Шамал турбинасынын роторунун ар кандай шамал шарттарындагы иштеши
Шамал турбиналары шамалдын кинетикалык энергиясын генератордун валын айландыруучу ротор (казыктар жана борбор) аркылуу электр энергиясына айландырат. Бирок, ротордун иштеши эч качан "өзгөрүлмө" эмес; ага убакыттын өтүшү менен өзгөрүп турган шамалдын шарттары чоң таасир этет. Шамалдын ылдамдыгы, турбуленттүүлүк, шамалдын багыты, абанын тыгыздыгы жана ал тургай шамал жана вертикалдык жылышуу сыяктуу экстремалдык кубулуштар ротордун энергияны канчалык натыйжалуу кармай тургандыгын, канча механикалык жүктү пайда кылаарын жана кубаттуулуктун канчалык туруктуу экенин аныктайт. Бул макалада шамал турбинасынын роторлору ар кандай шамал шарттарында кандайча иштей тургандыгы, ошондой эле натыйжалуулукту жана ишенимдүүлүктү сактоо үчүн колдонулган долбоорлоо жана башкаруу кесепеттери талкууланат.
Ротордун иштөө негиздери: кубаттуулук, момент жана кубаттуулук коэффициенти
Шамалдагы энергия шамалдын ылдамдыгы менен тездик менен көбөйөт. Жалпысынан алганда, шамал агымындагы теориялык кубаттуулук шамалдын ылдамдыгынын кубуна (∝ v³) пропорционалдуу. Бул шамалдын ылдамдыгынын бир аз жогорулашы алда канча чоң кубаттуулук потенциалын бере аларын билдирет. Андан кийин ротор ал энергиянын бир бөлүгүн белгилүү бир аэродинамикалык натыйжалуулук менен "кармап алат", ал кубаттуулук коэффициенти (Cp) менен көрсөтүлөт. Cp мааниси Бетц чегинен (болжол менен 59,3%) ашпашы керек, анткени ротор аба агымын токтотпостон бардык энергияны кармай албайт.
Ротордун иштеши учтун ылдамдык катышына (TSR) да көз каранды, ал бычактын учунун ылдамдыгынын шамалдын ылдамдыгына болгон катышы. Ротордо оптималдуу TSR бар, мында бычактын чабуул бурчу минималдуу каршылык менен максималдуу көтөрүү күчүн пайда кылат. Эгерде TSR өтө төмөн болсо, бычактар токтоп, натыйжалуулукту төмөндөтөт. Эгерде TSR өтө жогору болсо, каршылык күчөйт жана жүк көбөйөт, бул да натыйжалуулукту төмөндөтүп, ызы-чууну жогорулатат.
Шамалдын начар шарттары (чектөөдөн төмөн): Ротор азырынча иштей элек
Шамалдын төмөн ылдамдыгында ротор көп учурда чектөө босогосунан төмөн түшөт (заманбап турбиналарда адатта 3–4 м/с тегерегинде). Мындай шарттарда шамалдын энергиясы механикалык жана электрдик жоготууларды (подшипниктердин сүрүлүүсүн, ротордун инерциясын, генератордун жоготууларын жана башкаруу жоготууларын) жоюу үчүн жетишсиз, ошондуктан турбина таза пайдалуу кубаттуулукту өндүрбөйт. Ротордун иштеши да оптималдуу TSRге жетүү үчүн кыйынчылыктарга дуушар болот, анткени айлануу туруксуз. Айрым конструкцияларда башкаруу элементтери тормозду кармап турат же коё берет, ийилүүнү жөндөйт же тез-тез күйгүзүүдөн улам эскирүүнү азайтуу үчүн ишке киргизүү стратегиясын ишке ашырат.
Шамал аз болгондо, негизги кыйынчылык - ишке киргизүү жөндөмүн жакшыртуу жана ашыкча циклдик жүктөмдөрдү жаратпастан айлануусун сактоо. Рейнольдс сандарынын төмөндүгүндө жагымдуу аэродинамикалык профилдерге ээ калактар, ошондой эле жумшак ишке киргизүүгө жөндөмдүү генераторду башкаруу системасы турбинанын шамал аз болгон аймактарда натыйжалуураак иштешине жардам берет.
Орточо шамал (2-регион): Максималдуу натыйжалуулукка жетүү
Шамалдын ылдамдыгы чектелген көрсөткүчтөн жогору, бирок номиналдык шамалдын ылдамдыгынан төмөн болгондо, ротор, адатта, "2-аймакта" иштейт, бул фазада башкаруунун максаты энергияны максималдуу кармоо болуп саналат. Мындай шарттарда, өзгөрүлмө ылдамдыктагы турбина TSRди оптималдуу мааниге жакын кармоо үчүн ротордун ылдамдыгын жөнгө салат. Оптималдуу TSRди сактоо менен, Cp өзүнүн чокусуна жете алат, бул алынган кубаттуулукту v³ менен көбөйтүүгө мүмкүндүк берет.
Бул этапта ротор, адатта, жогорку натыйжалуулукка жана салыштырмалуу башкарылуучу структуралык жүктөмдөргө байланыштуу эң "үнөмдүү" кубаттуулукту өндүрөт. Аэродинамикалык көтөрүүнү оптималдаштыруу үчүн калактын кадамы көбүнчө кичинекей бурчта (төмөн кадам) болот. Генератордун моментти башкаруусу айлануу ылдамдыгын жөнгө салат: шамал канчалык күчтүү болсо, TSRди сактоо үчүн колдонулган момент ошончолук чоң болот.
Шамалдын күчү болжолдуу (өткөөл мезгил): Кубаттуулук чектелүү, жүктөмдүн көбөйүшү
Шамал номиналдык ылдамдыкка жакындаганда (мисалы, конструкцияга жараша 11–13 м/с), турбина өткөөл фазага өтөт. Эгерде кубаттуулук v³ менен улана берсе, генератор жана электр системасы номиналдык кубаттуулугунан ашып түшөт. Ошондуктан, башкаруу стратегиясы өзгөрөт: көңүл "энергияны максималдуу түрдө көбөйтүүдөн" "кубаттуулукту жана жүктү чектөөгө" бурулат. Дал ушул жерде үндүн бийиктигин башкаруу абдан маанилүү болуп калат.
Ротор көтөрүүнү азайтуу жана Cp төмөндөтүү үчүн кыймылдаткычтын бурчу көбөйтүлөт, бул чыгуучу кубаттуулукту номиналдык маанинин тегерегинде кармап турат. Электр кубаты туруктуу бойдон калса да, турбуленттүүлүк, жылышуу жана шамалдын багытынын өзгөрүшүнөн улам аэродинамикалык жүктөмдөр жана чарчоо көбөйүшү мүмкүн. Ашыкча титирөөнүн алдын алуу үчүн кыймылдаткычтын ийкемдүү дизайны, жүктөмдү көзөмөлдөө жана кыймылдын бурчун башкаруу алгоритмдери талап кылынат.
Катуу шамал (3-регион): Номиналдуу кубаттуулукту жана коопсуздукту сактоо
Шамалдын номиналдык ылдамдыгынан жогору болгон шамалдарда турбина ар кандай мүнөздөмөлөрдү көрсөтөт: электр кубаты дээрлик туруктуу бойдон калат, ал эми ротор конструкциялык жана генератордук чектөөлөрдү сактоо үчүн аэродинамикалык натыйжалуулукту курмандыкка чалат. Канаттардын кадамы канаттардын мизине чейин көбөйөт (чабуул бурчун азайтат), бул көтөрүү күчүн азайтат. Мындай шарттарда ротор "максималдуу кубаттуулукту алуу" эмес, "коопсуздукту сактоо" үчүн иштелип чыккан башкарылуучу система катары көбүрөөк иштейт.
Роторго түшкөн жүктөм шамалдын күчүнүн чоңдугунан гана эмес, ошондой эле тез өзгөрүүлөрдөн да келип чыгат. Шамал калактарда жана мунарада моменттин кескин көтөрүлүшүнө жана ийилүү моменттерине алып келиши мүмкүн. Ошондуктан, көптөгөн заманбап турбиналарда тез кадамды башкаруу, ашыкча ылдамдыктан коргоо системалары жана өтө көп жүктөмдөрдү аныктоочу сенсорлор сыяктуу функциялар бар.
Турбуленттүүлүк жана шамал: Натыйжалуулук төмөндөйт, чарчоо жогорулайт
Эгерде турбуленттүүлүктүн деңгээли ар башка болсо, бир эле орточо шамалдын ылдамдыгында иштеген эки турбина ар кандай иштеши мүмкүн. Турбуленттүүлүк шамалдын түшүү бурчун өзгөртүп, калактын чабуул бурчун өзгөртүп, оптималдуу Cpди сактоону кыйындатат. Натыйжада, энергия өндүрүү азайышы мүмкүн, ал эми чарчоо жүктөмдөрү жүктөө циклдеринин тез-тездешинен улам көбөйөт.
Шамал (кыска, жогорку ылдамдыктагы шамалдар) өтө катуу: алар күчтүн кескин жогорулашына алып келиши мүмкүн, кескин үн реакцияларын пайда кылышы мүмкүн жана бычактын тамырларында жана трансмиссиясында чарчоо коркунучун жогорулатат. Заманбап башкаруу элементтери көп учурда "жүктү азайтуу" ыкмасын колдонушат, мисалы, жогорку турбуленттүүлүк учурунда асимметриялык жүктөмдү азайтуу үчүн ар бир бычактын үн бийиктигин тууралаган жеке үн бийиктигин башкаруу (IPC) сыяктуу.
Шамалдын багытынын өзгөрүшү жана шамалдын туура эмес жайгашуусу
Ротор шамалга түз караган учурда эң натыйжалуу иштейт. Эгерде шамалдын багыты менен ротордун огунун ортосундагы бурч туура эмес жайгашса, натыйжалуу шыпырылган аянт азаят жана калактар боюнча агым бирдей эмес болуп калат. Натыйжада: кубаттуулуктун азайышы жана жүктөмдөрдүн, айрыкча гондолага жана мунарага каптал жүктөмдөрдүн көбөйүшү. Роторду шамалдын багытына "бекитилген" абалда кармоо үчүн гондола айлантуу функциясын аткарат, бирок өтө агрессивдүү гондола реакциясы эскирүүгө жана кошумча жүктөмдөргө алып келиши мүмкүн. Ошондуктан, гондола башкаруусунда, адатта, анын кичинекей термелүүлөр менен тынымсыз кыймылдашына жол бербөө үчүн өлүү тилке (чыдамдуулук зонасы) болот.
Шамалдын кесилиши жана вертикалдык профиль: бычактардагы асимметриялык жүктөр
Шамалдын жылышы – бул шамалдын ылдамдыгынын бийиктикке жараша өзгөрүшү. Чоң диаметрдеги роторлордо ротордун жогорку бөлүгү астыңкы бөлүгүнө караганда күчтүүрөөк шамалдарды сезиши мүмкүн. Бул бир бычактын айлануусу боюнча асимметриялык күч бөлүштүрүлүшүн жаратат, бул бычактарга, борборго жана мунарага циклдик жүктөмдөрдү пайда кылат. Жылмалоо ошондой эле башкаруу стратегияларына таасир этет: күчтүү жылышуу шарттарында, материалдын тез чарчоосунан качуу үчүн кадамды жана моментти башкаруу кайталануучу жүктөмдү эске алышы керек.
Жер бетине жакын аймактарда (кургактыкта) жылышуу жер бетиндеги сүрүлүүдөн жана бак-дарактар же имараттар сыяктуу тоскоолдуктардан улам күчтүүрөөк болот. Тескерисинче, жээктеги жылышуу жалпысынан жылмакайыраак жана жылышуу азыраак болот, бул ротордун туруктуураак иштешине жана энергияны туруктуураак өндүрүүсүнө мүмкүндүк берет.
Абанын тыгыздыгы, температурасы жана бийиктиги: Шамал энергиясы бирдей эмес
Ылдамдыктан тышкары, абанын тыгыздыгы (ρ) жеткиликтүү кубаттуулукка таасир этет. Муздак, жогорку басымдагы абанын тыгыздыгы жогору, бул ротордун ошол эле шамалдын ылдамдыгында көбүрөөк кубаттуулукту өндүрүүсүнө мүмкүндүк берет. Тескерисинче, аба суюк болгон бийик тоолуу жерлерде натыйжалуу шамалдын күчү азаят. Бул турбинанын жайгашкан жерин пландаштыруу жана кубаттуулук ийри сызыгын калибрлөө үчүн маанилүү. Операторлор ошондой эле температуранын жана басымдын сезондук өзгөрүүлөрү шамалдын ылдамдыгы боюнча статистика туруктуу көрүнсө да, энергия өндүрүүнү өзгөртүшү мүмкүн экенин эске алышы керек.
Экстремалдык шарттар жана кесилиштер: Эң жогорку коргоо
Шамалдын ылдамдыгы чектөө маанисине жеткенде (көбүнчө 20–25 м/с тегерегинде), турбина бузулуунун алдын алуу үчүн, адатта, өчүрүлөт. Өзгөчө шарттарда аэродинамикалык жүктөмдөр долбоордук маанилерден ашып кетиши мүмкүн, бул бузулуу коркунучун жогорулатат. Өчүрүү процедурасы калактарды канат абалына келтирүү, роторду тормоздоо жана айлануу системасын кулпулоону камтыйт. Шамал азайып, турукташкандан кийин, турбинаны коопсуздук эрежелерин сактоо менен кайра иштетүүгө болот.
Penutup
Шамал турбинасы роторунун иштеши калактын аэродинамикасынын, ылдамдыкты жана кадамды башкаруунун жана жердин шамал мүнөздөмөлөрүнүн ортосундагы татаал өз ара аракеттенүүнүн натыйжасы болуп саналат. Начар шамалдарда негизги кыйынчылык айланууну баштоо жана сактоо болуп саналат; орточо шамалдарда ротор оптималдуу TSR менен эң натыйжалуу иштейт; номиналдык ылдамдыкка жакын жана андан жогору болгондо, көңүл кубаттуулукту чектөөгө жана жүктү азайтууга бурулат; ал эми турбуленттүүлүк, шамал, жылышуу жана кыйшайуунун туура эмес жайгашуусу натыйжалуулукту төмөндөтүп, ошол эле учурда структуралык чарчоо коркунучун жогорулатат. Калканын туура конструкциясы, татаал башкаруу (кадам, момент, кыйшайуу жана ал тургай жеке кадам) жана жерди кылдат тандоо менен ротор турбинанын иштөө мөөнөтүндө ар кандай шамал шарттарына туруштук берип, максималдуу энергияны өндүрө алат.
