автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Исследование аэроупругих характеристик несущих систем ветроустановок с горизонтальной осью вращения

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ■УНИВЕРСИТЕТ ° Г 6 0 им.А.Н.ТУПОЛЕВА

2 1 ШР 1934

На правах рукописи

КУХАРЕНКО ИРИНА МИХАЙЛОВНА

УДК 621-548-001.5:539.4

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОУПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕСУЩИХ СИСТЕМ ВЕТРОУСТАНОВОК С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Специальность 05-07-03 - прочность летательных

аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1994

Работа выполнена на кафедре ' "Строительная механика летательных аппаратов" Казанского государственного технического университета им-А.Н.Туполева.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация определена совета -

доктор технических наук, профессор В.А.Павлов

доктор технических наук А-Ю.Лисс

кандидат технических наук В -В-Жерехов решением специализированного

Зашита состоится "// " СШ/лиЗ 1994 г. в на

заседании специализированного совета К 063-43-04 Казанского государственного технического университета им-А-Н.Туполева (420Ш, г-Казань, ул-К-Маркса, 10, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 11994 Г-

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

С-А-Михайлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Работа ветроагрегата осуществляется в сложных условиях в результате действия нестационарных возбуждений, вызванных наличием атмосферной турбулентности в виде отдельных порывов, аэродинамической тени башни, переменности скорости ветра в приземном пограничном слое, гироскопического движения, периодически изменяющегося гравитационного нагружения и др.

Наметившаяся в последние годы тенденция в ветроэнергетике к увеличению размеров ветроколеса, а также применение легких высокопрочных материалов вызывает повышение опасности возбуждения азроупругих колебаний. В связи с этим главное внимание при проектировании должно быть уделено учету эффектов аэроупругости, поскольку решение этой проблемы является одним из основных условий создания оптимальной и надежной конструкции.

При анализе явлений аэроупругости ванным является построение аэроупругой математической модели ротора с учетом внешних нестационарных воздействий.

Цель работы:

- построение азроупругой геометрически-нелинейной модели лопасти ветроагрегата;

- разработка методики расчета аэроупругих характеристик лопастей ветроагрегата в условиях нестационарного ветрового, инерционного и гравитационного нагружения;

- разработка методики и алгоритма решения задачи оптимизации параметров лопасти ветроагрегата;

- создание программного обеспечения расчетов;

- расчотно-зкспериментальное подтверждение достоверности использования предложенных методик.

Научная новизна.

I. Создана азроупругая геометрически-нелинейная мо-

дель лопасти ветроагрегата с учетом подвижности оси вращения ветроколеса.

2. Предложена методика расчета азроупругих характеристик лопасти ветроустановки с учетом аэродинамических, инерционных и гравитационных возбуждений.

3. Предложена методика оптимизации характеристик лопасти ветроагрегата.

Практическая ценность работы заключается в создании на основе разработанных методик комплекса программ для обеспе чения выбора проектных параметров лопастей ветроагрегатов и оценки нагружения упругих лопастей при нестационарных воздействиях аэродинамического, гравитационного и инерционного характера. Данные методики использованы при проектировании ветроагрегата мощностью I кВт.

Достоверность полученных результатов иодгверждается сравнением их с экспериментальными и теоретическими данными исследований, выполненных другими авторами, . и полевы: испытаний ветрогенвратора.

Публикация и апробация работы

По результатам работы сделаны доклада на III Всесоюз ной конференции (г.Казань, 1988 г.), научно-технической кон ференции " Научный потенциал вузов- программе "Конверсия" (г Казань, 1993 г.)

ОбЪем и стуктура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четыре: глав, заключения, списка литературы, включающего 109 найме нований.и приложения. Основная часть работы изложена на III м.п.л., содержит 55 рисунков. Приложение изложено на II м.п.л

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении дан краткий исторический обзор развития методов расчета роторов ветроагрегатов. Показана актуальность данной работы. Приводится структура и содержание диссертаци по главам.

Первая глава посвящена созданию азроупругой модел]

ротора ветроагрегата на основе геометрически-нелинейной теории пространственно-деформируемых стержней, развитой в работах В.А.Павлова и его учеников.

При выводе основных уравнений, определяющих упругую линию деформированного стержня, принимаются следующие гипотезы (рис.1):

1. лопасть моделируется тонким естественно- закрученным стержнем крыльевого профиля;

2. гипотеза плоских сечений;

3. при кручении депланации поперечных сечений являются свободными;

4. перемещения упругой линии допускаются большими при условии, что материал стержня подчиняется закону Гука;

Ь. размеры поперечного сечения стержня считаются малыми по сравнению с длиной стержня и радиусом его кривизны.

Вывод осуществляется на основании теории Кирхго-фа-Клебша и задачи .»Турье - определения положения твердого тела по его угловой скорости.

Уравнения для деформированной упругой линии стержня имеют вид:

О

VI

сазр

м„ м

С * «

—-— саз р - -— 51П <р

с^+С =0;

¡4 - П

? * Г) --— 31П 1р —■— С05 р

ел

(I)

I

"с

кр

ЕЛ,,

сае р

V *

-31 Л Р

ел

п

йз+е =о.

3

Здесь

, и , г^ - изгибающие и крутящий моменты в осях о?г,с, связанных с сечением лопасти;

е;^ , ел^, Блкр- изгибные и крутильная жесткости сечений;

,рг'^з - Углы поворота подвижного базиса {е_>, соответствующего местной системе координат 0?Г)Г ;

ч>*=рэ+ру0т - упругий угол поворота и установочное положение сечения лопасти с учетом крутки.

В совокупности с граничными условиями, зависящими от вида заделки лопасти к втулке система нелинейных интегро-дифференциальных уравнений движения лопасти в пространстве представляется- в кратком виде:

гсх)=и (2)

где х - вектор основных неизвестных -<р1 , <рг, <р3, о.

Численное решение динамической задачи выполняется прямым интегрированием системы дифференциальных уравнений (2) по методу шагового типа.

Полученное приближенное решение уточняется методом Ньютона с регулировкой шага. Выбор шага производится из условия минимизации функции вдоль заданного направления.

В качестве начального приближения используется решение квазистатической задачи, полученное методом последовательных нагружений.

Внешнее нагружение, включающее в себя аэродинамическую, инерционную и гравитационную нагрузки, действующие на лопасть, определяется с учетом подвижности оси вращения ротора.

Во второй главе рассматривается методика определения аэродинамической нагрузки на лопасти ветродвигателя.

Учитывается переменность скорости ветра в пограничном слое атмосферы:

У(Н)=У(Н ) 1п(Н/£ )/1п(Н /Т ), (3)

1 О 1 о

где у(нз - скорость ветра в расчетной точке;

А

v(Ht) - скорость ветра на высоте втулки; н - расстояние от поверхности Земли до расчетной

точки;

Ht - расстояние от поверхности Земли до втулки; zo - шероховатость подстилающей поверхности.

Для конструкций с расположением ротора за башней учитывается влияние аэродинамической тени башни снижением силы ветра в области тени :

у=Т(Ф) йен), (4)

здесь

v<hj- скорость невозмущенного набегающего потока;

там- коэффициент подтормаживают, задаваемый следующим образом :

Т(*)=1 - вне области тени,

Т(ф)=1-(Д/2)<l+cas(360/(2»-)(Ф-* П-В ОбЛЗСТИ ТвНИ,

SO

а - амплитуда снижения силы ветра?

2-i - сектор тени;

,4>г- азимутальные углы границ области тени;

ф - положение тени;

о

ф - азимут лопасти.

Ввшение задачи об индуктивных скоростях дается в рамках линейной дисковой вихревой теории с использованием методики, предложенной Вождаевым E.G. для режима снижения вертолета. В основе рассматриваемого метода лежит замена непрерывного вихревого слоя совокупностью дискретных подковообразных вихрей. Влиянием индуктивных скоростей на движение свободных вихрей пренебрегаетея и предполагается, что элементы свободных вихрей движутся вместе с нввозмущенным потоком .

Полагается, что при значениях относительной скорости набегающего потока v, =vv/1| , где vb=-o,s/~ст , лежащих в диапазоне:

-2.5<V <-0,5,

происходит существенное расширение вихревой системы в резуль-

тате появления радиальных скоростей , индуцируемых свободными вихрями, т.е. вихревая система имеет коническую форму (рис.2а).

Вне этого диапазона при

V >-0,5, V < -2,5

V V

применима цилиндрическая вихревая схема Н.Е.Жуковскйго (рис.26)-

Основное интегро-дифференциальное уравнение, описывающее закон распределения циркуляции по несущей линии в результате перехода к дискретной вихревой схеме заменяется системой алгебраических уравнений. Коэффициенты при искомых циркуляциях определяются через функции влияния. Для вычисления неизвестного коэффициента тяги применяется метод последовательных нагру-жений;

Используемая схема вихревого следа в виде геликоидальной пелены соответствует минимальной индуктивной мощности при заданной мощности, вырабатываемой ветроагрегатом, т.е. энергетические потери в этом случае минимальны.

В конце главы помещены результаты расчетов индуктивной скорости по предложенной методике и сравнение их с данными эксперимента (рис.3). Результаты эксперимента взяты из работы Shimizu Y., Nakamura S-, Katayama К. Studies an the dynamic characteristics af the horizontal shaft wind turbine, J.Energy, Vol.7, No.Ь (1983), pp.5H9-595.

Делается вывод, что дисковая вихревая теория дает вполне удовлетворительные результаты, согласующиеся с экспериментальными данными, таким образом данная методика вполне может быть использована для анализа поля индуктивных скоростей, индуцируемого ротором ветроагрета.

В третьей главе рассматривается выбор оптимальных параметров лопасти ветроколеса. Для решения задачи оптимизации используется один из методов нелинейного программирования -метод последовательной безусловной минимизации Фиакко и Мак-кормика.

Сущность метода заключается в сведении задачи мшими-

задай функции -?(>о при ограничениях с с>о>0 к решению задачи минимизации без ограничений функции следующего вида:

Г)=-Р(Х)+ГУ -= (5)

.Здесь х _ - вектор переменных ;

с.с и) - ограничения типа неравенств; т - количество ограничений; г - весовой коэффициент.

Минимизация функции на каждом ь-м шаге осуществляется методом переменной метрики, использующем как свойство сопряженных направлений, так и идеи метода Ньютона-Рафсона.

Вычисление на каждой последующей итерации производится по формуле:

~ -X (—Н 4<р (к ,г, Л, (6)

где н - положительно определенная симметрическая матрица.

Очередное приближение обратной матрицы вторых частных производных н + 4 функции рс«, .гк 1 находится по положительно определенной формуле секущих.

В процессе одномерного поиска осуществляется проверка точек на недопустимость выхода за область ограничений. Если неравенство с^ <ч> + 1)>о не выполняется для точки + производится дробление х до тех пор, пока новая точка не будет допустимой.

Выбор метода объясняется возможностью его успешного применения для невыпуклой целевой функции с невыпуклой областью ограничений.

В качестве целевой функции в зависимости от поставленной задачи могут быть выбраны:

- коэффициент использования энергии ветра (с обратным знаком);

-р - мощность на валу (с обратным знаком)-;

~мвР - момент на валу (с обратным знаком);

1мер"мэад1 ' где ^эад ~ заданный момент на валу;

Iр- р | , где р - заданная мощность на валу.

эз.д зад

Приведены результаты выбора проектных параметров вет-роагрегата мощностью I кВт по условию максимума коэффициента использования энергии (рис.4-6). Оптимизация функции осуществлялась по следующим параметрам: углу установки <ро в комле, геометрической крутке др лопасти, скорости ветра v.

Для ветрогенератора введены дополнительные ограничения по заданной мощности на валу р =

С =Р-Р +£\ J зад

с =Р -Р+е, j»1 зад

(7)

где е - ослабляющая переменная.

В четвертой главе представлены результаты численных исследований влияния на аэроупругие характеристики лопастей реальных конструкций ветроагрегатов порывов ветра, аэродинамической тени башни, движения ориентации, проведенные в линейной и нелинейной постановке (рис.7,8).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Построена аэроупругая геометрически-нелинейная модель лопасти ротора ветроагрегата с учетом подвижности оси вращения ветроколеса.

2. Предложена методика расчета аэроупругих характеристик лопастей ветроагарегатов при нестационарных воздействиях аэродинамического, инерционного и гравитационного характера .

3. Выполнено исследование азроупругих динамических рзакций лопастей ветроустановок от порывов ветра, аэродинамической тени башни, движения ориентации в линейной и нелинейной постановке. Показана необходимость использования геометрически-нелинейной расчетной схемы лопасти при решении задач аэроупругости.

4. Предложена методика решения задачи оптимизации па-гетров лопастей ВЭУ на основе метода нелинейного программи-«ния.

5. Данная методика использована при выборе проект: параметров ветрогенератора мощностью I кВт.

6. Разработанные методики реализованны в виде комп-:са программ на язьш© ФОРТРАН-77 для персональной ЭВМ типа i рс. Проведены расчеты реальных конструкций.

Основное содержание диссертации опубликовано в следах работах автора:

1. Пактов В.А., Михайлов O.A., Кухаренко И-М- Аэроуп-ость лопастей несущего винта при больших перемещениях// чность конструкций летательных аппаратов: ей-статей-- Ка-Ь: КАИ, 1986.- с-19-24.

2. Кухаренко И.М., Гомарник А.И. Расчет динамических актеристик работы лопастей ветродвигателей в переменном душном потоке. - В кн.: Тезисы докладов III Всесоюзной ференвди "Современные проблемы строительной механики и чности летательных аппаратов". Казань, 1988, с.83-

3. Михайлов С.А., Кухаренко И.М. Разработка и органи-ия производства ветроэнергетических установок автономного зтвия с использованием конверсионных технологий.- В кн.: лсы докладов н.т.к."Научный потенциал вузов - программе аверсия". Казань, 1993, с.55-

Рис-I

Рис-2а

Рис-2d

Рис.3

скорость ветра V , и/с

Рис.5

скорость ветра V , м/с

Рис.7

0.40

0.20

0.00

g -0.20

u,

о

a

в

-0.40

-0.60

-0.80

Р=10 кЕт R=6,36n */=10,29u t=0,5 с /с

г

1 1 m г'1 i ' - порыв - порыв ветра К ветра 2! ,29 ы/с; и/с

п и

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 время t , с