АНОТАЦІЯ

Некрасов Ю.П. Динамічні дії вітру на металеві гратчасті башти вітроенергетичних установок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будинки та споруди. -Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2002.

Дисертацію присвячено визначенню параметрів вітрових дій на металеві гратчасті башти вітроенергетичних установок на основі удосконалених методів технічної діагностики.

Визначено статистичні закономірності поривчастої вітрової течії. У результаті аналізу статистичних характеристик вітрової течії встановлений зв'язок між відхиленням щільності розподілу імовірності значень швидкості вітру від закону Гауса і рівнем турбулентності. Вироблено і перевірено на практиці критерії оцінки кількості циклів навантаження металевих гратчастих башт вітроенергетичних установок (ВЕУ) у поривчастому вітровому потоку. Експериментальним шляхом визначено спектральні й амплітудно-частотні характеристики башт, як складової частини ВЕУ в умовах їхньої безупинної експлуатації. Вироблено оптимальні критерії для проектування башт збільшеної висотності (до 36 м). Розроблено рекомендації щодо вибору площадок для вітроенергетичних станцій, прогнозуванню виробітку електроенергії, визначенню навантажень на башти ВЕУ та організації їхньої технічної діагностики в умовах експлуатації.

Ключові слова: металеві гратчасті башти, вітроенергетичні установки, вітрова дія, статистичні характеристики, динамічне поводження, технічна діагностика.

АННОТАЦИЯ

Некрасов Ю.П. Динамические воздействия ветра на металлические решетчатые башни ветроэнергетических установок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. -Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2002.

Диссертация посвящена определению параметров ветровых воздействий на металлические решетчатые башни ветроэнергетических установок на основе усовершенствованных методов технической диагностики. вітроенергетичний турбулентність башта гратчастий

Содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные результаты, полученные автором, показаны их научная новизна, практическое значение и реализация.

В разделе 1 произведен анализ состояния вопроса и научные достижения в области исследования динамического воздействия ветра на башенные сооружений различного типа. Выполнен обзор научно-технической и нормативной литературы по трем направлениям исследований: особенности учета воздействий на башни ВЭУ; методы статистического определения ветровой нагрузки; аспекты натурного исследования динамики башенных сооружений.

В разделе 2 рассмотрен массив основных параметров, информация о которых необходима для описания воздействия ветра на ВЭУ. При помощи системы УСМК-1, разработанной и изготовленной автором, исследованы статистические параметры ветрового течения в приземном слое атмосферы. Произведен статистический анализ локальных параметров турбулентного ветрового потока. Определены статистические закономерности порывистого ветрового течения. Разработаны критерии оценки количества циклов нагружения сооружений под действием порывов ветра.

В разделе 3 приведены результаты исследования особенностей ветрового течения на рабочей площадке Новоазовской ВЭС. Сделан вывод о существенном влиянии рельефа местности на формирование ветрового течения в районе рабочей площадки.

В разделе 4 изложены результаты эксперимента по исследованию воздействия ветра на металлические решетчатые башни ВЭУ. Определены спектральные характеристики колебаний башен. При помощи разработанных критериев и на основании значения граничной частоты квазистатической области спектра определено количество циклов нагружения башен. Определены спектральные и амплитудно-частотные характеристики металлических решетчатых башен, как составной части ВЭУ в условиях их непрерывной эксплуатации

В разделе 5 на основании определения параметров действительного ветрового воздействия на металлические решетчатые башни ВЭУ и результатов численного исследования динамики их поведения выработаны оптимальные критерии для проектирования башен увеличенной высотности (до 36 м). Разработаны рекомендации по выбору площадки ВЭС, прогнозированию выработки электроэнергии, определению нагрузок на башни ВЭУ и организации их технической диагностики в условиях эксплуатации. Приведены примеры практического применения системы УСМК-1 для исследования динамического поведения строительных металлоконструкций.

Ключевые слова: металлические решетчатые башни, ветроэнергетические установки, ветровое воздействие, статистические характеристики, динамическое поведение, техническая диагностика.

ABSTRACT

Nekrasov Yu.P. Dynamic wind effect on metallical lattice towers of wind machines. - Manuscript.

The Thesis for the Candidate Degree Competition, Speciality 05.23.01 - Engineering Structures, Building and Constructions. - The Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of the Ukraine, Makeyevka, 2002.

The Thesis deals with the definition of wind effects parameters on metallical meshed turrets wind machines on the basis of technical diagnostic improved methods.

Are determined of statistical regularity of gusty wind flow. As a result of the wind flow statistical characteristics analysis the connection between probability density function deviation of wind speed values from the law of Gauss and level of turbulence is established. Are developed and the yardsticks of an estimation of wind machines metallical lattice towers quantity cycles of loading in a gusty wind flow are tested in practice. By an experimental way are determined spectral and amplitude-frequency characteristics of towers, as the constituents wind machines in conditions of their continued operation. The optimum yardsticks for designing of towers increased altitude performance are developed. The guidelines are designed at the choice of a site wind farm, forecasting of the electric power development, definition of loads on wind machines towers and organization of technical diagnostic of towers under operating conditions.

Keywords: metallical lattice tower, wind machines, wind effect, statistical characteristics, dynamic behavior, technical diagnostic.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вітроенергетика є одним із найбільш перспективних напрямків серед нетрадиційних методів одержання енергії. В останні роки вона бурхливо розвивається в Європі, США, Канаді, Японії, Австралії й ін. В Україні, що відчуває хибу енергетичних ресурсів, також прийнята комплексна програма будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) до 2010 року. У рамках цієї програми будується ряд станцій, серед яких Новоазовська, Донузлавська, Трускавецька та інші.

Ресурс металевих башт ВЕУ, як і аналогічних баштових споруд різноманітного призначення, багато в чому визначається умовами експлуатації. Специфіка даного типу будівельних конструкцій пред'являє більш жорсткі вимоги до урахування вітрових та інших динамічних дій у порівнянні з іншими типами баштових споруд. Основною дилемою вітроенергетики, як галузі в цілому, є те, що при підвищенні виробітку електроенергії істотно зростає інтенсивність вітрових навантажень на башти. Другою немаловажною проблемою, що визначає підвищені вимоги до надійності башт, є те, що вартість ВЕУ в десятки, а іноді і сотні, разів перевищує вартість башти.

Таким чином, урахування дійсних вітрових навантажень на башти вітроенергетичних установок дозволяє не тільки підвищити їхню надійність і довговічність, але і виконати оптимізацію системи “башта - ВЕУ”, а отже, підвищити виробіток електроенергії і знизити вартість будівельної частини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних робіт (замовник - міністерство освіти і науки України) Д-3-1-97 “Розробка програмного комплексу моніторингу технічного стану будівельних металевих конструкцій ” (реєстр. № 0197U013907) і Д-2-1-00 “Створення теоретичних і технологічних основ технічної діагностики і прогнозування технічного стана будівельних металевих конструкцій” (реєстр. №0100U000929), а також відповідно до державної програми “Системний аналіз, методи та засоби керування процесами різної природи; методи оптимізації, програмне забезпечення та інформаційні технології в складних системах” (затвердженим постановою кабінету міністрів України №1716 від 24.12.2001 р.) та згідно протокольного рішення робочої зустрічі з представниками науково-технічної громадськості за участю президента НАН України Б.Є.Патона і голови Донецької обласної державної адміністрації В.Ф.Януковича від 23 травня 2001 р. про підвищення ефективності Новоазовської вітроелектростанції.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення параметрів вітрових дій на металеві гратчасті башти вітроенергетичних установок на основі удосконалених методів технічної діагностики.

Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі: проведені експериментальні і теоретичні дослідження статистичних параметрів поривчастої вітрової течії, вироблені критерії оцінки кількості циклів навантаження баштових споруджень під дією поривів вітру і досліджені особливості локальної вітрової течії на робочій площадці Новоазовської ВЕС;

виконані експериментальні і чисельні дослідження динамічної поведінки металевих гратчастих башт ВЕУ в різноманітних робочих режимах, а також зроблений статистичний аналіз їхніх динамічних і частотних характеристик;

розроблено методику визначення тягнучої сили ротора для ВЕУ USW-56-100, що заснована на моніторингу вітрової дії на башту і відповідного відгуку конструкції;

розроблені рекомендації по підвищенню продуктивності НВЕС і організації технічної діагностики металевих гратчастих башт ВЕУ.

Об'єкт дослідження металеві гратчасті башти вітроенергетичних установок.

Предмет дослідження динамічні вітрові дії і їхній вплив на експлуатаційні характеристики об'єкта дослідження.

Методи досліджень. Експериментальні методи дослідження реальних об'єктів, статистичні методи опрацювання випадкових даних, методи математичного моделювання, метод кінцевих елементів.

Наукова новизна отриманих результатів.

Стислий зміст наукових положень і результатів, отриманих автором, складається в наступному:

розроблена методика визначення кількості, тривалості і максимальних значень поривів вітру, визначені статистичні закони їхнього розподілу і встановлена залежність не-Гаусовості щільності розподілу значень швидкості вітрового потоку і рівнем його турбулентності;

вироблені і використані на практиці критерії оцінки кількості циклів навантаження башт ВЕУ під дією поривів вітру;

розроблено методику визначення статичної і динамічної складової вітрового навантаження на башту вітрогенератора;

теоретично обгрунтовані та експериментально підтверджені методи визначення динамічних параметрів металевих гратчастих башт ВЕУ.

Практичне значення результатів досліджень.

Застосування розробленої автором універсальної системи моніторингу конструкцій УСМК-1 дозволяє підвищити якість результатів, а також ефективність і оперативність проведення заходів щодо технічної діагностики будівельних конструкцій, що підтверджено серією повномасштабних експериментів.

Розроблені методики статистичного аналізу локальних характеристик вітрового потоку дозволили оцінити вплив топографічних особливостей місцевості на розподіли максимумів і тривалості поривів вітру, що дало імовірність визначити кількість циклів навантаження конструкцій башт ВЕУ, що розташовані в специфічних умовах.

На підставі запропонованих методик визначені навантаження на башти застосовуваних у даний час в Україні ВЕУ USW 56-100, що використані при проектуванні башт під вітрогенератори на Новоазовської ВЕС.

Отримані результати дозволили розробити рекомендації по підвищенню ефективності роботи й організації технічної діагностики металевих конструкцій башт вітроенергетичних установок.

Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора складається в такому:

розробка і виготовлення системи УСМК-1;

особиста участь у розробці програм і проведенні натурних експериментів;

розробка методик статистичного аналізу і виконання чисельних експериментів, приведених у дисертації;

статистичне опрацювання інформації, що отримана при проведенні експериментів, випробуваннях, чисельних дослідженнях;

систематизація і науковий аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи і матеріали досліджень докладалися і обговорювалися: на міжнародній конференції “Теорія і практика металевих конструкцій” (м. Донецьк, 1997 р.); на 4-му і 5-му міжнародних симпозіумах “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” (м. Одеса, 1999, 2001 р.); на 3-й і 4-й Всеукраїнських науково-практичних конференціях “Вплив вітру на будинки і споруди” (мм. Донецьк, Макіївка, 1999, 2001 р.); на міжнародному колоквіумі 4th Bluff Body Aerodynamics & Applications Colloquium BBAA IV Ruhr - University (м. Бохум, Німеччина, 2000 р.); на третій міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології в учбово-методичній діяльності” ІНФОТЕХ-2000 (м. Севастополь, 2000 р.); на 7-й Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції” (м. Дніпропетровськ, 2000 р.); на 9-му щорічному семінарі - виставці “Сучасні методи і засоби неруйнівного контролю і діагностики” (м. Ялта, 2001 р.); на міжнародної науково - практичної конференції “Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології” (м. Макіївка, 2001 р.).

У повному обсязі закінчена дисертаційна робота докладалась на розширеному засіданні кафедри “Металеві конструкції” Донбаської державної академії будівництва і архітектури (2002 р.).

Публікації. По темі роботи опубліковано 14 статей, у тому числі, 1 - у журналі і 13 - у збірниках наукових праць.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 5 розділів, основні результати і висновки, список використаної літератури (161 найменування), 3 додатки. Дисертація викладена на 146 сторінках, у тому числі 110 сторінок основного тексту, 17 сторінок списку літератури, 3 повних сторінки з малюнками і таблицями, 8 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, приведені основні результати, отримані автором, показані їхня наукова новизна, практичне значення і реалізація.

У розділі 1 аналізуються стан питання і наукові досягнення в області дослідження динамічної дії вітру на баштові споруд різноманітного типу, у тому числі, на башти ВЕУ й опори повітряних ліній електропередачі, що обумовлено схожістю конструктивної форми і характеру реакції на зовнішні, зокрема, вітрові дії. Виконано огляд науково-технічної і нормативної літератури по трьох напрямках досліджень: особливості урахування дій на башти ВЕУ; методи статистичного визначення вітрового навантаження; аспекти натурного дослідження динаміки баштових споруд.

Методи визначення проектних значень навантажень на башти ВЕУ, викладені в закордонних нормативних документах, вироблені на підставі кодів і стандартів з урахуванням специфічних особливостей роботи вітротурбін. Про це свідчать такі нормативні документи, як Germanisher Lloyd, стандарт МЕК 61400, стандарт Данії DS 472 і інші. Як слідство, вони не завжди дозволяють зробити коректну оцінку реакції башт на дія вітру.

Аналіз методів статистичного визначення вітрового навантаження (роботи С.Ф. Пічугіна, Р.І. Кінаша, М.Ф. Барштейна, О.О. Косовця, В.Б. Нарожного, С.Я. Княжевської, T.J. Lockhart, E. Simiu, G. Solari, U. Peil та ін.) дозволив зробити висновок про те, що методи і методики, що використовуються в цей час, не завжди дозволяють із достатньою для практичного використання точністю визначати локальні кліматичні навантаження на конкретні об'єкти. Незважаючи на важливість урахування поривчастості вітрової течії при визначенні вітрового навантаження, а також втомного аналізу конструкцій, у нормативних документах, присвячених цьому питанню, відсутні методики прямої статистичної оцінки локальних розподілів тривалості й амплітуди поривів.

Узвичаєно вважати, що зміна швидкості вітру в приземному прошарку носить Гаусовський характер, тобто значення пульсацій швидкості вітру підпорядковуються нормальному закону розподілу. Таке припущення, зокрема, можна знайти в роботах Г.А. Савицького, М.В. Заваріної і ін., у той же час, багато дослідників (K.R. Gugley, R. Giannini, P.H. Madsen, A. Kareem, M.K. Ochi, T. Whalen і ін.) відзначають не - Гаусовість вітрової течії.

Особливості натурного дослідження динамічних характеристик баштових споруд, зокрема башт ВЕУ й опор повітряних ліній електропередачі, у достатньому ступені викладені в роботах Є.В. Горохова і його школи, J. Maeda, J.B. Wareing, L.M. Goia, E. Savory, E.H. Furnee, J.Е. Dahlberg, T.F. Pedersen і ін. На підставі проведеного аналізу літератури виявлено, що для визначення навантажень на башти ВЕУ і визначення власних значень частот системи в режимі виробітки електроенергії існує тільки один шлях, заснований на безпосередньому вимірі параметрів зовнішніх дій і відповідного їм відгуку конструкції. Динамічний характер дії вітру на баштової споруди, зокрема, башти ВЕУ, багато в чому визначає особливості методик збору й опрацювання вимірювальної інформації, а також склад і характеристики вимірювальних перетворювачів. Використання традиційних вимірювачів швидкості вітру (механічних анемометрів) і вимірювачів параметрів реакції конструкцій (акселерометрів) не дозволяє одержати достовірної оцінки характеру динамічної вітрової дії. Це пов'язано з тим, що частотні характеристики зазначених вимірювачів не перекривають весь діапазон частот коливань конструкцій башт. Аналіз вітчизняних публікацій, що стосуються методів реєстрації вимірювальної інформації показав, що парк первинних вимірювальних, що використовується, перетворювачів і засобів реєстрації інформативних сигналів, у кращому випадку, випуску середини 80-х років не відповідає сучасним вимогам. Це відбито в роботах В.В. Кулябко, М.І. Казакевича, В.П. Васько й ін. Тому необхідно удосконалювати як засоби виміру, так і засоби реєстрації інформативних параметрів вітрової дії на конструкції башт.

На підставі огляду літератури і проведеного аналізу стана питання сформульовані мета і задачі досліджень.

У розділі 2 розглянутий масив основних параметрів, інформація про які необхідна для опису дії вітру на башти ВЕУ. У якості зовнішніх параметрів прийняте: середнє значення модуля вектора швидкості вітру; рівень турбулентності швидкості, напрямок вітру; навантаження, обумовлені експлуатаційними режимами. У якості внутрішніх параметрів, що відбивають напружено-деформований стан башти ВЕУ, прийняті напруги (деформації) у приопорній зоні поясів, а також динамічні характеристики - частоти власних і змушених коливань башти на різноманітних режимах роботи ВЕУ і частоти турбулентних пульсацій швидкості вітру. На підставі аналізу діапазонів зміни зазначених параметрів вироблені основні вимоги до засобів виміру і реєстрації. C урахуванням цього автором розроблена універсальна мультіпараметрична інформаційно-вимірювальна система УСМК-1 , а також вимірювачі швидкості і напрямку вітру, що забезпечують імовірність реєстрації параметрів вітрової дії в частотному діапазоні, сумісному з частотним діапазоном параметрів реакції башт ВЕУ.

Виходячи з поставлених задач, автором досліджена імовірність удосконалення методики збору та опрацювання інформації про локальну вітрову течію в приземному прошарку. Необхідний для цього обсяг даних про швидкість вітру в згаданому вище частотному діапазоні зібраний під час попереднього експерименту, проведеного за допомогою системи УСМК-1.

На підставі аналізу зареєстрованих реалізацій сигналів установлено, що відхилення функції щільності розподілу імовірності значень швидкості вітру від закону Гауса визначається рівнем турбулентності вітрового потоку. З урахуванням цього факту, у згаданий закон уведена поправка, що враховує дзеркальний відбиток щільності імовірності для випадкового процесу, що має нижню межу значень:

, (1)

де v=V/ - безрозмірна швидкість, V- миттєве значення швидкості вітру, -середнє значення швидкості, - с.к.в. швидкості, =/ - рівень турбулентності. Зазначена корекція цілком задовільна при рівні турбулентності потоку =0,55 і дає порівняно невеличку помилку, порядку 10%, при =0,70.

Перевірка гіпотези про стаціонарність локальної вітрової течії показала, що інтервали осереднення 2 і 10 хв., прийняті в ПУЕ, СНіП і інших стандартах, не завжди коректні. Тому у випадках, коли нестаціонарність течії явно виражена, бажано вибирати більш тривалий інтервал осереднення на підставі тривимірної спектральної оцінки, при цьому значення середньої швидкості обумовлені в стандартних інтервалах - 2, 10 або 60 хв. обчислюються на підставі обраного за існуючою методикою.

Для визначення статистичних закономірностей поривчастої вітрової течії автором розроблена і реалізована методика виділення поривів вітру з реалізації сигналів, адекватних швидкості. Завдяки цьому вияснено, що такі характеристики поривів, як тривалість і максимальне значення швидкості, стосовно до локальних умов виміру описуються розподілами Вейбула в диференціальній формі. При цьому для щільності розподілу імовірності тривалості поривів справедливо вираження:

. (2)

Параметри розподілу =1 і =0,6 прийняті для всіх зареєстрованих реалізацій сигналів.

Розподіл безрозмірних максимумів поривів , де V_max -максимальне значення швидкості в пориві, - середнє за часом значення швидкості вітру описується вираженням

, (3)

із значеннями параметрів =1 і =1,28.

З урахуванням функції розподілу (2) розроблені критерії оцінки кількості циклів навантаження споруд під дією поривів вітру, засновані на когерентній спектральній оцінці межа квазістатичної області турбулентних пульсацій швидкості вітру, стосовно до параметрів реакції конкретної конструкції, зокрема, частотного діапазону зміни нормальних напруг у поясах металевих гратчастих башт, що є визначальним при урахуванні динамічних характеристик і визначенні залишкового ресурсу башт ВЕУ.

У розділі 3 приведені результати дослідження особливостей вітрової течії на робочій площадці Новоазовської ВЕС. Оскільки в режимі виробітку електроенергії вітрове навантаження на башти ВЕУ найбільша в порівнянні з іншими режимами, те визнано доцільним провести аналіз саме “енергетичних” значень швидкості вітру. Це дало змогу зменшити обсяг інформації, необхідної для аналізу мікрометеорологічних умов робочої площадки ВЕС.

Для попередньої оцінки характеру вітрових течій на площадці і визначення базісних точок для наступних експериментальних досліджень, відповідно до методики Е.В. Горохова і С.В. Турбіна, на підставі даних про вироблену електроенергію побудований інтегральний образ вітрової течії, що заснований на функціональній залежності вироблюваної потужності від швидкості вітрового потоку. Як видно з рисунка, розподіл відносного виробітку електроенергії, а отже, і розподіл “енергетичних” швидкостей вітру по робочій площадці, має істотну нерівномірність.

Для визначення мікрометеорологічних особливостей площадки станції був зроблений експеримент по визначенню локальних параметрів вітрового потоку. Результати дослідження показали, що вітрова течія на робочій площадці ВЕС має яскраво виражений нестаціонарний і нерівномірний характер. Так, наприклад, горизонтальний розподіл середньої швидкості вітру на досліджуваній ділянці має нерівномірність ~30%. Рівень турбулентності змінюється від 13% до 32%, а інтегральний подовжній масштаб - від 174 до 3061 м. При цьому останній змінюється майже на порядок при зміні напрямки вітру на 90 градусів. Параметри розподілу Вейбула для щільності імовірності максимальних значень поривів вітру в різноманітних точках площадки змінюються в широких межах: б [1,4; 1,8], а в [2,8; 16,8]. Така ж ситуація спостерігалася й у відношенні функцій щільності розподілу імовірності значень швидкості вітру. Не завжди, навіть скоректований, розподіл Гауса збігається з реальним розподілом імовірності. Це свідчить про істотний вплив рельєфу місцевості на формування вітрових течій у районі робочої площадки ВЕС, характер котрих необхідно враховувати при прогнозуванні терміна служби башт ВЕУ і виробітку електроенергії.

У розділі 4 наведені результати експериментального дослідження дійсних параметрів вітрової дії на два різновиди металевих гратчастих башт для ВЕУ USW-56-100 висотою 18,3 м: 1- виробництва ВАТ “Донецький завод високовольтних опор” (ДЗВО) масою; 2- виробництва ВАТ “Житомирський завод металевих конструкцій” (ЖЗМК), що проведені на території робочої площадки Новоазовської ВЕС.

Нормальні напруги (деформації) у приопорній зоні поясів башти вимірювалися за допомогою тензодавачів. Визначення вібраційних характеристик башт ВЕУ провадилося з застосуванням вимірювачів ВЕГІК, розташованих на площадці обслуговування. Швидкість вітру вимірювалася за допомогою двох термоанемометрів, розташованих на оцінках 10 і 18 м, а напрямок - за допомогою згаданого вище румбометра. Збір вимірювальної інформації провадився за допомогою системи УСМК-1. Інформативні сигнали реєструвалися в смузі частот f[0; 32] Гц. Загальна тривалість проведення вимірів склала 25 годин. При цьому на жорсткий диск комп'ютера було записано 25 реалізацій сигналів тривалістю по 60 хвилин кожна. Це дозволило зафіксувати практично всі штатні режими роботи ВЕУ (запуск, робота, зупинка, чекання).

На рис. 7 подані графіки сигналів, адекватних швидкості вітру V на висоті 18 м, нормальним напругам у приопорній зоні поясів башти (_{1 4)} і значенням вібраційної швидкості (₁ і ₂), що відповідають режиму запуску ВЕУ. З графіків видно, що значення напруг у всіх чотирьох поясах башт у значній мірі корелирують із значенням швидкості вітру. Це, деякою мірою, стосується і рівнів вібраційної швидкості.

Спектральний аналіз зареєстрованих тензосигналів і сигналів вимірювача вібраційної швидкості ВЕГІК показав, що в робочому режимі ВЕУ є декілька основних частот коливань елементів башт. Типова спектральна залежність приведена на рис. 8. Спектральні максимуми на частотах у районі 2, 7, 14 і 28 Гц відповідають частотам власних коливань ВЕУ. З метою уточнення методик розрахунку споруд даного виду проведене чисельне дослідження частотних характеристик зазначених вище різновидів башт ВЕУ. Встановлено, що основною для досліджуваних башт є перша форма коливань, істотний вплив на який робить розташування змушуючої сили, щодо осі вітротурбіни. Порівняння отриманих експериментальних значень першої частоти власних коливань башт із розрахунковими, показало, що розходження між ними складає ~9%.

Відповідно до розробленого в розділі 2 критеріями визначення кількості циклів навантаження, проведений когерентний спектральний аналіз динамічних характеристик башт ВЕУ в умовах випадкової вітрової дії. На рис. 9 поданий графік функції спектральної когерентності швидкості вітру і напруги в навітряних поясах башти, розрахований на підставі отриманих реалізацій сигналів.

З графіка видно, що верхня гранична частота квазістатичної області спектра турбулентних пульсацій для металевих гратчастих башт, що досліджувалися, ВЕУ USW-56-100 складає f_гр~0,1 Гц.

За допомогою розроблених критеріїв і на підставі значення граничної частоти квазістатичної області спектра визначена кількість циклів навантаження на башти ВЕУ протягом 1 часу, при цьому різниця між кількістю циклів, визначеним на підставі статистичної оцінки розподілу тривалості поривів вітру, і підрахованим безпосередньо на підставі реалізацій тензосигналів, складає не більш 17%; приведена кількість циклів за період експлуатації ВЕУ складає ~10⁶

На підставі взаємного кореляційного аналізу реалізацій сигналів, адекватних швидкості вітру, і нормальних напруг у приопорній зоні поясів башт визначені логарифмічні декременти загасання та амплітудно-частотні характеристики металевих гратчастих башт, як складової частини ВЕУ в умовах їхньої безупинної експлуатації. При цьому логарифмічний декремент загасання башт ЖЗМК =0,058, що в 2 разу менше, ніж у башт ДЗВО.

У розділі 5 на підставі даних визначення параметрів дійсної вітрової дії на металевої гратчастої башти ВЕУ і результатів чисельного дослідження динаміки їхньої поведінки, проведеного за допомогою УВК “Ліра”, установлене співвідношення між значеннями швидкості вітру і напругами в приопорній зоні досліджуваних башт. На підставі цього розраховане максимальне значення тягнучої сили ротора вітротурбіни (при критичній швидкості вітру) USW 56-100 Fx=51 кН, що менше нормованої Germanisher Lloyd на 31%. Запропонована методика визначення тягнучої сили ротора може бути використана для інших типів вітротурбін.

З урахуванням отриманих результатів вироблені оптимальні критерії для проектування башт збільшеної висотності (до 36 м), що дозволило розробити конструкцію підставки під експлуатовані на Новоазовської ВЕС башти. При цьому в результаті уточнення навантажень маса башти з підставкою зменшилася на 1,7 тонни.

Результати проведених досліджень дозволили розробити рекомендації по організації технічної діагностики башт ВЕУ, визначенню навантажень на башти в умовах динамічної вітрової дії та уточненню мікрометеорологічних особливостей робочих площадок ВЕС. Основними положеннями зазначених рекомендацій є наступні:

частотний діапазон виміру значень вектора швидкості вітру і параметрів реакції (прискорень, напруг і переміщень і ін.) повинен збігатися з діапазоном частот коливань конструкцій башт ВЕУ.

реєстрація інформативних параметрів проводиться одночасно за допомогою багатоканальної комп'ютерної системи збору та опрацювання інформації з частотою вибірки сигналів по кожному з каналів, що як мінімум у 2 разу перевищуює значення найвищої частоти коливань башт. При цьому тривалість виміру повинна визначатися шириною спектра швидкості вітру і забезпечувати реєстрацію його нижньої граничної частоти з мінімальною помилкою.

визначення спектральних характеристик коливань башт проводиться за допомогою швидкого перетворення Фур'є, визначення логарифмічних декрементів загасання коливань в експлуатаційних режимах - за допомогою взаємного кореляційного аналізу сигналів швидкості вітру і напруг у приопорній зоні башт.

оцінка кількості циклів навантаження башт ВЕУ в поривчастому вітровому потоку проводиться на підставі розроблених критеріїв із використанням розподілу Вейбула для тривалості поривів вітру і когерентної спектральної оцінки значення граничної частоти квазістатичної області спектра стосовно до конкретної конструкції.

визначення тягнучої сили ротора вітротурбіни в режимі виробітку електроенергії проводиться на підставі визначення коефіцієнтів чутливості зміни напруг у приопорній зоні башт стосовно зміни вітрового напору при декількох значеннях швидкості вітру з використанням методу кінцевих елементів.

уточнення мікрометеорологічних умов робочої площадки проводиться комбінованим методом, що включає в себе аналіз даних сусідніх метеостанцій, даних штатних метеопостів ВЕС, побудову інтегрального образу вітрової течії, визначення параметрів розподілів Вейбула для тривалості поривів вітру і максимальних значень швидкості в поривах, оцінку діапазону зміни інтегрального подовжнього масштабу турбулентності в залежності від напрямку вітру, тривимірну спектральну оцінку стаціонарності вітрової течії, визначення розподілу швидкості вітру по висоті і по горизонталі.

Досвід експлуатації системи УСМК-1 показав її ефективність при дослідженні динаміки металевих конструкцій різноманітного типу. Одною із гідностей системи є можливість проведення одночасного виміру як зовнішніх чинників (зокрема, швидкості вітру), так і внутрішніх параметрів, що характеризують реакцію конструкції в сумісних частотних діапазонах.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Результатом проведеної роботи є визначення параметрів вітрових дій на металевої гратчастої башти вітроенергетичних установок на основі удосконалених методів технічної діагностики.

Проведені дослідження дозволили одержати наступні результати:

1. Експериментальні дослідження характеристик локальної вітрової течії показали, що функції розподілу щільності імовірності безрозмірних максимумів і тривалості поривів вітру апроксімують, відповідно, зміщеним і незміщеним розподілом Вейбула в диференціальній формі. При цьому параметри розподілу максимумів поривів визначаються мікрометеорологічними умовами місцевості і змінюються в межах б [1,4; 1,8], в [2,8;16,8]; значення параметрів розподілу тривалості практично інваріантні: [1,04; 1,12], [0,54; 0,61].

2. На підставі аналізу статистичних характеристик вітрової течії встановлений зв'язок між відхиленням щільності розподілу імовірності значень швидкості вітру від закону Гауса і рівнем турбулентності, застосування якого при рівнях турбулентності потоку ~70% дає похибку у визначенні повної імовірності ~10%. Поправка, введена в зазначений закон, що враховує наявність нижньої межі значень швидкості, раною нулю, виключає зазначену похибку.

3. З урахуванням отриманої статистичної закономірності розподілу тривалості поривів вітру і визначеної експериментальним шляхом верхньої граничної частоти квазістатичної області спектра турбулентних пульсацій швидкості для башт ВЕУ USW-56-100 вироблені і перевірені на практиці критерії оцінки кількості циклів навантаження металевих гратчастих башт ВЕУ в поривчастому вітровому потоці, що для даного типу вітротурбін на робочій площадці НВЕС може скласти ~10⁶ за термін експлуатації 20 років.

4. Експериментально визначені статистичні параметри вітрової дії на металевої гратчастої башти для ВЕУ USW-56-100: верхня гранична частота квазістатичної області спектра турбулентних пульсацій швидкості вітру f_гр~0,1 Гц, а також основні частоти власних і змушених коливань системи “башта-ВЕУ” у режимі виробітки електроенергії й у режимі резерву.

5. Визначено, що значення максимальної тягнучої сили для ВЕУ USW-56-100 при критичному значенні швидкості вітру в режимі виробітку електроенергії складає 51 кН. Це дозволило розробити конструкцію башти збільшеної висоти для даного типу вітротурбін, у результаті чого її маса зменшилася на 18%, у порівнянні з конструкцією, розрахованої на підставі рекомендацій Germanisher Lloyd.

6. Застосування в натурному експерименті і при діагностиці башт ВЕУ універсальної системи моніторингу конструкцій УСМК-1 забезпечило одночасну реєстрацію параметрів вітрової течії і реакції башт у сумісних частотних діапазонах f[0.001; 30] Гц в інтервалах часу виміру тривалістю до 1 часу, що забезпечило підвищення достовірності результатів дослідження.

7. Результати експериментальних досліджень характеристик вітрової течії на робочій площадці Новоазовської ВЕС використані при розробці рекомендацій по організації технічної діагностики башт ВЕУ, визначенню навантажень на башти в умовах динамічної вітрової дії, уточненню мікрометеорологічних особливостей робочих площадок ВЕС і підвищенню продуктивності вітротурбін USW-56-100, що призвело до росту економічної ефективності підприємства.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Некрасов Ю.П. Некоторые аспекты исследования статистических характеристик ветрового потока в приземном слое атмосферы // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 1999. Выпуск 99-3(17). Макіївка. С. 54-57.

2. Некрасов Ю.П., Погребняк В.Г. Югов А.М., Житенко Э.Н. Некоторые вопросы методологии измерения и регистрации локальных статистических характеристик приземного ветра // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 1999. Выпуск 99-6 (20).-С. 26-34.

3. Горохов Е.В., Некрасов Ю.П., Турбин С.В. Некоторые проблемы исследования взаимодействия приземного слоя атмосферы с электросетевыми конструкциями // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2000 . Выпуск 2000-1 (21). С. 1113.

4. Horokhov Y.V., Nekrasov Y.P., Yugov A.M., Kolesnichenko S.V. Methodology of measurement and registration of local statistical characteristics of near-ground wind // Abstracts 4^th Bluff Body Aerodynamics & Applications Colloquium BBAA IV Ruhr - University Bochum, Germany. - 2000. - P. 187-190.

5. Горохов. Е В., Некрасов Ю.П., Югов А.М Исследование локальных статистических характеристик приземного ветра // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2001. Выпуск 2001-4(29) . Т. 1. С. 4-8.

6. Горохов Е.В., Некрасов Ю.П., Турбин С.В., Югов А.М. Исследование динамических характеристик башни ветрогенератора USW-56-100 в натурных условиях // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2001. Выпуск 2001 4(29).Т. 2 С. 54-58.

7. Горохов Е.В., Некрасов Ю.П., Турбин С.В., Васылев В.Н., Югов А.М. Ветровое воздействие на башни ветроэнергетических установок USW-56-100 // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2001. Выпуск 2001- 5 (30). С. 120-127.

8. Горохов Е.В., Некрасов Ю.П., Югов А.М. Мультипараметрическая система динамической диагностики строительных металлоконструкций // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2001. - № 4. - С. 5 - 9.

9. Горохов Е.В., Югов А.М., Некрасов Ю.П., Турбин С.В. Методические вопросы расчета элементов воздушных линий электропередачи на ветровую нагрузку // Сборник научных трудов “Современные конструкции из металла и древесины”. Одесса: ОГАСА. 2001. С. 61-67.

Размещено на Allbest.ru