CC BY
123
УДК 338.436.33:630.9 UDC 338.436.33:630.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК, MODELING OF WIND LOADS ACTING ON
ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОНСТРУКЦИИ THE WIND POWER STATION
ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ CONSTRUCTION OF THE COMBINED TYPE
КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА
Бухтоярова Екатерина Сергеевна Bukhtoyarova Ekaterina Sergeevna
ассистент assistant
Донской государственный аграрный университет, Donskoy State Agrarian University, Rostov region,
Ростовская область, Октябрьский район, Octyabrskiy district, village Persianovskiy, Russia
п. Персиановский, Россия
В статье рассмотрены вопросы оценки The article presents the solution of questions about the
интенсивности ветровых нагрузок, действующих intensity of wind loads acting on the wind power
на ветроэлектрические станции комбинированного station of the combined type in relation to the
типа применительно к условиям Ростовской conditions of the Rostov region on the basis of the
области на основе метода структурного structural dynamic simulation
динамического моделирования
Ключевые слова: ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ Keywords: WIND POWER STATIONS, WIND
СТАНЦИИ, ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ, LOAD, STRUCTURAL DYNAMIC MODELING
СТРУКТУРНОЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рассматривается конструкция ветроэлектрической станции (ВЭС) комбинированного типа [1, 4], 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 1 = 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 у;п-уаи = 10-15 м/с. Рабочий диапазон температур Лп-^а^ = -30 0С+35 0С. В климатическом исполнении конструкция относится к классу У (ГОСТ Р 51991). Экстремальные режимы ветра характеризуются скоростями у;п-уаи = 35-40 м/с. При таких значениях скоростей данное сооружение относится к классу 3, параметры которого описывают процессы турбулентности и требования к надежности [2, 5, 6].
Для нормального класса 3 базовая скорость ветра уг^ = 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 = 0,14.
Для обеспечения безопасности и определения силового воздействия на элементы конструкции ВЭС режимы ветра разделяют на нормальные и экстремальные [2, 5].
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:
где у^ь - скорость набегающего воздушного потока на высоте оси ветроколеса (для ВЭС с горизонтальной осью вращения); уауе - среднее значение скорости ветра.
Графически модель распределения скорости ветра для нормального режима представляет собой прямую параллельную оси абсцисс, т.е. РщУ^ь =сопб1.
Модель нормального профиля ветра (НПВ) можно найти в соответствии со следующими условиями. Согласно [3] профиль ветра Уф определяет среднюю скорость ветра в функции от высоты Ъ над уровнем земли. Тогда нормальный профиль скорости ветра определяют по зависимости:
Для построения модели нормальной турбулентности (НМТ) определяем среднеквадратическое отклонение продольной составляющей скорости ветра на высоте оси ветроколеса по формуле:
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 [6].
)2], (1)
ъ
У(2) = У1шЬ(2ьпЬ)0'2 (2)
°і = ^(0,75-Уішь+в) (3)
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 у^ и фиксированном значении величины среднеквадратичного отклонения 01. В модели стабильного экстремального воздушного потока экстремальные скорости ветра уе50 с периодом повторяемости 50 лет и уе1 с периодом повторяемости один год определяются по формулам:
уЄ5о(г) = 1,4-угеґ(2ЬиЬ)0Л1 (4)
Уе1^) = 0,8-Уе50(г) (5)
Графически обе модели представлены на рисунках 3а и 3б.
О
1 1
10 11 12 13 14 1: V
ЬхЬ. и/с
Рисунок 3а - Среднеквадратическое отклонение продольной составляющей скорости ветра для модели НМТ
Интенсивность
турбулентности
0Л8
0,17
ОЛб
0.15
о
. <
1
10
11
12
-3 14 15 Vb.Jn.irft
Рисунок 3б - Интенсивность турбулентности 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 о1 приведены на рисунке 5.
Ц-'С
35 36 11 зз 39 40
Рисунок 5 - Среднеквадратическое отклонение продольной составляющей скорости ветра
Величину скорости порыва ветра на высоте оси ветроколеса У^ для периода повторяемости 50 лет определяем по зависимости:
У811!, = Мт{1,35(уе1-у|1цЬ); + ОДСД/М)» (6)
где о1 - стандартное отклонение в соответствии с выражением (5); Л1 - масштабный параметр турбулентности воздушного потока на высоте оси ветроколеса, определяемый по зависимости:
Л1 = 0,72 при ъ<60 м;
при ъ = 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:
зш гпХ
~Т~ ~Т~
У(*) = У(ъ)-0,37 Уgust•sin( )^(1-ооб ) для 0<КТ
(7)
В нашем примере диапазон изменений скорости ветра находится в пределах 35,36 - 41,99 м/с.
Пример экстремального рабочего порыва (У^ь = 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 01, определенным по уравнению:
^[шЬ
О! = с-1ге1-(0,072-(—^ +3)-(~ -4)+10), (8)
где с-2 м/с; = 0,14; Уауе = 27,5 м/с; У^ь = 35-40 м/с
Скорость ка
ыкст= от ЕЕтроколЕса
42 41 40 3?
зв
37 36 35
0 1 2 3 4 5 6 7 В 9 10 Т.с
Рисунок 6 - Экстремальный рабочий порыв ветра на высоте оси Графическое изображение экстремальной модели турбулентности представлено на рисунке 7.
ИТ' м/с .
з.з.
Рисунок 7 - Экстремальная модель турбулентности воздушного
потока
Выводы
1. Выполненные расчеты свидетельствуют о целесообразности применения метода структурного динамического моделирования при оценке ветровых нагрузок, действующих на конструкции ВЭС комбинированного типа.
2. Результаты расчетов могут быть использованы проектными организациями, занятыми проектированием ветроэлектрических станций для малых предприятий и фермерских хозяйств АПК.
Литература
1. Бухтоярова Е.С. Ветроэлектрическая станция нового типа для малых предприятий и фермерских хозяйств. Научный журнал «Фундаментальные исследования» РАЕ.-2012.-№ 11(4).-С. 906-907.
2. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников в России. Коллектив авторов. - СПб.:Наука, 2002. - 314 с.
*
3. СНиП 2.01.07-85 .Нагрузки и воздействия / Госстрой России. М. - ФГУП ЦПП, 2004.-44 с.
4. Тахо-Годи А.З., Тахо-Годи Г. А. Ветроэлектрическая станция
комбинированного типа. Патент РФ на изобретение № 2426004.
5. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. / Дж. Твайделл, А. Уэйр. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.
6. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки / В.П. Харитонов М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. - 280 с.
References
1. Buhtojarova E.S. Vetrojelektricheskaja stancija novogo tipa dlja malyh predprijatij i fermerskih hozjajstv. Nauchnyj zhurnal «Fundamental'nye issledovanija» RAE.-2012.-№ 11(4).-S. 906-907.
2. Resursy i jeffektivnost' ispol'zovanija vozobnovljaemyh istochnikov v Rossii. Kollektiv avtorov. - SPb.:Nauka, 2002. - 314 s.
3. SNiP 2.01.07-85*.Nagruzki i vozdejstvija / Gosstroj Rossii. M. - FGUP CPP, 2004.44 s.
4. Taho-Godi A.Z., Taho-Godi G.A. Vetrojelektricheskaja stancija kombinirovannogo tipa. Patent RF na izobretenie № 2426004.
5. Tvajdell Dzh. Vozobnovljaemye istochniki jenergii: Per. s angl. / Dzh. Tvajdell, A. Ujejr. M.: Jenergoatomizdat, 1990. - 392 s.
6. Haritonov V.P. Avtonomnye vetrojelektricheskie ustanovki / V.P. Haritonov M.: GNU VIJeSH, 2006. - 280 s.
