Управление и устойчивость систем с ветродвигателем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.01, кандидат наук Байрамов, Булат Фаритович

• Байрамов, Булат Фаритович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Байрамов, Булат Фаритович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ВЫБОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДА НАСОСА. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГИДРОСИСТЕМ И ГИДРОПРИВОДОВ С ВЕТРОНАСОСНЫМ АГРЕГАТОМ И РЕГУЛЯТОРОМ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

1.1. Существующие ветродвигатели. Выбор ветродвигателя для привода насоса

1.2.1. Уравнения динамики гидросистемы для подачи жидкости

1.2.2. Уравнения динамики гидросистемы для подачи жидкости с учётом упругости передаточного вала

1.3.1. Уравнения динамики гидропривода с гидромотором

1.3.2. Уравнения динамики гидропривода с гидромотором и учётом упругости передаточного вала

1.4.1. Уравнения динамики гидропривода с гидроцилиндром

1.4.2. Уравнения динамики гидропривода с гидроцилиндром и учётом

упругости передаточного вала

1.5. Выводы

ГЛАВА II. УСТОЙЧИВОСТЬ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГИДРОСИСТЕМ И ГИДРОПРИВОДОВ С ВЕТРОНАСОСНЫМ АГРЕГАТОМ И РЕГУЛЯТОРОМ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

2.1.1. Устойчивость гидросистемы для подачи жидкости

2.1.2. Устойчивость гидросистемы для подачи жидкости с учётом упругости передаточного вала

2.2. Устойчивость гидропривода с гидромотором

2.3. Устойчивость гидропривода с гидроцилиндром

2.4. Численные эксперименты по оценке реакции гидросистемы на изменение скорости ветра по определённому закону

2.5. Выводы

ГЛАВА III. АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО РАСХОДА ЖИДКОСТИ В ГИДРОСИСТЕМАХ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЭНЕРГОПИТАНИЕМ ОТ ВЕТРОВОГО И НЕВЕТРОВОГО ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1. Гидросистема с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя

3.2. Гидросистема с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от ДВС

3.3. Автоматические системы обеспечения заданного расхода жидкости в гидросистемах с комбинированным энергопитанием

3.4. Модернизация системы подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) машиностроительного предприятия

3.4.1. Система подачи СОТС, используемая на машиностроительных предприятиях

3.4.2. Модернизированная система подачи СОТС с регулятором расхода жидкости

3.5. Выводы

ГЛАВА IV. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ДИНАМИКИ ГИДРОСИСТЕМ С НЕВЕТРОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ И РЕГУЛЯТОРОМ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

4.1. Гидросистема для подачи жидкости с энергопитанием от электродвигателя

4.1.1. Уравнения динамики

4.1.2. Устойчивость

4.2. Гидросистема для подачи жидкости с энергопитанием от ДВС

4.2.1. Уравнения динамики

4.2.2. Устойчивость

4.3. Гидропривод с гидромотором и энергопитанием от электродвигателя

4.3.1. Уравнения динамики

4.3.2. Устойчивость

4.4. Гидропривод с гидромотором и энергопитанием от ДВС

4.4.1. Уравнения динамики

4.4.2. Устойчивость

4.5. Гидропривод с гидроцилиндром и энергопитанием от электродвигателя

4.5.1. Уравнения динамики

4.5.2. Устойчивость

4.6. Гидропривод с гидроцилиндром и энергопитанием от ДВС

4.6.1. Уравнения динамики

4.6.2. Устойчивость

4.7. Выводы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление и устойчивость систем с ветродвигателем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время в мире всё большее внимание уделяется использованию дешёвых экологически чистых возобновляемых видов энергии, в том числе энергии ветра.

Ветродвигатели, в отличие от других видов двигателей, работают всегда при переменных внешних условиях, зависящих не только от нагрузки, но и от интенсивности ветрового потока. При недостаточной скорости ветра ветродвигатель не может обеспечить нормальное функционирование системы. Поэтому обычно используется комбинированное энергопитание от ветрового и неветрового двигателей.

Таким образом, при использовании механических систем с ветродвигателем возникают проблемы:

- управления ветродвигателем для обеспечения нормального функционирования системы;

- обеспечения устойчивости динамики системы;

- учёта упругости вала, передающего крутящий момент от ветродвигателя насосу, если вал имеет значительную длину;

- разработки автоматической системы управления для осуществления совместной работы ветрового и неветрового двигателей при комбинированном энергопитании.

В данной работе эти проблемы рассмотрены применительно к системе, в которой для вращения насоса дополнительно применяется ветродвигатель. Для привода насосов источником энергии обычно служат электрические или тепловые двигатели. Более 20 % всей вырабатываемой в мире электроэнергии затрачивается на привод различных насосов. Поэтому использование ветронасосных агрегатов, позволяющих снизить затраты на электрическую, тепловую энергию, уменьшить количество экологически вредных отходов горения органического топлива, является перспективным направлением.

В гидравлических системах существует необходимость управления (регулирования) расходом жидкости, подаваемой потребителю. В гидроприводах путём изменения расхода жидкости осуществляется управление скоростью движения выходного звена гидродвигателя (скоростью движения поршня гидроцилиндра или частотой вращения вала гидромотора). Наиболее экономичным является управление расходом жидкости за счёт изменения частоты вращения двигателя насоса.

Разработкой систем автоматического управления ветродвигателями, вопросами математического моделирования и исследования устойчивости их динамики занимались Н.Е. Жуковский, Г.Х. Сабинин, ЯМ. Шефтер, В.Н. Андрианов, Де Рензо, Е. воШи^, К.П. Вашкевич, В.Н. Кол один, Н.В. Красовский, В.А. Орлов, Ф.Д. Байрамов и другие.

В исследованиях по динамике и управлению ветродвигателями нагрузка, подключённая к нему, учитывалась в упрощённом виде как простое сопротивление, изменяющееся по времени или зависящее только от угловой скорости вращения вала двигателя, т.е. по сущности исследовалась устойчивость собственно ветродвигателя с его регулятором без учёта динамики нагрузки. Задачи управления, моделирования и обеспечения устойчивости функционирования ветродвигателя с учётом динамики всех звеньев системы остаются мало изученными. Решению этих актуальных задач и посвящена данная диссертационная работа.

Объектом исследования является механическая система, состоящая из роторного ветродвигателя с вертикальной осью вращения, насоса, трубопровода и устройства, потребляющего подаваемую жидкость.

Предметом исследования являются методы автоматического управления ветродвигателем и исследования устойчивости динамики гидросистемы с ветронасосным агрегатом.

Цель исследований:

- разработка автоматических систем управления роторным ветродвигателем для обеспечения заданного расхода жидкости и методов

исследования устойчивости динамики гидросистемы с ветронасосным агрегатом;

- разработка автоматических систем управления расходом при комбинированном энергопитании.

В работе поставлены и решены следующие задачи исследования:

- разработка методов построения уравнений и исследования устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от ветродвигателя, в том числе, с учётом упругости передаточного вала между двигателем и насосом;

- разработка принципиальных схем гидросистем и гидроприводов с автоматическим регулированием расхода жидкости за счёт изменения частоты вращения вала двигателя насоса;

- разработка автоматических систем управления расходом жидкости в гидросистемах и гидроприводах при комбинированном энергопитании;

- разработка модернизированной системы подачи смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) машиностроительного предприятия с регулятором расхода жидкости;

- составление уравнений и исследование устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя или ДВС.

Методы исследований. Включают в себя методы классической механики, подходы и методы математического моделирования динамических систем, теории автоматического управления и устойчивости движения.

Достоверность полученных результатов. Моделирование основано на фундаментальных законах и общепринятых положениях механики, гидравлики, теории автоматического управления. Достоверность результатов подтверждается корректным применением математического

аппарата, экспериментальными данными и численным моделированием динамики гидросистемы.

Личный вклад автора состоит в формулировке задач; моделировании и исследовании динамики, разработке принципиальных схем гидросистем и гидроприводов с автоматическим управлением расходом жидкости; разработке гидросистем с комбинированным энергопитанием; участии в изготовлении и экспериментальном исследовании опытных образцов роторных ветродвигателей.

Научная новизна:

- разработаны методы построения уравнений и исследования устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с ветродвигателем, в том числе, с учётом упругости передаточного вала между двигателем и насосом. В отличие от других работ здесь учитывается динамика насоса, жидкости в трубопроводе, регулятора расхода и гидродвигателя;

- разработан метод автоматического регулирования расхода жидкости в гидросистемах и гидроприводах путём управления ветродвигателем насоса, отличающийся тем, что изменение частоты вращения вала двигателя происходит по принципу обратной связи с применением регулятора расхода жидкости;

- предложен метод автоматического поддержания расхода жидкости в гидросистемах и гидроприводах с комбинированным энергопитанием при совместной работе ветродвигателя с электродвигателем или ДВС;

- построены уравнения и определены условия устойчивости динамики гидросистем и гидроприводов с регулятором расхода жидкости и энергопитанием от электродвигателя или ДВС.

Практическая ценность работы:

- разработаны системы автоматического регулирования расхода жидкости, которые позволяют управлять расходом подаваемой жидкости в гидросистемах или скоростью движения выходного звена гидроприводов;

- внедрение гидросистем и гидроприводов с ветронасосным агрегатом позволяет снизить энергетические затраты и способствует сохранению экологической чистоты окружающей среды;

- разработаны автоматические системы поддержания расхода жидкости при комбинированном энергопитании, позволяющие существенно снизить затраты на электроэнергию или на топливо для ДВС;

- проведена модернизация системы подачи СОТС, используемой на машиностроительных предприятиях, путём включения в её состав регулятора расхода жидкости;

- результаты диссертации могут быть использованы при исследовании устойчивости динамики различных механических систем с ветродвигателем, в том числе, систем, содержащих звенья с распределёнными параметрами.

Реализация результатов. Результаты исследований переданы в ОАО «КАМАЗ» для подготовки технической документации по модернизации системы циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств. Они также используются в учебном процессе Набережночелнинского института (филиала) Казанского (Приволжского) федерального университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на международной научно-технической и образовательной конференции (Наб. Челны, 2010), межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Камские чтения» (Наб. Челны, 2009, 2011), XV международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2011), X международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2012), а также на научных семинарах кафедры «Теоретическая механика и сопротивление материалов» (20092012) Набережночелнинского института (филиала) Казанского (Приволжского) федерального университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, 4 из которых - в журналах, рекомендованных ВАК, 4 - обсуждались на международных конференциях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, 41 рисунка. Полный объём диссертации составляет 115 страниц машинописного текста.

ГЛАВА I. ВЫБОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДА НАСОСА.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ГИДРОСИСТЕМ И ГИДРОПРИВОДОВ С ВЕТРОНАСОСНЫМ

АГРЕГАТОМ И РЕГУЛЯТОРОМ РАСХОДА ЖИДКОСТИ

1.1. Существующие ветродвигатели. Выбор ветродвигателя для привода насоса

Машина, предназначенная для преобразования энергии ветра в какой-либо другой вид энергии, называется ветроэнергетической установкой (ВЭУ). Как любая машина ВЭУ достоит из ветродвигателя, передачи и исполнительных органов. В качестве передачи могут быть использованы механическая передача, электрический, пневматический или гидравлический приводы. Исполнительными органами ВЭУ могут быть генераторы электрического тока, насосы, компрессоры и другие механизмы.

Рабочим. органом ветродвигателя является ветроприёмное устройство. Несмотря на то, что в мире предложены ветроприёмные устройства многих типов, к настоящему времени практическое применение получили только ветроколесо и ротор.

Ветроколесо представляет собой ступицу, на которой закреплены лопасти под некоторым углом к оси вращения колеса (рис. 1.1).

Ось вращения ветроколеса расположена в горизонтальной плоскости параллельно скорости ветрового потока. Ветроколесо может иметь различное число лопастей (рис. 1.2).

Ротор представляет собой вал, на котором закреплены профилированные лопасти. Ось вращения ротора расположена вертикально (см. рис. 1.1).

Ветродвигатели, в которых в качестве рабочего органа используется ротор, называются роторными; ветродвигатели с рабочим органом в виде

ветроколеса называются крыльчатыми или пропеллерными.

а) б)

Рисунок 1.1. Ветроприёмные устройства:

а - ротор; б - ветроколесо

Рисунок 1.2. Ветроколесо:

а - двухлопастное; б - трёхлопастное; в - многолопастное

Роторные ветродвигатели работают следующим образом. Ветровой поток создаёт силу давления на вогнутую сторону лопасти намного больше, чем на выпуклую сторону. За счёт этой разности давления возникает вращающий момент и начинается вращение вала ветродвигателя. У роторных ветродвигателей вокруг ротора могут быть установлены направляющие (см.рис.1.3). Направляющие не требуют ориентации по направлению ветра. Откуда бы не дул ветер, он всегда попадёт только на одну из сторон ротора. Таким образом, использование вогнутых лопастей либо установка направляющих позволяет не использовать систему ориентации по ветру.

В настоящее время широко распространены крыльчатые ветродвигатели. Это объясняется тем, что они работают на подъёмной силе и обладают сравнительно высоким значением коэффициента использования энергии ветра (£тах «0,45) и большой угловой скоростью вращения ветроколеса. Коэффициентом использования энергии ветра £ называется отношение

N.

где N - мощность, развиваемая ветродвигателем; Ыв - мощность ветрового потока, обтекающего ветроприёмник.

Основными компонентами крыльчатых ветродвигателей являются ветроколесо, механизм ориентации головки с ветроколесом на ветер, система автоматического регулирования частоты вращения вала ветроколеса.

На мощность ветродвигателя значительно влияют число и диаметр лопастей ветроколеса. Увеличение мощности ветродвигателя достигается увеличением диаметра и числа лопастей, при котором возрастает вращающий момент двигателя, или повышением угловой скорости вращения. Однако количество лопастей и быстроходность ветроколеса находятся в обратной зависимости, чем больше лопастей на колесе, тем

медленнее оно вращается.

Быстроходные ветродвигатели имеют одно-, двух-, трёхлопастные колёса и в основном используются для выработки электроэнергии. Большая угловая скорость вращения позволяет соединить вал ветродвигателя непосредственно с валом широко распространённого высокооборотного генератора электрического тока. Для получения больших вращающих моментов выпускают сравнительно тихоходные многолопастные ветродвигатели.

Ветроколесо может работать с наветренной стороны опоры (перед опорой ВЭУ) или с подветренной стороны (за опорой). Расположение ветроколеса за опорой представляет собой более устойчивую схему к изменениям направления ветра. Однако, такой способ расположения ветроколеса имеет свой недостаток, который заключается в том, что лопасти, проходя при каждом обороте в аэродинамической тени опоры, работают в неблагоприятных условиях для их прочности, подвергаясь переменной ударной нагрузке [28].

За рубежом были также рассмотрены ветродвигатели с несколькими ветроколёсами, расположенными на одной башне. Однако, такие ветродвигатели не нашли широкого применения по экономическим соображениям. При одинаковой мощности стоимость ветродвигателя с несколькими ветроколёсами выше, чем с одним колесом [28].

В крыльчатых ветродвигателях требуется система ориентации на ветер, чтобы ось вращения ветроколеса постоянно была направлена вдоль скорости ветра. Автоматический поворот головки с ветроколесом на ветер может производиться: а) хвостовым крылом - стабилизатором, б) виндрозами, в) сервосистемой, управляемой флюгерным датчиком, г) путём установки ветроколеса за опорой.

У ветродвигателей малой мощности поворот головки производится с помощью хвостового крыла. Оно крепится к головке сзади ветроколеса и работает как флюгер, поворачивая головку по направлению ветра. Для

ветродвигателей средней и большой мощности поворот с помощью хвоста не применяется, так как последний получился бы слишком громоздким. Для поворота головки ветродвигателей средней мощности часто применяются виндрозы, представляющие собой многолопастные ветроколёса небольшого диаметра, располагаемые сбоку головки под прямым углом к основному ветроколесу. У ветродвигателей большой мощности поворот головки производится электрическим или гидравлическим приводом, управляемым флюгерным датчиком. На ветродвигателе небольшой мощности при работе ветроколеса с подветренной стороны опоры поворот головки с ветроколесом на ветер может происходить без специальных устройств. В этом случае ветроколесо, благодаря вылету относительно вертикальной оси вращения головки, само работает как флюгер.

Регулирование частоты вращения пропеллерных ВЭУ проводится посредством поворота лопастей или их концов относительно продольной оси с помощью центробежных регуляторов или регуляторов, использующих аэродинамические силы.

Момент сопротивления повороту лопастей увеличивается с увеличением размеров ветродвигателя. Следовательно, увеличивается требуемая мощность регулятора. Но делать слишком большие регуляторы нецелесообразно из-за громоздкости и сложности их выполнения. Поэтому в более крупных ВЭУ применяют регуляторы с электро- или гидроусилителями между регулятором и ветроколесом.

Применение поворотных лопастей усложняет конструкцию, поэтому конструкторы стремятся вообще отказаться от регуляторов поворота лопастей или существенно упростить их. Это привело к созданию ветроколеса с жёстко закрепленными лопастями, состоящими из нескольких секций и обладающими свойством аэродинамического саморегулирования. Применение этих ветроколёс улучшает конструкцию агрегата и повышает его эксплуатационную надёжность. Такие

ветроколёса используются в некоторых современных зарубежных ветродвигателях большой мощности [28].

Несмотря на широкое распространение крыльчатые ветродвигатели имеют существенные недостатки:

- сложные и дорогие системы ориентации на ветер, регулирования частоты вращения и съёма энергии. Механизмы ориентации и регулирования, как правило, находятся высоко над землёй, что усложняет техническое обслуживание персоналом;

- высокие и массивные опорные башни, составляющие почти половину всего веса ВЭУ;

- дороговизна изготовления лопастей;

- высокая шумность;

- очень малая мощность при сравнительно малой скорости ветра 5-7 м/с.

В связи со сказанным в последнее время всё больше проявляется интерес к роторным ветродвигателям с вертикальной осью вращения.

С целью повышения эффективности, безопасности и бесшумности в роторном ветродвигателе с вертикальной осью вращения вокруг ротора предлагается установить направляющие воздушного потока [75]. Схема такого ветродвигателя показана на рис. 1.3.

Ротор 1 с вогнутыми лопастями 3 установлен на валу 4 и вращается внутри статора-воздухозаборника с направляющими 5. Последние предназначены для направления воздушного потока только на вогнутую сторону лопастей ротора, исключая сопротивление потока на лопасти, идущие против ветра. Применение воздухозаборника с направляющими заметно повышает эффективность двигателя. Для регулирования (прекращения) поступления ветра в ротор установлены жалюзи 6.

Рисунок 1.3. Схема роторного ветродвигателя:

1 - ротор; 2 - статор; 3 - лопасти ротора; 4 - вал ротора;

5 - направляющие статора; 6 - жалюзи

Недостатком роторных ветродвигателей является их тихоходность. Вместе с тем, роторные ветродвигатели с воздухозаборником по сравнению с крыльчатыми имеют ряд преимуществ:

- небольшая высота башни;

- отсутствие системы ориентации на ветер, что позволяет использовать приземные ветры, постоянно меняющие своё направление;

- простота изготовления лопастей и направляющих воздухозаборника, в частности, из недорогих полимерных материалов;

- возможность расположения исполнительных органов ВЭУ на земле за счёт вертикальной оси. Это очень важно, когда исполнительным органом является насос. Так как, если расположить насос на башне, то

высота всасывания увеличивается. Когда давление, создаваемое столбом жидкости, находящимся перед насосом, сравняется с атмосферным, насос перестанет качать жидкость;

- возможность работы при достаточно больших, почти ураганных, и малых скоростях (со среднегодовой скоростью 2 - 5 м/с) ветра;

- безопасность и абсолютная бесшумность, а, следовательно, возможность размещения вблизи производственных и жилых зданий;

- сравнительно небольшая стоимость.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее подходящим для привода насосов в гидравлических системах является роторный ветродвигатель с воздухозаборником. Мощность ветродвигателя можно повышать за счёт увеличения площади лопасти и наращивания количества модулей.

Один модуль роторной ВЭУ в сборе показана на рис. 1.4.

Рисунок 1.4. Роторная ВЭУ:

1 - ветродвигатель; 2 - насос; 3 - вертикальный вал; 4 - опора

Для защиты вала и насоса от атмосферных воздействий и для безопасности вал 3 с насосом находятся внутри опоры 4.

1.2.1. Уравнения динамики гидросистемы для подачи жидкости

При разработке автоматизированных гидросистем с регулятором расхода жидкости требуется измерить текущее значение этого расхода. В настоящее время на практике в основном -используются следующие расходомеры, измеряющие мгновенные значения расхода жидкости в трубопроводах [35, 77]:

- дроссельные;

- электромагнитные индукционные.

Дроссельный расходомер измеряет расход жидкости косвенно путём измерения перепада давления в сужающих (дроссельных) устройствах, установленных в трубопроводе. Сужающие устройства могут выполняться в виде диафрагмы, сопла или трубки Вентури. Наибольшее распространение в силу простоты получили диафрагмы.

Измерение расхода методом сужения потока состоит в следующем (рис. 1.5).

Рисунок 1.5. Принцип действия дроссельного расходомера:

С - расход; Р1и Р2— статическое давление соответственно до и после дроссельного устройства.

Если на пути движения потока жидкости в трубопроводе поставить диафрагму, сопло или трубу Вентури, то в месте сужения потока часть потенциальной энергии переходит в кинетическую и статическое давление жидкости падает, а затем почти полностью восстанавливается в последующих сечениях при расширении потока.

Невосстанавливающаяся потеря давления возникает вследствие расходования части потенциальной энергии на преодоление сил трения и на вихреобразование в мертвых зонах перед проходом и после прохода потока через суженное сечение. Изменение давления жидкости при прохождении ею сужающего устройства, т. е. перепад давления, служит мерой её расхода.

Ввиду высокой точности (чувствительности), способности создать необходимые усилия на штоке мембраны (см. рис. 1.6) и удобства дроссельные расходомеры получили большое распространение. Более того, в большинстве случаев они являются единственно приемлемыми.

Электромагнитный индукционный расходомер основан на эффекте индукции и может применяться только в случае токопроводящих жидкостей. Второй большой недостаток такого расходомера состоит в том, что электрический выходной сигнал измерителя слишком слаб и требует громоздкой усилительной аппаратуры.

Принципиальная схема гидросистемы, для подачи жидкости потребителю показана на рис.1.6. Она состоит из роторного ветродвигателя с воздухозаборником 1 (см. рис. 1.3), передаточного вала 4, соединительных муфт 2 и 3, насоса 5, трубопровода для подачи жидкости потребителю 6 и регулятора расхода жидкости. Последний включает в себя датчик расхода 8, дифференциальный преобразователь с упругой мембраной 10, рычажную систему 11 и жалюзи 6(рис.1.3).

Регулятор расхода работает следующим образом. Датчик расхода измеряет расход жидкости косвенно через перепад давления в сужающем устройстве, установленном в трубопроводе. Далее дифференциальный

преобразователь преобразовывает эту разность давления в перемещение мембраны. Шток мембраны через рычажную систему управляет положением жалюзи (см. рис. 1.3), уменьшая или увеличивая расход воздушного потока, поступающего в ротор двигателя через воздухозаборник. Таким образом, осуществляется регулирование расхода потребляемой жидкости. Значение расхода жидкости в номинальном режиме устанавливается пружинным задатчиком 9.

1 11 10 9

Рисунок 1.6. Схема гидросистемы с регулятором расхода жидкости:

1 - роторный ветродвигатель с воздухозаборником; 2 и 3 - соединительные муфты;

4 - передаточный вал; 5 - насос; 6 — напорный трубопровод; 7 - потребитель; 8 - датчик расхода; 9 — задатчик; 10 - дифференциальный преобразователь давления; 11 - рычажная система привода жалюзи; 12 - источник жидкости

Здесь для получения уравнений динамики гидросистемы в целом

нужно составить уравнения динамики следующих звеньев: ветродвигателя I, насоса 5, трубопровода для подачи жидкости потребителю б, датчика расхода жидкости 8 с дифференциальным преобразователем давления 10, жалюзи с рычажной системой 11.

Ветродвигатель. Динамика ветродвигателя описывается уравнением

J^ = Me-Mui (1.2.1)

at

где ан - угловая скорость вала ветродвигателя {секх); Jи - суммарный момент инерции всех тел, кинематически связанных с вращением вала ротора ветродвигателя (Н -м-с2); Мв - крутящий момент ветродвигателя {Н • м)\ Мп - момент сопротивления, создаваемый насосом (Н • м). В номинальном режиме

сов = й)д, = const (1.2.2)

(здесь и далее индекс * указывает на значение величин в номинальном режиме) и имеет место следующее уравнение статики

-Л^«, = Ми, = М„= const, (1.2.3)

выражающее баланс моментов (закон сохранения энергии). Так как в малых отклонениях от номинального режима сои ~ a>iit + ДбУ;, Мв - Met + АМд, Мп = Miit + ДМ , то, учитывая (1.2.2), (1.2.3), из (1.2.1) получим уравнение динамики ветродвигателя в отклонениях от номинального режима в виде:

Уй^ = ДМв-ЛМ. (1.2.4)

at

Чтобы найти изменения моментов ДМЯ и АМи, необходимо знать сами моменты М и М .

в н

Момент Мв, создаваемый ветродвигателем, является нелинейной функцией от угловой скорости сов вращения его вала, скорости V ветра, угла поворота в жалюзи воздухозаборника.

Выражение для Мв получено в работе [97], но без учета изменения угла поворота жалюзи. Поэтому приведём уточнённый вывод этого выражения с учётом изменения угла в.

Для определения Мв найдём равнодействующую Р распределённых сил давления ветра на изогнутую лопасть (рис. 1.7), применяя теорему об изменении количества движения [105] объёма воздуха, производящего давление на лопасть в относительном движении (относительно вращающейся лопасти), за некоторый малый промежуток времени At. Масса этого объёма воздуха определяется формулой

т = р-У \8-8жь\пв)-М, где р - плотность воздуха; £ - площадь проекции лопасти на плоскость, перпендикулярную оси X; Бж - поперечная площадь жалюзи. На указанный объём воздуха действуют следующие внешние силы: сила тяжести С, реакция лопасти Я, направленная противоположено оси X и приложенная в центре давления. Действие остальной части воздушного потока на выделенный объём ввиду его незначительности не учитывается.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Байрамов, Булат Фаритович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамов, Е.И. Элементы гидропривода: Справочник. 2-е изд., перераб. / Е.И. Абрамов, К.А. Колесниченко, В.Т. Маслов. - Киев: Техника, 1977.-320с.

2. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Соломенцев [и др.] -М.: Машиностроение, 1980. - 536с.

3. Андрианов, В.М. Ветроэлектрические станции / Андрианов В.М., Быстрицкий Д.П. [и др.] - Л.: 1960. - 320с.

4. Анхимюк, В.Л. Теория автоматического управления / Анхимюк В.Л. -Минск: Вышэйшая школа, 1979. - 351с.

5. Бабкин, А.И. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками / Бабкин А.И., Белов С.И., Рутовский П.В., Соловьёв Е.В. - М.: Машиностроение, 1978. - 328с.

6. Байрамов, Б.Ф. Автоматизированные гидравлические системы подачи жидкости с ветронасосным агрегатом / Б.Ф.Байрамов // Камские чтения: Сборник материалов 1-й межрегиональной научно-практиче.ской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Набережные Челны, 2009. - С. 11-14.

7. Байрамов, Б.Ф. Математическое моделирование и устойчивость гидравлической системы с ветронасосным агрегатом / Байрамов Б.Ф., Байрамов Ф.Д., Мардамшин И.Г. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, №4, Казань, 2009. - С.42-47.

8. Байрамов, Б.Ф. Исследование функционирования гидравлических систем с управляемым ветронасосным агрегатом / Байрамов Б.Ф. // Образование и наука - производству. Сборник трудов международной научно-технической и образовательной конференции, часть I книга 3. Набережные Челны, 2010. - С. 14-17.

9. Байрамов, Б.Ф. Гидросистема с автоматическим регулятором расхода потребляемой жидкости и исследование её динамики / Б.Ф.Байрамов

// Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. - Набережные Челны: ИНЭКА, №4, 2011. - С.33-36.

10. Байрамов, Б.Ф. Автоматизированная система управления гидроприводом с ветронасосным агрегатом / Б.Ф.Байрамов // Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. - Набережные Челны: ИНЭКА, №4, 2011. - С.78-81.

11. Байрамов, Б.Ф. Автоматизированный гидропривод с управляемым приводящим двигателем // Камские чтения: Сборник материалов 3-й межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. Набережные Челны, 2011. - С. 11 -14.

12. Байрамов, Б.Ф. Гидропривод с автоматически регулируемым ветронасосным агрегатом и исследование его динамики / Б.Ф.Байрамов // Материалы и технологии XXI века. Сборник статей X международной научно-технической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - С.38-41.

13. Байрамов, Б.Ф. Система автоматизированного регулирования скорости выходного звена гидропривода и исследование её динамики / Байрамов Б.Ф. // Научно-технический вестник Поволжья, Казань, 2012. -№1. - С.80-84.

14. Байрамов, Б.Ф. Система подачи смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с автоматизированным регулированием расхода жидкости / Байрамов Б.Ф.// Социально-экономические и технические системы, http// sets.ru/base/62nomer /baj ramo v/1.pdf. 2012. - №2. - 5c.

15. Байрамов, Б.Ф. Использование гидропривода с автоматизированным регулятором расхода жидкости в отрезных и шлифовальных станках / Байрамов Б.Ф. // Социально-экономические и технические системы. http//sets.ru/ base/62nomer/bajramov2/l.pdf. 2012. - №2. - 6с.

16. Байрамов, Б.Ф. Исследование динамики гидравлических систем с ветронасосным агрегатом / Байрамоц Б.Ф., Байрамов Ф.Д., Мардамшин И.Г. // Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник / Камская государственная инженерно-экономическая академия. - Набережные Челны, 2008. -№12.-С.106-111.

17. Байрамов, Б.Ф. Динамика и устойчивость гидропривода с автоматизированной системой регулирования скорости выходного звена гидродвигателя / Байрамов Б.Ф. // Современные технологии в машиностроении: Сборник статей XV международной научно-практической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011.— С.183-186.

18. Байрамов, Ф.Д. Исследование функционирования гидравлических систем с ветронасосным агрегатом / Байрамов Ф.Д., Мардамшин И.Г. // Изв. вузов. Авиационная техника. - Казань, 2008. - № 3. - С.59-62.

19. Байрамов Ф.Д. Гидропривод с автоматическим регулятором скорости выходного звена гидропривода и исследование её динамики / Байрамов Б.Ф., Байрамов Ф.Д. // Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. - Набережные Челны: ИНЭКА, №4, 2011. - С.37-41.

20. Байрамов, Ф.Д. Автоматизация и исследование динамики процесса регулирования скорости выходного звена гидропривода с ветронасосным агрегатом / Байрамов, Ф.Д., Байрамов Б.Ф., Фардеев

A.Р.// Вестник ИжГТУ, Ижевск, 2012. - №1. - С.37-40.

21. Башта, Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика / Башта Т.М. -М.: Машиностроение, 1972. - 320с.

22. Башта, Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем / Башта Т.М. - М.: Машиностроение, 1974. - 606с.

23. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования /

B.А. Бесекерский, Е.П. Попов. -М.: Наука, 1972. - 768с.

24. Богданович, Л.Б. Объемные гидроприводы: Вопросы проектирования / Богданович Л.Б. - Киев: Техника, 1971. - 156с.

25. Бойчук, Л.М. Оптимальные системы автоматического регулирования / Бойчук Л.М. - Киев: Энергия, 1965. - 82с.

26. Бухгольц, H.H. Основной курс теоретической механики. Часть 11 / Бухгольц H.H. - М.: Наука, 1972. - 452с.

27. Бэтчелор, Дж. Введение в динамику жидкости / Бэтчелор Дж. - М.: МИР, 1973.-758с.

28. Ветроэнергетика / Под редакцией Де Рензо; перевод с английского В.В. Зубарева и М.О. Франкфурта. - М.: Энергоатомиздат, 1982. -271с.

29. Вильнер, Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Под общей редакцией Б.Б. Некрасова. - Минск: Вышэйшая школа, 1985. -382с.

30. Войткунский, Я.Н. Гидромеханика: Учебное пособие / Войткунский Я.Н., Фадеев Ю.И., Федяевский К.К. - Л.: Судостроение, 1982. -555с.

31. Воронов, A.A. Теория автоматического управления / Воронов A.A. -М.: Высшая школа, 1986. - 368с.

32. Галимов, Н.С. Автоматизированные системы производства сжатого воздуха и электроэнергии с применением ветроустановок / Галимов Н.С. - СПб.: Издательство Инфо-да, 2004. - 215с.

33. Гамынин, Н.С. Гидравлический привод систем управления / Гамынин Н.С. - М.: Машиностроение, 1972. - 376с.

34. Герц, Е.В. Пневматические приводы / Герц E.B. - М.: Машиностроение, 1969.-360с.

35. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта [и др.]. - М.: Машиностроение, 1982.-423с.

36. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник / Под редакцией В.А. Васильченко. -М.: Машиностроение, 1983. - 301с.

37. Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Объёмные гидро- и пневмомашины и передачи / Под редакцией В.В. Гуськова. - Минск: Вышэйшая школа, 1987. - 3 Юс.

38. Гидропривод. Основы и компоненты: учебное пособие по гидравлике. Bosch-Rexroth. Том 1. - 2004. - 322с.

39. Данилов, Ю.А. Аппаратура объемных гидроприводов/ Данилов Ю.А., Кирилловский IO.JL, Колпаков Ю.Г. - М.: Машиностроение, 1990. -272с.

40. Денисов, A.A. Теория больших систем управления: Учебн. пособие для вузов / A.A. Денисов, Д.Н. Колесников. - JL: Энергоиздат, 1982. -288с.

41. Долгачёв, Ф.М. Основы гидравлики и гидропривод / Ф.М. Долгачёв, B.C. Лейко-М.: Стройиздат, 1981. - 183с.

42. Дурнов, Г.И. Насосы, вентиляторы, компрессоры / Дурнов Г.И. -Киев; Одесса: Вища шк., 1985. - 262с.

43. Егоров, К.В. Основы теории автоматического регулирования: Учебн. пособие для вузов / Егоров K.B. - М.: Энергия, 1967. - 648с.

44. Ерофеев, A.A. Теория автоматического управления / Ерофеев A.A. -СПб.: Политехника, 2001. - 302с.

45. Жерехов, В.В. Экспериментальные исследования характеристик ветроколес с вертикальной осью вращения / В.В. Жерехов, О.Т. Джанибеков // Эффективные энергетические системы и новые технологии: материалы 1 Международной научно-практической конференции, Казань, 2001 г. - Казань, 2001. - С.629-633.

46. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам: Учебное пособие / Под редакцией Б.Б. Некрасова. - М.: Высшая школа, 1989. -245с.

47. Зайченко, И.З. Пластинчатые насосы и гидромоторы / И.З. Зайченко,

JT.M. Мышлевский - М.: Машиностроение, 1970. - 231с.

48. Зимодро, А.Ф. Основы автоматики / А.Ф. Зимодро, Г.Л. Скибинский -Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 160с.

49. Зубарев, В.В. Использование энергии ветра в районах севера / Зубарев В.В. - Л.: Наука, 1989. - С.6-34.

50. Иващенко, H.H. Автоматическое регулирование / Иващенко H.H. -М.: Машиностроение, 1978. - 736с.

51. Казиев, В.Г. Гидроприводы в промышленности // Оборудование. -2006. -№11 (119).-С.35-41.

52. Касаткин, A.C. Электротехника: Учебное пособие для вузов / А.С.Касаткин, М.В.Немцов-М.: Энергиатомиздат, 1983. -440с.

53. Карасев, Б.В. Насосные и воздуходувные станции / Карасев Б.В. -Минск: Вышэйшая школа, 1990. - 326с.

54. Киселев, П.Г. Гидравлика / Киселев П.Г. - М.: Энергия, 1980. - 360с.

55. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин / Копылов И.П. - М.: Высш.шк., 1987. - 248с.

56. Коротаев, Э.И. Автоматизация управления в технологических системах / Э.И. Коротаев, A.B. Кутышкин, А.Г. Схиртладзе. -Барнаул: Алтайский ГТУ, 1996. - 187с.

57. Коротаев, Э.И. Автоматика линейных систем в машиностроении / Э.И. Коротаев, A.B. Кутышкин, А.Г. Схиртладзе. - Барнаул: Алтайский ГТУ, 1995. - 188с.

58. Крассов, И.М. Гидравлические элементы в системах управления / Крассов И.М. - М.: Машиностроение, 1967- - 255с.

59. Кривчинко, Г.И. Гидравлические машины / Кривчинко Г.И. - М.: Энергия, 1978.-320с.

60. Крутов, В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания: Учебник для студентов вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. / Крутов В.И. - М.: Машиностроение, 1989. -416с.

61. Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу / Под общ. редакцией Я.М. Вильнера. - Минск: Вышэйшая школа, 1980. - 224с.

62. Лепешкин, A.B. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебное пособие. Часть 1. Основы механики жидкости и газа / Лепешкин A.B., Михайлин A.A., Шейпак A.A. - М.: МГИУ, 2005. - 192с.

63. Лепешкин, A.B. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебное пособие. Часть 2. Гидравлические машины и гидропневмопривод / Лепешкин A.B., Михайлин A.A., Шейпак A.A. - М.: МГИУ, 2005. - 352с.

64. Литвин-Седой, М.З. Гидравлический привод в системах автоматики / Литвин-Седой М.З.-М.: Машгиз, 1956.-312с.

65. Лятхер, В.М. Перспективы и направления работ по созданию мощных ветровых электростанций // Сборник научных трудов Гидропроекта. - 1988. - Вып. 129: Ветроэнергетические станции. -С.5-22. '

66. Малкин, И.Г. Теория устойчивости движения / Малкин И.Г. - М.: Наука, 1966.-530с.

67. Машиностроительный гидропривод / Л.А. Кондаков [и др.]; Под редакцией В.Н. Прокофьева. - М.: Машиностроение, 1978. - 495с.

68. Моль, Р. Гидропневмоавтоматика: Пер. с франц. / Моль Р. - М.: Машиностроение, 1975.-352с.

69. Навроцкий, К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов / Навроцкий К.Л. -М.: Машиностроение, 1991. - 384с.

70. Надежность объемных гидроприводов и их элементов / Ю.А. Беленков [и др.]. - М.: Машиностроение, 1977. - 167с.

71. Никитин, О.Ф. Объемные гидравлические и пневматические приводы / О.Ф. Никитин, K.M. Холин. -М.: Машиностроение, 1981. -267с.

72. Осипов, А.Ф. Объемные гидравлические машины. Основы теории и расчет гидродинамических и тепловых процессов / Осипов А.Ф. - М.: Машиностроение, 1966. - 160с.

73. Основы автоматизации управления производством: Учебн. пособие для вузов / И.М. Макаров [и др.] : Под общ. редакцией И.М. Макарова. - М.: Высшая школа, 1983. - 504с.

74. Основы теории и'Конструирования объемных гидропередач / A.B. Кулагин [и др.] - М.: Высшая школа, 1967. - 400с.

75. Патент на изобретение №2168060. РФ, МПК7 F03D3/04. Ветроустановка / Байрамов Ф.Д., Галимов Н.С., Ибрагимов Р.Ф. // Б. И.-2001.-№15.

76. Первозванский, A.A. Курс теории автоматического управления / Первозванский A.A. - М.: Наука, 1986. - 616с.

77. Попкович, Г.С. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения / Г.С. Попкович, М.А. Гордеев. - М.: Высшая школа. 1986.-392с.

78. Попкович, Г.С. Автоматизация систем водоснабжения и канализации /Г.С. Попкович, A.A. Кузьмин-М.: Стройиздат, 1983. - 151с.

79. Попов, Д.Н. Динамика и регулирование, гидро- и пневмосистем / Попов Д.Н. - М.: Машиностроение, 1976. - 424с.

80. Попов, Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления / Попов Е.П. - М.: Наука, 1988. - 256с.

81. Свешников, В.К. Гидрооборудование: Международный справочник. Книга 1. Насосы и гидродвигатели: Номенклатура, параметры, размеры,, взаимозаменяемость / Свешников В.К. - Изд. «Техинформ» МАИ, 2001. - 360с.

82. Свешников, В.К. Гидрооборудование: Международный справочник. Книга 2. Гидроаппаратура: Номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость / Свешников В.К. - Изд. «Техинформ» МАИ, 2002. - 508с.

83. Свешников, В.К. Гидрооборудование: Международный справочник. Книга 3. Вспомогательные элементы гидропривода: Номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость / Свешников В.К. — Изд.

«Техинформ» МАИ, 2003. - 445с.

84. Свешников, В.К. Станочные гидроприводы: Справочник / Свешников В.К., Усов А. А. -М.: Машиностроение, 1982. - 464с.

85. Свешников, В.К. Станочные гидроприводы: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. / Свешников В.К. - М.: Машиностроение. 2004. -512с.

86. Скрицкий, В.А. Эксплуатация промышленных гидроприводов / В.А. Скрицкий, В.А. Рокшевский — М.: Машиностроение, 1984. - 176с.

87. Станочное оборудование автоматизированного производства.Т. 1 / Под редакцией В.В.Бушуева. - М.: Изд-во «Станкин»,1993. — 584с.

88. Станочное оборудование автоматизированного производства.Т.2 / Под редакцией В.В.Бушуева. - М.: Изд-во «Станкин»,1994. — 656с.

89. Темный, В.П. Основы гидроавтоматики / Темный В.П. - М.: Наука, 1972.-224с.

90. Терган, B.C. Основы автоматизации производства / B.C. Терган, И.Б. Андреев, Б.С. Либерман. - М.: Машиностроение, 1982. - 270с.

91. Теория автоматического управления / Под редакцией Ю.М. Соломенцева. - М.: Высшая школа, 1984. - 268с.

92. Технологические автоматизированные системы механической обработки. / А.Г. Схиртладзе [и др.]. - Пенза: ПГТУ, 1998. - 207с.

93. Управление технологическими системами в машиностроении / И.В. Абрамов [и др.]. - Ижевск: ИжГТУ, 1995. - 305с.

94. Фардеев, А.Р. Автоматизированная система циркуляции смазочно-охлаждающих технологических средств машиностроительного предприятия с комбинированным энергопитанием // Кандидатская диссертация. — Наб.Челны: Камская государственная инженерно-экономическая академия, 2010. - 126с.

95. Фардеев, А.Р. Патент на полезную модель № 0090042. Ветроэнергоустановка с автоматически регулируемыми лопастями / Ф.Д. Байрамов, Н.С. Галимов, А.Р. Фардеев // Бюллетень изобретений

и полезных моделей. - 2009. - №36.

96. Хайруллин, Р.Г. Перспективы развития ветроэнергетики в климатических условиях Республики Татарстан / Р.Г. Хайруллин, P.C. Абдрахманов. - Казань: 1997. - С.3-32.

97. Хайруллин, С.Р. Моделирование и автоматизация работы технологического агрегата с автономным энергопитанием в машиностроении // Кандидатская диссертация. - Наб. Челны: Камская инженерно-экономическая академия, 2006. - 123с.

98. Холин, K.M. Основы гидравлики и объемные гидроприводы / Холин K.M., Никитин О.Ф. - М.: Машиностроение, 1989. - 264с.

99. Черкасский, В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры / Черкасский В.М. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 415с.

100. Чугаев, P.P. Гидравлика: Учебник / Чугаев P.P. - JL: Энергоатомиздат, 1982. - 672с.

101. Чупраков, Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики / Чупраков Ю.И. - М.: Машиностроение, 1979. - 232с.

102. Чупраков, Ю.И. Основы гидро- и пневмоприводов / Чупраков Ю.И. -М.: Машиностроение, 1966. - 160с.

103. Шефтер, Я.И. Ветроэнергетические агрегаты / Шефтер Я.И. - М.: Машиностроение, 1972. - 288с.

104. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика: Учебник / Штеренлихт Д.В. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 640с.

105. Эпштейн, И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока / Эпштейн И.И. - М.: Энергоиздат, 1982. - 192с.

106. Яблонский, A.A. Курс теоретической механики. Часть 2 / Яблонский A.A. - М.: Высшая школа, 1977. - 392с.

107. Golding, Е. The generation of electricity from the wind / Golding E. // F. N. Spon. - London, 1955.

108. Jagadevlah, T.S. Generation Schemes for Wind Power Plants / Jagadevlah T.S., Smith R.T. // paper presented in the 10th Intersociety Energy

Conversion Engineering Conference (IECEC). - Newark.: Delaware, August, 1975.