Моделирование ветровых нагрузок, действующих на конструкции ветроэлектрических станций комбинированного типа

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рассматривается конструкция ветроэлектрической станции (ВЭС) комбинированного типа, выполненная в виде вертикально возведенной трубы высотой 30 м с железобетонным основанием, в верхней части которой размещена башня с планетарным редуктором и ветропривод пропеллерного типа (рис. 1). Башня с ветроприводом выполнена с возможностью свободного вращения в горизонтальной плоскости (при изменении направления движения ветра).

Подобная конструкция ВЭС является потенциально опасным объектам, поскольку ее падение при ураганной скорости ветра связано с риском травматизма и с определенными экономическими потерями.

Для обеспечения устойчивости такой конструкции использование обычно применяемых трех тросовых растяжек под углом 1200 в данном случае оказывается не пригодным, поскольку они захватывают зону вращения лопастей ветропривода. Поэтому нами выполнены теоретические и экспериментальные исследования по оценке устойчивости и надежности подобных конструкции.

Как известно, при выполнении расчетов устойчивости и прочности конструкций ветроэлектрических станций, необходимо иметь информацию о возможных величинах, действующих на них ветровых нагрузок для метеоусловий Ростовской области.

Для их определения целесообразно, по нашему мнению, использовать методы структурного динамического моделирования.

Рисунок 1 - Реальная и расчетная (справа) схемы ВЭС: 1 - башня; 2 - ветроколесо; 3 - трубная конструкция; 4 - база трубного основания; 5 - фундамент

Ниже приведены результаты расчетов и моделирования ветровых нагрузок, действующих на подобные конструкции при нормальных и экстремальных режимах их эксплуатации.

Проведенные расчеты свидетельствуют о том, что модели, получаемые с использованием структурного динамического моделирования, позволяют достаточно просто определять нагрузки, возникающие под воздействием ветра в заданном диапазоне скоростей с учетом турбулентности воздушного потока.

При проведении исследований нами использована экспериментальная конструкция ВЭС со следующими параметрами. Основная часть конструкции представляет собой трубу, выполненную в виде 12 секций из обычной стали СТ-3. Толщина стенки трубы t = 0,8 мм. Внешний диаметр трубы Д = 60 см. Длина трубы, на верхнем конце которой расположена башня 1 с ветроколесом 2, равна 30 м. Рабочий диапазон скорости ветра на уровне оси ветроколеса vin-vaut = 10-15 м/с. Рабочий диапазон температур t0in-t0aut = -30 0С+35 0С. В климатическом исполнении конструкция относится к классу У (ГОСТ Р 51991). Экстремальные режимы ветра характеризуются скоростями vin-vaut = 35-40 м/с. При таких значениях скоростей данное сооружение относится к классу 3, параметры которого описывают процессы турбулентности и требования к надежности.

Для нормального класса 3 базовая скорость ветра vref = 37,5 м/с, а для умеренной турбулентности подкласса В ожидаемое значение интенсивности турбулентности воздушного потока при средней скорости 12,5 м/с, определенной на 10-ти минутном интервале, на высоте оси ветроколеса Jref = 0,14.

Для обеспечения безопасности и определения силового воздействия на элементы конструкции ВЭС режимы ветра разделяют на нормальные и экстремальные.

Для нормального режима ветра модель распределения скорости найдем через определение его средней скорости на высоте оси ветроколеса, распределенную на 10-минутном интервале в соответствии с распределением Рэлея:

PR(vhub) = 1-exp[-р()2], (1)

где vhub - скорость набегающего воздушного потока на высоте оси ветроколеса (для ВЭС с горизонтальной осью вращения); vave - среднее значение скорости ветра.

Графически модель распределения скорости ветра для нормального режима представляет собой прямую параллельную оси абсцисс, т.е. PR(vhub) =соnst.

Модель нормального профиля ветра (НПВ) можно найти в соответствии со следующими условиями. Профиль ветра V(z) определяет среднюю скорость ветра в функции от высоты Z над уровнем земли. Тогда нормальный профиль скорости ветра определяют по зависимости:

V(z) = Vhub()0.2 (2)

Для построения модели нормальной турбулентности (НМТ) определяем среднеквадратическое отклонение продольной составляющей скорости ветра на высоте оси ветроколеса по формуле:

у1 = Jref•(0,75•Vhub+в) (3)

ветровой турбулентность силовой

Модель НПВ представлена на рисунке 2.

Как известно, экстремальные режимы ветра включают как процессы сдвига в потоке ветра, так и пиковые скорости при шторме, а также быстрые изменения скорости и направления ветра.

Поэтому при экстремальной скорости ветра могут быть две модели: модель стабильного перемещения воздушного потока и турбулентная модель ветра.

Рисунок 2 - Модель нормального профиля ветра

Обе модели основываются на базовой скорости ветра vref и фиксированном значении величины среднеквадратичного отклонения у1. В модели стабильного экстремального воздушного потока экстремальные скорости ветра ve50 с периодом повторяемости 50 лет и ve1 с периодом повторяемости один год определяются по формулам:

ve50(z) = 1,4•vref•()0,11 (4)

ve1(z) = 0,8•ve50(z) (5)

Графически модель представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Среднеквадратическое отклонение продольной составляющей скорости ветра для модели НМТ

Модель экстремальной скорости ветра представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Модель экстремальной скорости ветра

Определяем величину среднеквадратического отклонения продольной составляющей модели экстремальной скорости ветра. Характеристическое значение отклонения у1 приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Среднеквадратическое отклонение продольной составляющей скорости ветра

Величину скорости порыва ветра на высоте оси ветроколеса Vgust для периода повторяемости 50 лет определяем по зависимости:

Vgust = Min{1,35(ve1-vhub); 3,3(}, (6)

где у1 - стандартное отклонение в соответствии с выражением (5); Л1 - масштабный параметр турбулентности воздушного потока на высоте оси ветроколеса, определяемый по зависимости:

Л1 = 0,7z при z?60 м;

при z = 20 м Л1 = 0,7?20 = 14

Д = 20 м - диаметр ветроколеса.

Подставив имеющиеся величины в (6), получим конкретные значения скоростей в диапазоне значений 5,29 - 12,7 м/с.

Скорость ветра при экстремальном рабочем порыве можно найти, используя следующее уравнение:

V(z,t) = V(z)-0,37 Vgust•sin()•(1-cos) для 0?t?T (7)

В нашем примере диапазон изменений скорости ветра находится в пределах 35,36 - 41,99 м/с.

Пример экстремального рабочего порыва (Vhub = 37 м/с, класс 3 Б, Д = 20 м) показан на рисунке 6.

Для построения экстремальной модели турбулентности воспользуемся моделью нормального профиля ветра и турбулентностью со среднеквадратическим отклонением продольной составляющей у1, определенным по уравнению:

у1 = с•Jref•(0,072•(+3)•(-4)+10), (8)

где с-2 м/с; Jref = 0,14; Vave = 27,5 м/с; Vhub = 35-40 м/с

Рисунок 6 - Экстремальный рабочий порыв ветра на высоте оси

Графическое изображение экстремальной модели турбулентности представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 - Экстремальная модель турбулентности воздушного потока

Выполненные расчеты свидетельствуют о целесообразности применения метода структурного динамического моделирования при оценке ветровых нагрузок, действующих на конструкции ВЭС комбинированного типа.

Результаты расчетов могут быть использованы проектными организациями, занятыми проектированием ветроэлектрических станций для малых предприятий и фермерских хозяйств АПК.

Размещено на Allbest.ru