Гидравлические системы управления лопастями ветрогенераторов

Мощность, частота вращения ротора и механические нагрузки ветрогенератора зависят от угла установки лопастей. При изменении скорости ветра система pitch control поворачивает каждую лопасть относительно продольной оси и изменяет аэродинамические характеристики ветроколеса.

Для привода механизма поворота могут применяться электромеханические или гидравлические устройства. Гидравлическая схема востребована там, где необходимы значительные усилия, быстрое перемещение лопастей и возможность выполнить защитную команду за счет предварительно накопленной энергии.

Регулирование угла установки лопастей ветрогенератора

На малых и средних скоростях ветра угол лопастей регулируется так, чтобы получить требуемую мощность без превышения допустимой частоты вращения ротора.

При усилении ветра система уменьшает аэродинамическую нагрузку на ветроколесо. В режимах останова или аварии лопасти переводятся в положение, при котором подъемная сила снижается и вращение ротора замедляется.

Pitch control выполняет несколько связанных задач:

• регулирует мощность ветрогенератора;
• ограничивает частоту вращения ротора;
• уменьшает нагрузки на лопасти, ступицу и трансмиссию;
• участвует в штатном останове установки;
• переводит ветроколесо в безопасное положение при аварии.

Требования к скорости и точности поворота зависят от диаметра ротора, конструкции ступицы, мощности установки и алгоритмов управления.

Как работает гидравлический pitch-привод

Исполнительный механизм поворачивает лопасть через рычажную, зубчатую или другую кинематическую передачу, предусмотренную конструкцией ступицы. В качестве привода могут использоваться гидроцилиндры либо гидромоторы.

Рабочая жидкость поступает к исполнительным механизмам от насосной установки. Направление и скорость движения задаются распределительной и регулирующей аппаратурой.

Гидравлическая часть pitch-системы может включать:

• насосный агрегат;
• бак или компактный масляный резервуар;
• исполнительные механизмы поворота лопастей;
• гидравлические блоки управления;
• пропорциональные или сервоклапаны;
• гидроаккумуляторы;
• фильтры;
• датчики давления и температуры;
• средства контроля положения.

Конкретный состав определяется архитектурой ветрогенератора. Насосное оборудование и блоки управления могут размещаться в ступице, гондоле или распределяться между несколькими узлами.

Синхронизация лопастей и обратная связь

Каждая лопасть должна занимать положение, заданное системой управления. Рассогласование углов создает неравномерные аэродинамические и механические нагрузки, которые передаются на ступицу, главный вал и опорные элементы установки.

Фактический угол контролируется датчиками положения. Полученные значения сравниваются с заданием, после чего корректируется движение соответствующего привода.

Для регулирования могут применяться пропорциональные гидравлические клапаны, позволяющие изменять расход рабочей жидкости и скорость поворота лопасти. При более высоких требованиях к динамике и точности используются сервоклапаны и замкнутые контуры управления.

Синхронизация может выполняться:

• индивидуальным управлением каждым приводом;
• программной коррекцией углов лопастей;
• контролем положения нескольких исполнительных механизмов;
• согласованием скорости их движения;
• диагностикой расхождения между заданным и фактическим положением.

При этом абсолютная синхронность требуется не во всех режимах. Современные алгоритмы могут предусматривать индивидуальное управление лопастями для снижения циклических нагрузок на ротор и башню.

Аварийный перевод лопастей в безопасное положение

При потере внешнего питания, отказе системы управления или превышении допустимой скорости ветра лопасти должны перейти в безопасное положение.

В гидравлических pitch-системах необходимый запас энергии может храниться в гидроаккумуляторах. После аварийной команды накопленная рабочая жидкость перемещает исполнительные механизмы без участия основного насосного агрегата.

Защитная схема должна учитывать:

• время перевода лопастей;
• минимально допустимое давление;
• объем рабочей жидкости для полного хода приводов;
• возможность останова при отказе насоса;
• поведение клапанов при потере питания;
• контроль достижения безопасного положения.

В некоторых конструкциях гидросистема pitch control также взаимодействует с тормозной системой ветрогенератора. Однако поворот лопастей и механическое торможение являются разными защитными функциями и могут иметь отдельные исполнительные контуры.

Размещение гидрооборудования в ступице и гондоле

Внутреннее пространство ветрогенератора ограничено, а доступ к оборудованию для обслуживания затруднен. Поэтому компоновка влияет не только на габариты системы, но и на надежность эксплуатации.

При размещении гидрооборудования необходимо учитывать:

• размеры ступицы и гондолы;
• вращение узлов относительно неподвижной части установки;
• длину трубопроводов;
• доступ к фильтрам и контрольным точкам;
• вибрационные нагрузки;
• изменение температуры;
• возможность утечки рабочей жидкости;
• требования к массе оборудования.

Компактные гидравлические блоки позволяют объединить регулирующие, предохранительные и запорные клапаны в одном корпусе. Это сокращает число трубных соединений и уменьшает вероятность утечек.

Одновременно необходимо сохранять доступ к компонентам, которые требуют периодической проверки или замены. Чрезмерное уплотнение компоновки может затруднить обслуживание и увеличить продолжительность ремонта.

Условия эксплуатации гидросистемы ветрогенератора

Гидравлическое оборудование работает при вибрации, переменной температуре и циклических нагрузках. Для наземных и морских ветроустановок условия различаются: офшорное размещение предъявляет дополнительные требования к коррозионной защите, герметичности электрических компонентов и стойкости материалов.

При выборе оборудования оцениваются:

• минимальная и максимальная температура окружающей среды;
• вязкость рабочей жидкости во всем температурном диапазоне;
• вибрационные и ударные воздействия;
• расчетный ресурс исполнительных механизмов;
• требования к чистоте масла;
• коррозионная активность среды;
• интервалы технического обслуживания;
• доступность запасных компонентов.

Для работы при низких температурах может потребоваться подогрев масла, а при высоких нагрузках — контроль его температуры или охлаждение. Фильтрация особенно важна для систем с пропорциональной и сервогидравлической аппаратурой.

Контроль технического состояния pitch-системы

Диагностика позволяет выявлять отклонения до того, как они приведут к потере управления лопастью.

Контролироваться могут:

• давление в напорной линии и гидроаккумуляторах;
• температура рабочей жидкости;
• загрязнение фильтров;
• фактическое положение каждой лопасти;
• время выполнения команды;
• готовность насосного агрегата;
• утечки и падение давления;
• состояние датчиков и клапанов.

Увеличение времени поворота, нестабильность положения или быстрое снижение давления после остановки насоса могут указывать на износ уплотнений, внутренние утечки либо неисправность гидроаппаратуры.

Диагностические сигналы передаются в общую систему управления ветрогенератором и используются при планировании технического обслуживания.

Проектирование гидросистемы для ветрогенератора

Гидравлическая pitch-система рассчитывается под конкретную конструкцию ветроустановки. Подбор оборудования только по мощности ветрогенератора или номинальному давлению не позволяет определить необходимые характеристики приводов.

Для проектирования требуются:

• масса, геометрия и момент инерции лопасти;
• кинематическая схема механизма поворота;
• требуемый диапазон углов;
• усилие или крутящий момент исполнительного механизма;
• скорость штатного и аварийного перемещения;
• количество одновременно работающих приводов;
• точность позиционирования;
• параметры гидроаккумуляторов;
• алгоритм безопасного останова;
• условия размещения оборудования;
• интерфейсы системы управления;
• требования к ресурсу и обслуживанию.

На основании этих данных определяются тип исполнительных механизмов, рабочее давление, производительность насосной установки, объем гидроаккумуляторов и состав гидравлических блоков.

Компетенции ПНЕВМАКС в разработке гидростанций по техническому заданию, пропорциональных приводов, гидравлических блоков и систем синхронизации могут использоваться при создании оборудования для управления лопастями и другими исполнительными механизмами ветроэнергетических установок.