Углеволоконные кожухи гондолы и обтекатели ступицы ветрогенераторов: аэро-структурное проектирование для снижения шума и нагрузок

Введение

Когда конструкторы ветрогенераторов говорят о композитных материалах, разговор обычно сосредоточен на лопастях ротора. Однако каждая турбина несет и второе семейство композитных конструкций: кожух гондолы, закрывающий редуктор, генератор и систему рыскания, и обтекатель ступицы, накрывающий роторную ступицу и встраивающий корни лопастей в воздушный поток. На современной мегаваттной турбине это крупные компоненты — кожух гондолы для машины на 5-8 МВт имеет длину 12-18 метров и весит несколько тонн даже в стекловолокне — и они расположены на вершине башни, которая и без того изгибается под тягой ротора. Каждый килограмм массы гондолы воздействует на башню, фундамент и общую стоимость турбины, поэтому углеволокно неуклонно внедряется в эти компоненты.

В этой статье рассматривается, как кожухи гондолы и обтекатели ступицы проектируются с аэро-структурной точки зрения, как углеволокно снижает массу и динамические нагрузки на вершине башни и как их конструкция вносит вклад в снижение шума — экологическое ограничение, которое сегодня определяет значительную часть проектирования ветрогенераторов.

Функции кожуха гондолы и обтекателя ступицы

Кожух гондолы выполняет четыре задачи одновременно. Он является погодным ограждением, защищающим трансмиссию от дождя, снега и соли; он является аэродинамической оболочкой, которая должна минимизировать сопротивление и избегать отрыва потока над вершиной башни; он несет сервисные платформы, освещение и смотровые люки, на которые полагаются техники; и все чаще он является акустическим элементом шумового бюджета турбины. Обтекатель ступицы добавляет пятую функцию: он сглаживает переход воздушного потока от вращающейся ступицы к корням лопастей, снижая аэродинамический шум и потери эффективности, вызванные открытым зазором корня на старых конструкциях. Поскольку оба компонента крупные, тонкостенные и определяются жесткостью, они являются естественными кандидатами для сэндвич-конструкции — и для углеволокна там, где жесткость на килограмм важнее всего.

Выбор материала: углеволокно против стекловолокна

Кожухи гондолы и обтекатели ступицы традиционно изготавливались из стекловолоконного полиэфира или эпоксидной смолы, и стекло остается экономичным вариантом. Углеволокно применяется там, где его более высокий модуль и меньшая плотность дают решающее преимущество по массе или прогибу. Сравнение ниже отражает типичные значения для обшивок кожуха гондолы и основных усиливающих конструкций турбины на 6-8 МВт:

Свойство	E-стекло/эпоксид	Углеволокно/эпоксид	Гибрид углеволокно/стекло
Модуль волокна (ГПа)	72-85	230-294	120-180 (смешанный)
Плотность ламината (г/см³)	1,9-2,0	1,5-1,6	1,6-1,7
Относительная жесткость обшивки при равной массе	1x	в 2,5-3,5 раза	в 1,8-2,5 раза
Типичная масса кожуха, 6-8 МВт (тонн)	4,0-5,5	2,5-3,5	2,8-4,0
Относительная стоимость материала за кг	1x	в 6-10 раз	в 2-4 раза
Типичное применение в гондоле	Внешние обшивки, панели	Основные несущие рамы, локальное усиление	Крупные кожухи с балансом стоимости и жесткости

Полностью углеволоконные кожухи редки, поскольку стоимость трудно оправдать на компоненте, который в основном определяется жесткостью, а не прочностью. Доминирующая схема в последних конструкциях — селективная гибридизация: углеродные однонаправленные или тканые слои в основных структурных рамах, кронштейнах, крепящихся к фундаментной плите, и крупнейших неподкрепленных пролетах, со стеклом в крупных декоративных панелях и внутри. Это позволяет получить большую часть выгоды по массе и прогибу за долю стоимости полностью углеродной конструкции.

Аэро-структурное проектирование для снижения нагрузок

Структурный аргумент за более легкие кожухи и обтекатели — это цепная реакция, влияющая на всю турбину. Масса на вершине башни увеличивает изгибающий момент башни, опрокидывающий момент фундамента и нагрузки, передаваемые через подшипник рыскания и основную раму. Поэтому снятие массы наверху снижает не только стоимость самого компонента, но и стоимость башни, фундамента и опор трансмиссии. Структурные пути нагружения в кожухе гондолы просты для описания, но требовательны к проектированию:

• Основные структурные рамы: продольные и поперечные балки несут собственный вес кожуха, сервисные нагрузки и аэродинамическое давление расчетного ветра; это естественное место для углеродного усиления.
• Сэндвич-панели: крупные неподкрепленные поверхности между рамами — стеклянные или гибридные обшивки на пенопластовом или бальзовом заполнителе, рассчитанные на пределы прогиба и устойчивость к флаттеру панелей под ветром.
• Конструкция обтекателя ступицы: коническая сэндвич-оболочка с усиленным углеродом кольцом ступицы в месте крепления болтами к вращающейся ступице, рассчитанная на центробежные, ветровые и усталостные нагрузки в течение 20-25 лет.
• Доступ и контроль: люки, трапы и точки крепления добавляют локальные нагрузки, которые должны восприниматься без видимого прогиба внешней поверхности.

Поскольку кожухи и обтекатели определяются жесткостью и прогибом, преимущество углеволокна в 2,5-3,5 раза по жесткости при равной массе напрямую превращается либо в более легкую панель при том же прогибе, либо в более жесткую панель при том же весе. Для турбины на 6-8 МВт углеволокно, гибридизированное в основные рамы и крупнейшие пролеты, обычно снимает 1-1,5 тонны с вершины башни, что каскадом дает измеримую экономию стали башни и бетона фундамента.

Проектирование для снижения шума

Шум сегодня является доминирующим ограничением при выборе площадок для наземной ветроэнергетики, и кожухи с обтекателями вносят вклад в акустический бюджет двумя способами. Во-первых, аэродинамическое формирование обтекателя ступицы напрямую снижает шум задней кромки и шум зазора у корня лопасти — источника большей части среднечастотного аэродинамического шума. Во-вторых, сами поверхности кожуха и обтекателя не должны добавлять тональный или широкополосный шум: над оболочкой должен поддерживаться ламинарный поток, стыки поверхностей должны быть заподлицо и обтекаемыми, а панели не должны резонировать или излучать наружу шум трансмиссии. Меры проектирования:

• Аэродинамическое формирование: гладкий профиль обтекателя ступицы с малой кривизной и обтекаемые переходы кожуха предотвращают отрыв потока и связанный с ним низкочастотный шум и бафтинг.
• Демпфирование: сэндвич-заполнители и обработка демпфирующими слоями с ограничением деформации повышают коэффициент потерь панели, подавляя вибрацию и структурный шум, излучаемый редуктором и генератором.
• Акустическая герметизация: уплотненные стыки, акустические уплотнения вокруг люков и внутреннее звукопоглощение в полости кожуха снижают передачу механического шума наружу.

Эти меры обычно снижают суммарный уровень звуковой мощности турбины на 1-3 дБ — скромно на бумаге, но часто решающе для соблюдения ночных ограничений, позволяющих турбине работать на полной скорости конца лопасти.

Производство и требования к поверхности

Кожухи гондолы и обтекатели ступицы производятся почти исключительно открытым или закрытым формованием сэндвич-конструкции. Производственная схема единообразна по отрасли: гелькоут наносится на форму для долговечной, устойчивой к УФ, обтекаемой внешней поверхности; стеклянные или гибридные обшивки пропитываются смолой (вакуумная инфузия — стандарт для крупных панелей); пенопластовый или бальзовый заполнитель; и вклеенные металлические вставки и рамы для креплений. Углеволокно, где используется, укладывается как однонаправленные или тканые слои в рамах и кольце ступицы, либо со-инфузируется со стеклом, либо предварительно отверждается и со-склеивается. Качество поверхности — требование первого порядка: кожух гондолы — одна из крупнейших видимых поверхностей ветропарка, и плохое качество поверхности и выглядит неправильно, и добавляет аэродинамическое сопротивление и шум. Для внутренних поверхностей, прилегающих к электрооборудованию, предписываются огнестойкие смоляные системы, а молниезащита интегрируется через обтекатель ступицы в конструкцию ступицы.

Часто задаваемые вопросы

Почему не строить кожухи гондолы целиком из углеволокна?

Кожухи гондолы определяются жесткостью, а не прочностью, поэтому главное преимущество углеволокна — меньшая масса при равной жесткости. Полностью углеродная конструкция технически осуществима и сэкономила бы еще 20-30% массы по сравнению с гибридной, но углеволокно стоит в 6-10 раз дороже за килограмм, чем стекло, а на компоненте, где конструкцию определяют пределы прогиба, а не пределы напряжений, дополнительная жесткость дает мало. Стандартный ответ отрасли — селективная гибридизация: углеволокно в основных структурных рамах, кронштейнах фундаментной плиты и крупнейших неподкрепленных пролетах, стекло в декоративных панелях. Это дает большую часть выгоды по массе и прогибу за долю стоимости полностью углеродной конструкции.

Сколько веса экономит углеволокно на гондоле современной турбины?

На турбине на 6-8 МВт гибридизация углерода в основные рамы и крупнейшие пролеты обычно снимает 1-1,5 тонны с комбинации кожуха гондолы и обтекателя ступицы по сравнению с полностью стеклянной конструкцией — примерно 20-30% массы кожуха. Экономия накапливается: меньшая масса на вершине башни снижает изгибающий момент башни и опрокидывающий момент фундамента, что позволяет использовать более легкую секцию башни и меньший фундамент. За 25-летний срок службы турбины системная экономия стали башни, бетона и логистики обычно в несколько раз превышает дополнительную стоимость самого углерода.

Как кожухи гондолы и обтекатели ступицы влияют на шум ветрогенератора?

Действуют два механизма. Аэродинамическое формирование обтекателя ступицы снижает шум задней кромки и шум зазора у корня лопасти — источника большей части среднечастотного аэродинамического шума; гладкий профиль с малой кривизной предотвращает отрыв потока, который добавил бы низкочастотный шум бафтинга. Затем кожух не должен излучать механический шум: сэндвич-заполнители и демпфирующие слои подавляют вибрацию панелей от редуктора и генератора, уплотненные стыки и акустические уплотнения блокируют пути звука, а внутреннее звукопоглощение обрабатывает полость кожуха. Вместе это обычно снижает суммарный уровень звуковой мощности на 1-3 дБ — часто решающе для соблюдения ночных ограничений, которые иначе вынуждают снижать скорость конца лопасти.

Заключение

Кожухи гондолы и обтекатели ступицы демонстрируют, как работает ценностное предложение углеволокна для крупных компонентов, определяемых жесткостью, но не критичных по прочности. Селективная гибридизация — углеволокно в основных рамах, кронштейнах фундаментной плиты и крупнейших неподкрепленных пролетах, стекло в остальном — снимает 1-1,5 тонны с вершины башни турбины на 6-8 МВт, каскадом приводя к более легким башням, меньшим фундаментам и лучшей логистике, а аэродинамическое и акустическое проектирование этих оболочек напрямую вносит вклад в снижение шума, необходимое новым ветропроектам для утверждения площадки.

Для OEM-производителей турбин и поставщиков компонентов практическими факторами являются проектирование гибридного ламината углеволокно-стекло, выбор сэндвич-заполнителя и качество поверхности в серийном масштабе. Изучите наш ассортимент углеволоконных тканей и препрегов для структурных рам и крупнопролетных панелей или свяжитесь с нашей инженерной командой, чтобы обсудить проектирование гибридного ламината и изготовление опытных образцов для вашей следующей программы гондолы.