Как рассчитать прочность башни?

ветрогенератор на вантовой башне

Я пытаюсь вычислить давление силы ветра на лопасти ветряка 6 метрового диаметра, для определения требуемой прочности башни. Я знаю, что скорость ветра 22 м/с оказывает давление 279 кг/м² (для плоской поверхности), но понятия не имею, как это соотносится к лопастям. Как вести расчет?

Вы можете использовать эти расчеты поверхностного давления для определения ветровых нагрузок на саму башню, но лопасти ветрогенератора вовсе не являются статической плоской поверхностью. Лопасти скользят по ветру, как крылья самолета, создавая подъемную силу, которая толкает обратно поток воздуха, замедляя его. Замедление ветра создает энергию и приводит в действие генератор. Можно рассчитать идеальный объем прочности для достижения этой цели, но реальность, вероятно, все-таки будет отличаться, поэтому желательно включить разумный фактор безопасности.

Когда ветер становится сильнее, чем необходимо для полной мощности, включается защита ветряка от перегрузки одним из нескольких возможных способов. Например, некоторые установки тормозят вращение лопастей. Это ухудшает их способность захватывать энергию, но не может сильно уменьшить тягу. Другие поворачиваются боком к ветру, уворачиваясь от напора, но это занимает время и резкий порыв может создать высокую нагрузку.

Если генератор работает при скорости 22 м/с он может производить до 50 кВт. Расчетное давление будет около 132 кг/м², примерно половина от указанного вами, плюс до 740 кг на площадь ротора. Маловероятно, что ветряк будет работать при такой скорости. Скорее всего, сработает защита и он увернется, снизив примерно в четыре раза нагрузку. Фактическая рабочая тяга может быть около 180 кг, но по разным причинам, ее пик будет немного выше. Поэтому, было бы целесообразно применять коэффициент безопасности, где-то раз в пять больше номинального пика, т.е. ближе к 1000 кг.

Проектирование башни действительно является задачей инженеров. Расчеты основываются для самой высокой скорости ветра, которую будет испытывать установка. Они включают в себя элемент давления на саму башню, а также направленность на турбину. Критической нагрузкой, как правило, является давление на изгиб в самой высокой точке поддержки. Для вантовой башни - это верхний уровень, для автономной - изгиб нагрузки на уровне земли. Изгибающий момент - это сила, умноженная на радиус действия, поэтому высокие конструкции должны быть очень крепкими.

Целесообразно также учитывать гироскопический эффект, возникающий, когда ветряной генератор резко поворачивается вокруг башни в верхних турбулентных условиях. Во многих случаях, конструктор будет учитывать собственные частоты башни по отношению к скорости лопастей так, чтобы избежать резонанса.

Дополнительная литература: "Нагрузки на элементы ветроэнергетической установки, на ее фундамент и основание", В. В. Елистратов, И. А. Константинов, А. А. Панфилов, 1999 г.


Главная | Статьи | Вопросы-ответы | Обо мне | Контакты