Անջատման ընթացակարգը ներառում է թևերի թեքումը փետուրի դիրքի, ռոտորի արգելակումը և շեղման համակարգի կողպումը: Երբ քամիները նվազեն և կայունանան, տուրբինը կարող է վերագործարկվել՝ հետևելով անվտանգության կանոնակարգերին:
Penutup
Քամու տուրբինի ռոտորի աշխատանքը թևերի աերոդինամիկայի, արագության և թեքության կառավարման, ինչպես նաև տեղանքի քամու բնութագրերի միջև բարդ փոխազդեցության արդյունք է: Թույլ քամիների դեպքում հիմնական մարտահրավերը պտտման մեկնարկն ու պահպանումն է. չափավոր քամիների դեպքում ռոտորն առավել արդյունավետ է աշխատում օպտիմալ TSR-ով. անվանական արագությանը մոտ և բարձր արագության դեպքում ուշադրությունը կենտրոնանում է հզորության սահմանափակման և բեռի նվազեցման վրա. մինչդեռ տուրբուլենտությունը, պոռթկումները, շեղումը և թեքության անհամապատասխանությունը կարող են նվազեցնել արդյունավետությունը՝ միաժամանակ մեծացնելով կառուցվածքային հոգնածության ռիսկը: Թևերի ճիշտ նախագծման, բարդ կառավարման (թեքություն, պտտող մոմենտ, թեքություն և նույնիսկ անհատական թեքություն) և տեղանքի ուշադիր ընտրության դեպքում ռոտորը կարող է արտադրել առավելագույն էներգիա՝ միաժամանակ դիմակայելով քամու պայմանների լայն շրջանակի տուրբինի շահագործման ողջ ընթացքում:
