ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2075644

БАШНЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

БАШНЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Имя изобретателя: Забегаев А.И.; Горбунов Ю.Н.; Чернышов С.К.; Новак Ю.И.; Демкин В.В. 
Имя патентообладателя: Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "Общемаш- инжиниринг"; Научно-производственное объединение "Ветроэн"
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1995.02.20 

Использование: относится к ветроэнергетике и может быть использовано при изготовлении башен, преимущественно для ветроэнергетических установок (ВЭУ), а также ретрансляционных башен для маяка. Сущность изобретения: башня ветроэнергетической установки включает верхнее и нижнее основания, ствол, выполненный в виде многогранника, ограничивающего внутренний объем башни, и снабжена окнами, выполненными на каждой грани и сообщающимися с внутренним объемом башни, расположенными друг относительно друга по винтовой линии в пределах высоты H башни, отсчитываемой от верхнего основания и определяемой зависимостью , где H - высота башни, R - радиус лопасти ветроколеса, db - диаметр башни, причем площадь F окон определяется из соотношения 0,1Fs @ F @ 0,8 Fs, где Fs - общая площадь развертки башни на длине . Окна в башне выполнены с шагом t винтовой линии, определяемым из соотношения: t = (k Ч h + b) Ч (n - 1) Ч m, где h - высота окна башни, n - число граней башни, b - расстояние между смежными по высоте окнами на гранях башни, k - коэффициент перекрытия по высоте смежных окон на гранях башни (k @ 0,5), m - число заходов винтовой линии. Башня по длине разделена на ряд секций, внутренний объем которых сообщен между собой, а, по крайней мере, в одной из секций выполнена замкнутая полость, сообщенная с внутренним объемом хотя бы одной из смежных секций с окнами через каналы с калиброванным сопротивлением, окна, расположенные по винтовой линии, могут быть выполнены как с правым углом закрутки линии, так и с левым. Высота окон в башне выполнена большей или равной их ширине, при этом окна могут быть выполнены круглыми, овальными или прямоугольными с скругленными углами, причем, по крайней мере, несколько окон выполнено с возможностью прохода через них персонала. Окна в башне могут быть снабжены сетками с установкой их по всей высоте или только на участке винтовой линии, длиной в один шаг, измеряемый от верхнего основания башни.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при изготовлении башен, преимущественно для ветроэнергетических установок (ВЭУ), а также ретрансляционных башен для маяка.

Известно сооружение типа башни плохообтекаемого сечения (см. авт. свид. N 310.990 от 16.03.1970 г. кл. E 04 H 12/00) в виде монолитной звезды со сквозными каналами, которые выполнены прямоугольными, образованы в каждом из выступающих элементов поперечного сечения и расположены в пределах длины сооружения, равной около 1/3 его высоты от верха.

Это известное техническое решение имеет ряд недостатков, ограничивающих его применение в качестве башни ВЭУ.

Наличие сквозных каналов в выступающих элементах лишь частично решает задачу выравнивания давления в отрывных зонах потока и направлено прежде всего на ослабление галопирующих аэроупругих колебаний, при развитии которых башня совершает колебания в плоскости, перпендикулярной ветропотоку.

Прочность сооружения обеспечена за счет монолитной пятиконечной "звезды", что свидетельствует о большой материалоемкости, высокой стоимости, трудоемкости такого сооружения.

В большинстве случаев, в том числе при средних и больших ветрах, такое решение не уменьшает динамические нагрузки на башню и ветроколесо ВЭУ прежде всего потому, что начиная с определенных скоростей нет условий для гарантированного перетекания воздуха с определенным расходом через сооружение. Кроме того, это решение направлено на обеспечение прочности башни ВЭУ, в то время как обеспечение оптимальных режимов взаимодействия с ветроколесом или другими элементами конструкции ВЭУ просто не входят в функции, выполняемые этим устройством.

При взаимодействии ветроколеса с башней ВЭУ возникают интенсивные динамические нагрузки, которые порождены следующими основными факторами:

  • при "переднем" на ветер расположении ветроколеса последнее при проходе около башни взаимодействует с ограниченным по толщине слоем воздуха между лопастью и башней, который обладает повышенной жесткостью, что вызывает импульс динамического нагружения на лопасть;

  • при "заднем" под ветер расположении ветроколеса последнее при пересечении вихревого следа подвергается воздействию турбулентных потоков, что также вызывает импульс динамического нагружения на лопасть.

Специфика ВЭУ, предназначенных для использования в низкоскоростных потоках, состоит прежде всего в том, что ветроколесо ВЭУ имеет значительные размеры и увеличенную площадь и соответственно повышенное аэродинамическое сопротивление и повышенные динамические нагрузки, т.к. ветроколесо оптимизируется на работу в низкоскоростных ветропотоках, а диапазон рабочих скоростей так или иначе захватывает общие требования для ВЭУ в части обеспечения работы при скоростях 20.30 м/с и выдерживания штормовых ветров.

Согласно данным исследований установлено, что за счет взаимодействия вращающихся лопастей ветроколеса с башней ВЭУ динамические нагрузки на лопасть, вал ветроколеса, трансмиссию, башню ВЭУ практически в 3 раза превышают нагрузки от стационарного ветропотока.

Это требует увеличения прочности ветроколеса, башни ВЭУ, др. ее агрегатов, сокращает ресурс ВЭУ в целом, а также снижает безопасность работы ВЭУ.

Важно отметить, что в результате взаимодействия башни с ветроколесом в различных режимах работы возникают значительные акустические колебания, уровень звукового давления которых представляет опасность экологического загрязнения не только в звуковом диапазоне, но и, что самое опасное, в инфразвуковом диапазоне. В ряде случаев по этой причине для ВЭУ, расположенных близ жилых районов, устанавливают ограничения по развиваемой мощности и времени суток работы.

Анализ картины вихреобразования при использовании известного по авт. свид. N 310.990 от 16.03.1970 г. кл. E 04 H 12/00 технического решения показывает, что оно не позволяет регламентировать процесс вихреобразования и тем самым процесс взаимодействия ветроколеса с вихревым следом за башней, что приводит к повышению нагрузок на башню и ветроколесо ВЭУ, а также к повышенным акустическим нагрузкам. Монолитность сооружения в центральной части звездообразной фигуры не позволяет использовать хотя бы часть внутри такого сооружения для размещения в нем оборудования, персонала и т.п. что лишь подчеркивает его недостатки, в том числе и вышеуказанные.

Известна (см. заявку N 94006192/33 (006233) от 02.03.94 г. кл. E 04 H 12/00, F 03 D 11/04) длинномерная строительная конструкция, преимущественно башня ветроэнергетической установки, включающая ограждение из соединенных между собой криволинейных листовых элементов, установленных выпуклой стороной внутрь конструкции с образованием в ее сечении фигуры подобной правильному многоугольнику, верхнее и нижнее основания которой выполнено из пяти криволинейных элементов одинакового радиуса и толщины по высоте, каждый из которых образован из трубной заготовки и имеет форму равнобочной трапеции, установленной большим основанием к основанию конструкции.

Такое известное техническое решение, обеспечивая требования прочности башни, перемещения грузов и обслуживания ВЭУ при эксплуатации, имеет, однако, недостаточную эффективность с позиций регламентирования процесса взаимодействия ветроколеса ВЭУ с вихревым следом башни.

С одной стороны, наличие острых выступающих ребер по всей высоте в местах стыка криволинейных листовых элементов позволяет создать фиксированные зоны срыва потока в различных режимах обтекания, что позволяет снизить интенсивность вихрей за счет расширения вихревого следа и соответственно уменьшить нагрузки на башню и ветроколесо ВЭУ. С другой стороны, при образовании в турбулентном следе вихрей требуется обеспечить выравнивание давлений для организованного "дробления" вихрей не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной. Уменьшение размеров вихрей и снижение интенсивности циркуляции уменьшит нагрузки на лопасть и позволит регламентировать процесс взаимодействия ветроколеса и башни, а также снизит уровни звукового давления.

Исследования показали, что вторая задача не решается простым выполнением каналов в выступающих элементах башни, как, например, в известном по авт. свид. N 310.990 от 16.03.1970 г, кл. E 04 H 12/00.

Требуется по сути принципиально новое решение. Известна башня ветроэнергетической установки (см. авт. свид. N 1800099 от 25.06.90 г. кл. F 03 D 11/04), включающая ствол, выполненный в сечении в виде правильного многоугольника, имеющий стойки с жестко прикрепленными к ним поперечными связями и ограждающими элементами, установленными между стойками с образованием внутренней полости за счет указанных элементов ствола, а также верхнего и нижнего оснований.

Такая башня по сравнению с монолитными сооружениями, типа сооружения по авт. свид. N 310990, имеет меньшую материалоемкость, меньшую стоимость и трудоемкость.

Для башен, выполняемых преимущественно под ВЭУ, наличие внутренней полости позволяет размещать в последней оборудование, персонал и производить перемещение грузов, например, с уровня земли через внутренний объем башни в гондолу ВЭУ.

Вместе с тем, она обладает теми же недостатками с позиций взаимодействия ветроколеса ВЭУ с башней при пересечении ветроколесом вихревого следа или прохождении ветроколеса мимо башни при наветренном расположении, что и авт. свид. N 310.990 от 16.03.1970 г, кл. E 04 H 12/00, что резко ограничивает возможность применения этого известного устройства для ВЭУ, ориентированных преимущественно на работу в режиме отдачи мощности в низкоскоростных ветропотоках.

Кроме того, такая конструкция башни ВЭУ неоптимально работает в таком характерном для ВЭУ режиме нагружения, как "изгиб с кручением", когда башня подвергается изгибу от силы сопротивления ветроколеса, работающего в режиме отдачи мощности, а само ветроколесо ориентировано не строго относительно ветра вследствие недостаточной чувствительности системы управления положением ветроколеса или ошибке системы управления. Угол рассогласования может достигать 6.10 (198) расчетный случай для ВЭУ классов мощности 10.250 кВт, что создает значительный крутящий момент, действующий на башню ВЭУ.

В известном по авт.свид. N 1800099 от 25.06.90 г. кл. F 03 D 11/04 техническом решении прочность и необходимый ресурс могут быть обеспечены практически при нерационально увеличенном диаметре и толщине стенок конструкции и соответственно высокой материалоемкости и трудоемкими транспортировки и монтаже.

Невозможность аэродинамического регулирования процессов обтекания башни ветропотоком и взаимодействия с ним ветроколеса не позволяет снизить уровень экологического загрязнения.

Следует обратить внимание на еще один важный аспект использования ВЭУ, который приобретает больший вес по мере расширения географии ВЭУ и который должен приниматься во внимание при разработке новых поколений ВЭУ.

В вариантах использования ВЭУ на нужды автономного потребителя, на локальную или промышленную сеть ВЭУ представляет собой локальный источник энергоснабжения, независимый от подвоза топлива, что позволяет использовать ВЭУ в качестве источника энергоснабжения в районах землетрясений и других бедствий. При этом ВЭУ предъявляются требования к сейсмостойкости исполнения, т. к. после землетрясения ВЭУ может оказаться единственным источником энергии в районе бедствия. Задача усложняется высокорасположенным центром масс из-за наличия тяжелой гондолы, вынесенной на большую высоту. Поэтому при создании ВЭУ, в частности башен ВЭУ, необходимо применять конструктивные решения, которые обеспечивают пониженное расположение центра масс.

В известном по авт. свид. N 1 800 099 от 25.06.90 г. кл. F 03 D 11/04 техническом решении эти требования не отражены.

Таким образом, рассмотренные недостатки ограничивают использование этого известного технического решения для такой специфической области, как ветроэнергетические установки, ориентированные на работу в условиях низкоскоростных ветропотоков.

Это техническое решение из известных является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и принято в качестве прототипа.

При создании заявляемого изобретения решался ряд взаимосвязанных задач, которые нельзя было решить обычным подходом к пректированию конструкции, например, увеличением диаметра, толщины, выбором материала, требовался изобретательский уровень решения.

Целью изобретения является:

  • обеспечение снижения нагрузок на башню и лопасти ветроколеса ВЭУ при прохождении лопастей мимо башни и взаимодействии лопастей с вихревыми следом;

  • уменьшение материалоемкости, в том числе удельной на единицу мощности ВЭУ;

  • повышение запасов прочности и ресурса башни и ветроколеса за счет снижения нагрузок при взаимодействии ветроколеса и башни ВЭУ;

  • расширение диапазона рабочих скоростей ветропотоков ВЭУ в сторону низких скоростей при сохранении эффективности при высоких скоростях;

  • уменьшение колебательных нагрузок, передаваемых на фундамент ВЭУ и в грунт;

  • снижение уровней акустического загрязнения окружающей среды;

  • улучшение условий работы ВЭУ и сейсмоактивных районах за счет понижения расположения центра масс ВЭУ;

  • повышение экономичности ВЭУ и сокращение сроков окупаемости за счет снижения стоимости башни и других агрегатов ВЭУ.

Поставленная цель достигается следующим образом.

Башня ветроэнергетической установки включает верхнее и нижнее основания, ствол, выполненный в виде многогранника, ограничивающий внутренний объем башни, и снабжена окнами, выполненными на каждой грани и сообщающимися с внутренним объемом башни, расположенными друг относительно друга по винтовой линии в пределах высоты башни, отсчитываемой от верхнего основания и определяемой зависимостью



где H высота башни,

R радиус лопасти ветроколеса,

db диаметр башни,

причем площадь F окон определяется из соотношения: 0,1Fs F 0,8 Fs,

где Fs общая площадь развертки башни на длине .

Дополнительно заявляемая башня ВЭУ имеет следующие отличия:

  • окна выполнены с шагом t винтовой линии, определяемой из соотношения:

    t (k Ч n + b) Ч (n 1) Ч m

    где h высота окна башни,

    n число граней башни,

    b расстояние между смежными по высоте окнами на гранях башни,

    k коэффициент перекрытия по высоте смежных окон на гранях башни (k 0,5),

    m число заходов винтовой линии;

  • башня по длине разделена на ряд секций, внутренний объем которых сообщен между собой, по крайней мере, в одной из секций выполнена замкнутая полость, сообщенная с внутренним объемом, по крайней мере, одной из смежных секций с окнами через каналы с калиброванным сопротивлением;

  • окна, расположенные по винтовой линии, выполнены с правым углом закрутки линии или с левым в зависимости от направления вращения ветроколеса, причем окна могут располагаться как по однозаходной, так и по многозаходной винтовой линии;

  • высота окна больше или равна их ширине;

  • окна выполнены круглыми, овальными или прямоугольными с скругленными углами;

  • по крайней мере, несколько окон выполнены с возможностью прохода через них персонала;

  • окна в башне снабжены сетками, причем сетки могут быть установлены как на всем протяжении участка , так и на участке винтовой линии, длиной в один шаг, измеряемой от верхнего основания башни.

Приложенные чертежи изображают:

фиг. 1 общий вид ВЭУ; фиг. 2 поперечное сечение башни, разрез А-А фиг. 1; фиг. 3 поперечное сечение башни, разрез Б-Б фиг. 1; фиг. 4 развертка башни с иллюстрацией расположения окон на гранях башни (Изображен вариант цилиндрической конструкции башни.).

Фиг. 5 фрагмент развертки башни для варианта двухзаходной винтовой линии, m=2 (Изображен вариант цилиндрической конструкции башни.); фиг. 6 формирование верхнего следа при обтекании башни, горизонтальное сечение.

Фиг. 7 изгибающий момент Mn(t), действующий на лопасть при прохождении ветроколеса через вихревой след башни Mnmax 1,3.1,5 Мст. Mn1(t) обозначен момент, возникающий для варианта башни в виде круглого цилиндра Mn1max=3 Мст; фиг.8 формирование вихревого следа при обтекании башни ветропотоком. Вертикальное сечение. Образование сферических вихрей.

На фигурах и в материалах заявки обозначено: верхнее основание башни 1; нижнее основание башни 2; ствол башни 3; окна, выполненные на гранях башни 4; верхняя секция башни 5; средняя секция башни 6; нижняя секция башни 7; ветроколесо 8; основание башни 9; лопасть ветроколеса 10; гондола ВЭУ 11.

высота участка башни, на котором расположены аэродинамические окна, отсчитываемая от верха башни;

t шаг винтовой линии;

n число граней башни (в материалах заявки рассмотрен вариант башни для n 5);

a ширина окна (может быть переменной по высоте башни а=а(H);

h высота окна (может быть переменной по высоте башни h=h(H); m число заходов винтовой линии;

b расстояние по высоте между смежными окнами на гранях башни;

t1 начало отсчета одного шага винтовой линии (начало окна N 1);

tn окончание одного шага винтовой линии (начало окна Nn, n=5);

R радиус ветроколеса ВЭУ;

db диаметр башни на участке расположения окон (наибольший для конусного варианта конструкции башни);

Fs площадь развертки башни на длине ;

F площадь окон;

K коэффициент перекрытия смежных окон по высоте на гранях башни (K @0,5);

db диаметр сферических вихрей в следе в зоне влияния 1 на участке ;

d диаметр сферических вихрей в следе в зоне влияния 11 на участке 0<H<(R+db);
VҐ скорость невозмущенного ветропотока;

Мст стационарное значение изгибающего момента в корневой части лопасти для ветроколеса, нагруженного невозмущенным потоком;

Мп максимальное (пиковое) значение момента при пересечении лопастью ветроколеса вихревого следа для заявленного решения;

Мп1 максимальное (пиковое) значение момента при пересечении лопастью ветроколеса вихревого следа для цилиндрической башни круглого сечения.

Башня ветроэнергетической установки (фиг. 1) включает верхнее 1 и нижнее 2 основание, ствол 3, выполненный в виде многогранника, ограничивающего внутренний объем башни, и снабжена окнами 4, выполненными на каждой грани ствола 3, сообщающимися с внутренним объемом башни, расположенными друг относительно друга по винтовой линии в серединах высоты H башни, отсчитываемой от верхнего основания 1 и определяемого зависимостью (1):

(1)

где H высота башни, R радиус лопасти ветроколеса, db диаметр башни;

площадь F окон определяется из соотношения (2):

0,1 Fs @ F @ 0,8 Fs, (2)

причем окна 4 выполнены с шагом t (см. фиг. 4,5 винтовой линии), определяемым из соотношения (3):

t (k Ч h + b) Ч (n 1) Ч m (3),

где h высота окна башни, n число граней башни, b расстояние между смежными по высоте окнами на гранях башни, k коэффициент перекрытия по высоте смежных окон на гранях башни (k @ 0,5), m число заходов винтовой линии.

По длине башня разделена на ряд секций 5, 6, 7, внутренний объем которых сообщен между собой, а по крайней мере, в одной из секций (на фиг. 1 в секции 7) выполнена замкнутая полость, сообщенная с внутренним объемом, по крайней мере, одной из смежных секций с окнами (на фиг. 1 с секцией 6) через каналы с калиброванным сопротивлением.

Окна 4 в башне в зависимости от направления вращения ветроколеса 8 (фиг. 1) выполнены с правым или левым углом закрутки винтовой линии, однозаходной или многозаходной.

Например, предпочтительным является выполнение винтовой линии с правым углом закрутки при вращении ветроколеса, расположенного "за башней" против часовой стрелки (направление взгляда "по ветру").

При вращении ветроколеса по часовой стрелке благоприятное направление закрутки винтовой линии левое.

Окна в башне могут иметь постоянную высоту по всей башне h=const, а также, например, уменьшаться по высоте. Шаг t при h=h(H) переменный. Такой вариант целесообразен для конструкции башни.

Как показали исследования, оптимальным является реализация заявляемого устройства в конусном варианте конструкции башни при выполнении ее с использованием известной по заявке N 94006192/33(006233) от 22.02.94г. кл. E 04 H 12/00, F 03 D 11/04 длинномерной строительной конструкции (см. лист 3 настоящей заявки), имеющей конусное построение. В то же время оно применимо и для цилиндрического построения башни, значительно снижая аэродинамические и механические нагрузки, действующие на цилиндрические и конусные конструкции, особенно опасные для высоких башен ВЭУ. В формуле изобретения заявители не ввели признаки, ограничивающие выполнение башни ВЭУ только конусным или только цилиндрическим, т.к. заявляемое решение эффективно для различных вариантов построения башни.

Окна 4 преимущественно выполняют в высоту равными или большими их ширины, прямоугольными с скругленными краями, круглыми, овальными, причем, по крайней мере, несколько окон выполнено с возможностью прохода через них персонала, например, для аварийного покидания башни, выполнения работ снаружи башни.

Для регулирования аэродинамического сопротивления окна 4 снабжены сетками, причем окна могут быть закрыты сетками как по всей высоте H, так и только в пределах одного верхнего витка винтовой линии.

При воздействии ветропотока VҐ и работе ветроколеса 8 башня подвергается изгибающему и крутящему моментам от силы сопротивления ветропотока ветроколеса 8 и собственно башни. Оболочка многогранника башни хорошо работает на изгиб с кручением. Окна 4 ослабляют башню, но расположение их в верхней части башни на участке от верхнего основания 1 и выполнение по винтовой линии с взаимным перекрытием окнами на смежных витках позволяет сохранить крутильную жесткость и достаточным момент сопротивления кручению.

Изгибающий момент возрастает к нижней части башни, поэтому выполнение окон на участке только в верхней и средней секциях позволяет сохранить высокую несущую способность конструкции в зоне действия максимального изгибающего момента.

При возникновении отрыва потока на острых выступающих ребрах многогранника через окна 4 (см. фиг. 6, 8) происходит обмен воздуха из внутреннего объема башни, со стороны набегающего потока и со стороны вихревого следа. В результате достигается выравнивание давления в отрывных зонах и дробление образующихся вихрей.

Выполнение окон по винтовой линии помимо обеспечения прочности создает благоприятные условия для формирования сферического вихря малого диаметра.

В результате вихревой след (фиг. 8) оказывается разбит на ряд вихрей малого диаметра с невысокой интенсивностью циркуляции.

Важно отметить, что заявляемое выполнение башни ВЭУ с позиции аэродинамики представляет не просто "загромождение" потока частями конструкции, а является определенным сочетанием конструктивного выполнения и соотношений размеров, что позволяет в диапазоне скоростей ветропотоков от 3,0 до 60 м/с получить "организованную" устойчивую картину формирования вихревого следа, в котором как ветроколесо, так и башня испытывают пониженные динамические нагрузки.

Внутренний объем башни за счет упругости столба воздуха участвует в формировании вихревого следа. Регулирование, точнее настройка колебаний столба на процесс вихреобразования производится за счет задания площади отверстия или канала, связывающего объемы смежных по высоте секций башни, например, на фиг. 1 секций 5,6 и высоты столба воздуха, участвующего в колебаниях: в пределах одной секции, если соединительные отверстия или каналы выполнены малой площади, или двух и более секций, если соединительные каналы (отверстия) достаточно велики. (Критерий достаточности определяется из соотношения площади секции башни и отверстия между секциями и силы сопротивления в отверстии при перетоке воздуха из секции в секцию исходя из превалирования упругих сил над демпфирующими или наоборот.) Эта "настройка" производится при монтаже исходя из условий ветропотоков, развиваемой мощности ВЭУ и параметров ветроколеса применительно к условиям региона расположения ВЭУ.

Площадь окон F ограничена, с одной стороны, соображениями прочности: отсюда задан верхний предел 0,8 F, при этом наблюдается самое благоприятное нагружение ветроколеса и башни. В то же время при F=0,1 F картина взаимодействия ветроколеса с вихревым следом становится весьма жесткой, размеры вихрей в следе становятся заметными по сравнению с радиусом ветроколеса, что и ограничивает эффективность заявленного решения, т.к. окна малой площади не справляются с задачей выравнивания давления в открытых зонах и интенсивность вихреобразования резко возрастает. Поэтому F=0,1F выбрано в качестве нижнего предела в зависимости (2).

При работе ветроколеса, установленного перед башней или за башней, в классических вариантах ВЭУ одним из наиболее отрицательных факторов является то, что лопасть испытывает возмущение от "близости" башни, вызванное изменением жесткости столба воздуха между лопастью и башней (колесо перед башней), или воздействием вихря в вихревом следе (колесо за башней), приложенное по всей длине лопасти, что собственно и вызывает увеличение нагрузок на лопасть примерно в три раза по отношению к нагрузке от невозмущенного потока. В заявленном решении размер получаемых в вихревом следе башни вихрей мал по отношению к длине лопасти, что очень важно, т.к. позволяет "замкнуть" вихрь на ограниченном участке лопасти, который обладает высокой локальной жесткостью и эффективно воспринимает это возмущение, практически не передавая его на корневую часть. В результате вместо мощных всплесков динамического нагружения лопасть ветроколеса подвергается серии относительно слабых импульсов, что резко повышает ресурс лопасти, снижает нагрузки на вал ветроколеса, трансмиссию, опорно-поворотное устройство, башню ВЭУ, а также снижает нагрузки, передаваемые на фундамент и в грунт.

Высота , на которой в башне выполнены окна 4, задается из условия обеспечения благоприятного вихреобразования в пределах всей длины лопасти ветроколеса 8 радиуса R, а также переходной зоны, протяженность которой находится в пределах диаметра db башни, чтобы исключить неблагоприятное нагружение концов лопастей, таким образом:

.

На фиг. 7 показана сравнительная картина нагружения лопасти ветроколеса изгибающим моментом Mn(t) для вариантов заявленного решения Мn(t) и для варианта круглой цилиндрической башни Мn1(t).

Представленные графики иллюстрируют эффективность заявленного решения, которое, например, обеспечивает снижение максимальной величины изгибающего момента в 2,0.2,5 раза. При уменьшении интенсивности колебаний снижается уровень звукового давления и соответственно уменьшается экологическое загрязнение. Снижаются требования к прочности лопасти, или при сохранении прочности значительно повышается ресурс не только ветроколеса, но и других агрегатов ВЭУ.

С точки зрения выполнения окон, наиболее благоприятным является выполнение окон со сдвигом их в смежных витках (и гранях) на 1/2 h, где h - высота окна, в этом случае достигается оптимальное сочетание прочности на изгиб и кручение с максимальной площадью F окон. Это установлено в многочисленных исследованиях прочности для вариантов башен с применением оболочечных конечно-элементных моделей. Шаг t винтовой линии задают из условия "замыкания" одного витка линии целым числом окон.

Выполнение, по крайней мере, нескольких окон с шириной достаточной для прохода персонала позволяет обеспечить аварийное покидание башни персоналом, например при пожаре, а также для выхода персонала для выполнения наружных работ. Для прохода человека достаточной является ширина проема 0,5.0,6м.

При разработке ВЭУ с использованием заявляемой башни пятиугольного сечения с диаметром описанной окружности в нижней части 2,8 и 1,7 м в верхней части, высотой H=30м, выполненной из трех секций, ширина окон составляет 0,4 м, высота 0,6 м, при этом в нижней части средней секции поз. 6 на фиг. 1 выполнены два окна шириной 0,5 м (m=2).

Форма окна выбирается из следующих соображений: получения максимальной прочности круглые, овальные ориентированы большой осью вдоль образующих - ребер башни; получения максимальной площади проема окон прямоугольные с скругленными углами (скруглены во избежание развития усталостных трещин и ослабления концентрации напряжений), в целях экономии веса и улучшения параметров вихревого следа.

Выполнение секций башни с окнами: например, для рассмотренного выше примера при радиусе ветроколеса R=11,5 м на участке двух верхних секций: N 6 и N 7, для варианта R=8,5м на участке верхней секции 6 и части секции 7, позволяет понизить положение центра масс башни ВЭУ, а соответственно всей ВЭУ, что по расчетным данным снижает динамические нагрузки на нижнюю секцию башни и фундамент при землетрясении силой 10 баллов (по шкале Рихтера) примерно на 15.25%

В одной из секций башни выполнена полость замкнутого объема, например, под аппаратное помещение в нижней секции башни. Эта полость сообщена со смежными секциями (по крайней мере, с одной из секций) через каналы с калиброванным сопротивлением (конструктивное выполнение "лабиринт", жалюзи и т.д.). При колебаниях столба воздуха в секции за счет сообщения с замкнутой полостью можно регулировать воздухообмен, что может быть применено для вентиляции аппаратного помещения. Калиброванное сопротивление позволяет задавать необходимый расход в зависимости от колебаний столба при работе ветроколеса ВЭУ.

Установка сеток в окнах ограничивает попадание посторонних предметов и птиц в башню, повышает безопасность при перемещении персонала и грузов во внутреннем объеме башни. При использовании плотных сеток с малым размером ячейки сетки выполняют регулирующую роль, создавая аэродинамическое сопротивление при воздухообмене, регулируемое проницаемостью сетки. Эластичность сетки при колебаниях воздуха препятствует ее обмерзанию и засорению пылью, а также создает дополнительный положительный эффект за счет внесения демпфирования в колебательные процессы, развивающиеся в динамической системе "ветроколесо-вихревой след-башня". При заборе воздуха в систему вентиляции гондолы из башни выполнение сеток только на одном верхнем витке винтовой линии позволяет удлинить путь воздуха в гондолу и решить проблему с попаданием снега и пыли в гондолу при непосредственном заборе воздуха из атмосферы. Например, для условий Воркуты приходится наглухо закрывать воздухозаборные жалюзи в гондоле на высоте 30 м во избежание заноса оборудования снегом, который напором ветропотока проходит через мелкие щели и неплотности. Удлинение пути воздуха с поворотами потока препятствует попаданию снега и пыли в гондолу в тундровых или пустынных регионах.

С использованием заявляемого решения спроектирована реальная конструкция ВЭУ на ряд мощностей 50.150 кВт. Исследование с использованием численных конечно-элементных методов и исследования на моделях показали высокую эффективность заявляемого решения, которое по сути впервые позволяет оптимально решить задачу совместной работы ветроколеса и башни ВЭУ с минимизацией возникающих нагрузок и является основой для создания ряда практических конструкций ВЭУ, рассчитанных на работу преимущественно в низкоскоростных потоках ветра и сохраняющих эффективность при средних и сильных ветрах.

Таким образом, заявляемое решение является прогрессивным, а его использование создает положительный эффект, который заключается в следующем: обеспечивается снижение нагрузок на башню и лопасти ветроколеса ВЭУ при прохождении лопастей мимо башни и взаимодействии лопастей с вихревым следом; уменьшается материалоемкость, в том числе удельная на единицу мощности ВЭУ; повышается запас прочности и ресурсы башни и ветроколеса за счет снижения нагрузок при взаимодействии ветроколеса и башни ВЭУ; расширяется диапазон рабочих скоростей ветропотоков ВЭУ в сторону низких скоростей при сохранении эффективности при высоких скоростях; уменьшаются колебательные нагрузки, передаваемые на фундамент ВЭУ и в грунт; снижаются уровни акустического загрязнения окружающей среды; улучшаются условия работы ВЭУ в сейсмоактивных районах за счет понижения расположения центра масс ВЭУ; повышается экономичность ВЭУ и сокращаются сроки окупаемости за счет снижения стоимости башни и других агрегатов ВЭУ.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Башня ветроэнергетической установки, включающая верхнее и нижнее основание, ствол, выполненный в виде многогранника, ограничивающего внутренний объем башни, отличающаяся тем, что она снабжена окнами, выполненными на каждой грани и сообщающимися с внутренним объемом башни, расположенными друг относительно друга по винтовой линии в пределах высоты башни, отсчитываемой от верхнего основания и определяемой зависимостью:



где H высота башни;

R радиус лопасти ветроколеса;

db диаметр башни,

причем площадь F окон определяется из соотношения

0,1Fs @ F @ 0,8Fs,

где Fs общая площадь развертки башни на длине .

2. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что в ней окна выполнены с шагом винтовой линии, определяемым из соотношения:

t (k Ч h + b) Ч (n 1) Ч m

где h высота окна башни;

n число граней башни;

b расстояние между смежными по высоте окнами на грани башни;

k коэффициент перекрытия по высоте смежны окон на гранях башни (k @ 0,5);

m число заходов винтовой линии.

3. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что она по длине разделена на ряд секций, внутренний объем которых сообщен между собой, а по крайней мере в одной из секций выполнена замкнутая полость, сообщенная с внутренним объемом по крайней мере одной из смежных секций с окнами через каналы с калиброванным сопротивлением.

4. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что в ней окна, расположенные по винтовой линии, выполнены с правым углом закрутки линии.

5. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что в ней окна, расположенные по винтовой линии, выполнены с левым углом закрутки линии.

2. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что окна расположены на многозаходной винтовой линии.

7. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что высота окон больше или равна их ширине.

8. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что окна выполнены круглыми.

9. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что окна выполнены овальными.

10. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что окна выполнены прямоугольными со скругленными углами.

11. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что в ней по крайней мере несколько окон выполнены с возможностью прохода через них персонала.

12. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что окна в ней снабжены сетками.

13. Башня по п. 1, отличающаяся тем, что в ней снабжены сетками окна, расположенные на участке винтовой линии длиной в один шаг, измеряемом от верхнего основания башни.

Версия для печати
Дата публикации 03.04.2007гг


вверх