Исследование динамических нагрузок лопасти
Лопасти ветрогенератора постоянно воспринимают, преобразуют и передают динамические нагрузки, которые по своему происхождению могут быть аэродинамическими, гравитационными или инерционными. Независимо от их источника динамические нагрузки на лопасть влияют на массу и стоимость почти всех компонентов конструкции. Поэтому важно разрабатывать и совершенствовать методы расчета и управления динамическими нагрузками, действующими на ВЭУ. Некоторый прогресс достигнут в понимании динамических нагрузок больших двухлопастных ветроколес с горизонтальной осью вращения.
Исследованы две ветрогенератора: Mod-О, представляющая собой экспериментальную ВЭУ, эксплуатируемую на полигоне Плам Брук Управления NASA близ; г. Сандаски в штате Огайо, и Mod-OA, используемая в качестве муниципальной электростанции г. Клейтона в штате Нью-Мексико, США. Обе ВЭУ почти идентичны по внешнему виду, имеют двухлопастное ветроколесо диаметром 38 м, установленное на высоте 30,5 м (по оси вала) от поверхности земли на башне ферменной конструкции и работающее за башней.
Проектирование, изготовление, монтаж и пусковые испытания ветрогенератора Mod. Она развивает установленную мощность 100 кВт при скорости ветра 8 м/с. ВЭУ Mod-OA спроектирована на установленную мощности 200 кВт при скорости ветра 10,7 м/с. Обе ВЭУ имеют расчетную частоту вращения ветроколеса 40 об/мин.
Конструктивные различия ветрогенератора заключаются в том, что лопасти Mod-OA прочнее и более массивны, чем лопасти Mod-0 (1050 кг против 900 кг). Башня Mod-OA представляет собой ферму из трубчатых элементов, у башни Mod-О из труб выполнены только угловые элементы. Редуктор, высокооборотный вал и генератор ВЭУ Mod-OA имеют большие размеры, чем ВЭУ Mod-0.
Впервые ВЭУ Mod-О была выведена на расчетный режим вращения ветроколеса и мощности в декабре 1995 г. Несмотря на то что ее исполнение в целом соответствовало проектным заданию и характеристикам, изгибающие моменты, измеряемые вблизи корневой части лопастей, были очень высоки. При скорости ветра 15,6 м/с эти изгибающие моменты в 2—3 раза превышали расчетные. Это в равной степени относилось как к лобовым, так и к тангенцнальным изгибающим нагрузкам. Продолжение работы при таких высоких уровнях нагрузки должно было привести к преждевременному усталостному разрушению лопастей. Чтобы выявить причины чрезмерных нагрузок на лопасти и разработать рекомендации по изменению лопастей, ведущему к уменьшению нагрузок, были подробно исследованы данные, зарегистрированные в течение короткого периода работы ВЭУ в декабре 1995 г.
В динамических нагрузках лопасти ВЭУ Mod-О в лобовом направлении преобладают импульсные воздействия, возникающие каждый раз при пересечении? лопастью следа (тени) башни. Было сделано заключение, что башня ВЭУ Mod-О экранирует воздушный поток в значительно большей степени, чем ожидалось, и что это явилось причиной увеличения лобовой нагрузки.
Было рекомендовано снять первоначально установленные в башне служебную лестницу и ее ограждения. Испытания в аэродинамической трубе масштабной модели башни с лестницей и без лестницы подтвердили, что в варианте
с лестницей степень экранирования была очень высокой и значительно уменьшилась после ее удаления.
Среднее уменьшение скорости ветра AV через продольное сечение башни было определено для различных условий и ориентации башни относительно ветрового потока. Затем степень экранирования башни была рассчитана как отношение этого среднего уменьшения скорости ветра к скорости свободного ветрового потока V. Устранение лестницы уменьшило степень экранирования с 0,64 до 0,35. В результате этого лобовые нагрузки на лопасть должны снизиться примерно на 1/3. Для дальнейшего уменьшения экранирования все элементы фермы башни Mod-OA должны быть изготовлены из конструкционных труб. Использование круглых сечений усложняет производство ферм, но значительно уменьшает степень экранирование башни.
Исследование гармонических составляющих тангенциальных нагрузок привело к заключению, что увеличение этих нагрузок вызвано вращением головки ВЭУ при ее ориентации относительно направления ветра. Как первоначально проектировалось, поворотная головка была установлена на башне и фиксировалась посредством вала механизма привода системы ориентации. Удалось определить, что коэффициент упругости этого вала соответствует резонансу в горизонтальной плоскости вращения в процессе ориентации. Это обусловливает возможность возникновения больших по амплитуде боковых движений втулки ветроколеса. Было сделано предположение, что эти движения при поворотах головки и являются причиной тангенциальных нагрузок, аналогичных известным нагрузкам, возникающим в винтах самолетов.
Для уменьшения тангенциальных нагрузок было рекомендовано, чтобы одиночный вал привода механизма ориентации был заменен двойной приводной системой. Боковые движения головки в этом случае должны уменьшиться вследствие предотвращения резонанса, который был наиболее значительным, увеличения жесткости соединения головки с башней и ликвидации свободного хода (зазоров) и нелинейности, присущей системе ориентации с одиночным приводом.
В апреле 1997 г. лестница и ее ограждение были сняты и установлен двойной привод в системе ориентации. Это привело к значительному снижению нагрузки. Расчетный уровень нагрузок после конструктивных изменений был подтвержден.
Изменения в конструкции также значительно уменьшили среднее значение нагрузки и ее вариаций. Это особенно видно, когда нагрузки от гравитационных сил рассматриваются в качестве минимально возможных. Расчетная тангенциальная нагрузка оказалась умеренной.
Методы определения нагрузок, измененные с учетом указанных выше данных, были использованы для расчета лопасти ВЭУ Mod-OA. В результате получено, что лопасть должна быть устойчивой к действию усталостного разрушения от лобовых нагрузок почти на всех эксплуатационных режимах. Согласно расчетам это справедливо и для тангенциальных нагрузок, возникающих от действия гравитационных сил.
