автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Система несущих конструкций ветроэлектростанции

Ргз О/!

Государственный комитет Российской федерации по высшему образованию

Ордена Дружбы народов РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи ДРАШАНТА КУМАР САХА

УДК 621.311.24'548

СИСТЕМА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЕЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

05.23.01 - строительные конструкции, зд<~. * и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МХКВА - 1994

Работа выполнена в Ордена Дружбы народов Российском университете дружбы народов.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор технических наук, профессор Дидух Борис Иосифович.

- доктор технических наук, старший научный сотрудник Обозов Владимир Иванович

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Котик Анатолий Николаевич

- Предприятие "Экологически чистая энергетика".

Защита диссертации состоится 15 февраля 1994 г. в 15 часов 30 минут на заседании специализированного совета К 053. «12. £0 по присуждению учёной степени кандидата технических наук в Ордена Дружбы народов Российском университете дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Орджоникидзе,3, ауд, 348.

С диссертауией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов (117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, б)

Автореферат разослан 14 января 1994 г.

Учёный секретарь специализированного совета кандидат технических наук доцент

С.Н.Хривошапко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, В последние годы во всем мире наблюдается заметный рост интереса к использованию энергии ветра. Например, в Дании уже к концу 1987 г. выработка электроэнергии на ветрозлектростянциях достигла 0,8% от общей выработки. Но прогнозам специалистов, к 2000 г. ветроэнергетика Дании обеспечит не менее 10$ общей потребности в энергии. В США, в штате Калифорния, в 1987 г. эксплуатировалось 15660 ветроагре-гатов общей мощностью 1370 мегаватт. По проектам Индии, Китая, Израиля, Иордании и некоторых других стран Азии, к 2000 г.должны быть достигнуты вводы мощностей ветроэлектростанций, превышающие 260 мегаватт в год.

Используемые ветроустановки в большинстве случаев имеют традиционную компоновку с лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси. По оценкам видных специалистов по ветроэнергетике ( В.М.Лятхер, 1991), мощность таких ветроагрегатов ограничена, и более перспективными в будущем окажутсяХназ. ортогональные ветроагрегаты, у которых ось вращения перпендикулярна скорости ветра. Агрегаты этого типа успешно разрабатываются в России предприятием "Экологически чистая энергетика".

Ветроэлектростанций принадлежат к классу энергетических устройств с возобновляемыми источниками энергии. Рост цен на энергоносители в современном мире обусловливает высокую актуальность проблем ветроэнергетики.

С&ной из таких проблем является конструктивное решение ветроэлектростанций и, в частности, расчет и проектирование несущих систем конструкций ветроагрегатов. Диссертация посвящена решению некоторых задач этой проблемы.

Представленные в диссертации исследования составляют раздел госбюджетной научно-исследовательской темы №122001, выполняющейся по плану работ Российского университета дружбы народов.

Цель диссертационной работы состоит в решении расчетно-конструкторских задач, возникающих при проектировании ветроэлектрических установок, и разработке и апробации требуемых

для этого методов расчета, алгоритмов и программ.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые рассмотрен весь комплекс несущих конструкций ветроагрегата, включая ротор, опорную башню и фундамент. Для расчета исследуемых конструкций созданы новые алгоритмы и программы, отражающие специфику нагрузок и воздействий в условиях работы ветроагрегата. На основе выполненных расчетов получены новые численные результаты. Впервые выполнен расчет фундамента на переменные нагрузки с учетсызпр}ГОпластических свойств основания.

Достовегаость результатов основывается на использовании классических методов строительной механики, а также тестированием разработанных алгоритмов и программ путем сопоставления результатов с литературными данными.

Практическое значение работы и ее реализация.

Содержание работы в значительной мере.построено по принципу примеров расчета с анализом результатов. Поэтому материал! диссертации могут служить ориентиром при проведении аналогичных расчетов и базой для их совершенствования.

Особое"значение для практики проектирования имеют разработанные алгоритмы и программы, которые могут быть прямо использованы* в работах по расчетному обеспечению конструкторских решений. При этом возможное применение разработанных алгоритме! и программ выходит за рамки только ветроэнергетических устройся

На защиту выносятся:

I. Анализ нагрузок, воздействующих на несущие конструкции ветроагрегата.

2* Конструкция ротора и методика его статического и динамического расчета.

3. Расчет фундамента ветроагрегата с учетом циклического нагру-жения и упругопластических свойств основания.

4. Пакет прикладных алгоритмов и программ:

- гармонический анализ аэродинамических нагрузок;

- статический расчет плоских стержневых систем;

- определение частот и форм собственных колебаний конструкций ветроагрегата;

а

- расчет реактивного давления и внутренних усилий фундамента ветроагрегата.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях инженерного факультета Российского Университета дружбы народов (1990, 1991, 1992, 1993 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано научные статьи.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, выбор темы, формулируется цель и основные задачи исследований. Изложены основные положения, которые составляют новизну диссертационной работы и выносятся на защиту.Указано практическое значение выполненных исследований.

В главеiI дан обзор предшествовавших исследований. По литературным источникам анализируется состояние современных разработок по конструкциям ветроэнергетических установок.

Дается характеристика конструктивных решений традиционных коллинеарных ветроагрегатов, т.е. имеющих ось вращения, коллинеарнуя скорости ветра. Рассмотрены компоновки и материалоемкость крупных ветроагрегатов этого типа. В США построено б агрегатов мегаваттного класса (пять по 2,5 мегаватт фирмы Боинг и один - 4 мегаватта - формы Гамильтон - Стандарт). На Гавайских островах намечается установка ветроагрегата мощностью 7,3 мегаватт с размахом лопастей 122 м. В Швеции с 1982 г. функционируют две установки мощностью 3 и 2 мегаватт с размахом лопастей 78,2 и 72,2 м.

Малые и средние ветроагрегаты традиционного исполнения мощностью до 750 квт. в последние годы находят все

большее распространение. В Дании ветроагрегаты мощностью до 300 квт. стали одной из основных статей экспорта.

Вместе с тем в ряде стран (Канада, США, ФРГ, Венгрия, Нидерланды, Швеция, Великобритания) ведутся разработки в&г~ роагрегатов принципиально иной конструкции, а именно - ортогональных агрегатов, у которых ось вращения не параллельна, а перпендикулярна скорости ветра. В России уже в течение ряда лет ведутся успешные конструкторские и технологические работы по созданию ортогональных ветроагрегатов различных типов и мощностей под руководством проф. В.М.Лятхера. По мнению многих специалистов, ортогональные ветроагрегаты имеют лучшие перспективы при создании установок большой единичной мощности.

Крупнейший ортогональный ветроагрегат мощностью 3,8 мегаватт высотой 1С6 м. построен в Канаде; другой агрегат подобного принципа действия мощностью I мегаватт построен в Великобритании.

В СССР первая крупная опытная ветрозлектростанция мощностью 100 квт была построена около Балаклавы в 1931 г. йссле- " довательские и конструкторские работы велись до 1935 г. в Центральном ветроэнергетическом институте. В последние годы в области ветроэнергетики работали коллективы ряда институтов: Гидропроект, Дроектстальконструкция, РУДН, в их составе такие специалисты, как В.М.Лятхер, А.Н.Милитеев, Н.Г.Гвазава, Ю.Б.Шполянский, С.М.Скосарева, Ю.П.Кирсанов, А.Г.Соколов, Б.В.Остроумов, А.Н. Котик, Б.И.Дидух, Л.В.Касабьян, И,А.Монахов, В.В.Куприянов, Б.Г.Бажанов.

В целом из анализа предшествовавших работ следует перспективность ветроэлектростанций как экологически чистого источника возобновляемой энергии и целесообразность разработки ветроагрегатов различных конструктивных типов.

В главе Д формулируется задача исследований по теме диссертации как детальное рассмотрение систем несущих конструкций ортогональных ветроагрегатов, т.е. с вертикальной осью вращения.

Были выбраны 2 схемы ветроагрегатов, в известной мере

представляющие типичные структуры ветроэлектростанций такого рода. Намечено исследовать их конструкции под действием основных нагрузок, к которым относятся:

1. Собственный вес.

2. Аэродинамическая эксплуатационная ветровая нагрузка,

3. Ураганная ветровая нагрузка.

4. Центробежная сила.

Изучаются следующие основные части ветроагрегата:

1. Ветроротор.

2. Опора-башня (ствол).

3. Фундамент.

Предусматривается решение задач в статической и динамической постановке. Выясняется оптимальное расположение элементов конструкции. Исследуется роль и знаяимость отдельных факторов на несущую способность конструкций.

В главе Ш представлены статические расчеты конструкций ветроротора. Основной расчет сводится к рассмотрению работы элементов несущих конструкций в вертикальной плоскости, проходящей через лопасть и вертикальную ось ее вращения.

Для определения напряженно-деформированного состояния конструкций ветроротора разработан алгоритм и усовершенствованная программа расчета плоских стержневых систем произвольной конфигурации и с различными видами соединения элементов. Выполнены необходимые тесты и составлена подробная инструкция для пользователя. Исходные данные вводятся в простой и удобной форме.

В диссертации подробно изложен расчет ветроротора на действие ураганной ветровой нагрузки и собственного веса,как определяющий для подбора сечений элементов конструкции. Основными факторами при оценке напряженно-деформированного состояния явились прочность и продольный изгиб при внецентрен-ном сжатии элементов. Были рассмотрены 2 варианта конструктивного исполнения траверсы. По критерию минимального расхода металла был принят вариант с элементами траверсы в виде одной трубы диаметром 325 мм. Лопастями служат крылья самолета ЯК-40. Длина лопастей 25 м., диаметр трассы 21 м.(рисЛ).

5

?] м

Рис. I . Общий вид двухлопастной ветроэлектростанции но схоме Т.

т - лопасть; 2 - траверса; 3 - опора; 4 - башня; 5 - фундамент.

--- I,

Рис.4. Расчетная схема для определения собственных колебаний лопасти.

Скорость ветра

,Трасса лопасти

Рис

(Г 360°

,2 . Круговая трасса движения двух лопастей.

Рис.3

7

ilo составленной программе проведены такие статические расчеты несущих конструкций по второй схеме ветрозгрегата¿найдены внутренние усилии в элементах при их различном расположении.

Аналогичные расчеты выполнены также для ветроротора установки мощностью 50 квт но заданию проектной организации.

В главе 1У представлены динамические расчеты конструкций ветроротора.

Вначале анализируются аэродинамические нагрузки на лопасти. Они существенно определяют расчет и проектирование всех несущих конструкций ветроагрегата, По данным В.Ы.Лятхера, аэродинамическая нагрузка на лопасть может быть представлена в виде радикальной РПи касательной FT ("тянущей") составляющих (рис.«!). Аэродинамическая нагрузка зависит от профиля лопасти скорости ветра и положения лопасти на трассе (уголд^ на рис.2).

Гармонический анализ аэродинамической нагрузки. Дня выявления частот, преобладающих в спектре аэродинамической нагрузки, был выполнен гарлонический анализ функций pjNf и р*|~.

Общая схема гармонического анализа состояла в следующем. Рассматривается функция^( Ч? ), имеющая период 2П , причем /(0 ) = f(2ti)> Необходимо найти коэффициенты (Ц и Ц суммы Зурье:

GO; = % + ji (ajcos^ + fyîtnft) (i)

аппроксимирующей указанную функцию .

Коэффициенты Q.J , вычисляются по формулам, аналогичным формулам для коэффициентов ряда ^урьс, но с заменой интервалов конечны},in сушами.

Пусть - чип но заданных зн<ччемип функции ^ на интервале от 0 до 2 П J тогда fa- 2.n/(ff-l) - шаг для численного интегрирования. Конкретные вычисления выполнены длл 14=75,wr25-Полученные результаты показывают, что пункция Q с высокой точностью (максимальная погрешность менее 1%) аппроксимирует функцию f . На рис.3 приводится результирующие амплитуды колебаний гармоник, т.е. числа Ci - » а также соответствующие частоты в рздиан/с, определенные для-

скорости вращения ротора 20 оборотов в минуту. Из рисунка следует, что для гармоник с частотами, превыщавдимм 25-30рад/с, соответствующие амплитуды колебаний незначительны.

Собственные колебания лопасти. Изгибная жесткость лопасти намного больше жесткостей элементов траверсы, поэтому для определения собственных частот и форм колебаний лопасти она рассматривается как двухопорная балка с консолями (рис. 4 ) с распределенной массой. Лопасть рассматривается как система из трех стержней. Дифференциальное уравнение собственных колебаний каждого стержня имеет вид:

ъь1 га э "и ' (2)

- прогиб; УП - погоннная масса стержня; - изгибная

жесткость; £ - модуль упругости; $ - момент инерции сечения стержня; "X. - координата вдоль продольной оси стержня, ^ - время. Формы собственных колебаний с частотой 6) описывается обыкновенным дифференциальным уравнением:

^ ~ ^ * " 0 > (3)

которое получается из (2) при переходе к безразмерным переменным х/г-, , где £ - длина стержня. Решение системы уравнений вида (3) для каждого из трех стериней с использованием условий их соединения друг с другом производилось по методике, разработанной Б.И.Дидухом, особенность которой состоит в том, что фундаментальные функии уравнения выбираются так, чтобы их численные значения не превышали I.

Разработан алгоритм и программа для ЭВМ для определения частот и форм собственных изгибных колебаний произвольной стержневой системы. При расчете лопасти были приняты следующие значения параметров: гщ = тг =7П3 = 0,0102 КИ-Ог/Мй} Ср

=С2=С3 = 21оо ктЬ ёх-г3- ь,т Вг = м.

Результаты вычислений представлены на рис.5.

и О

Рис.5. Частоты и формы собственных колебаний лопастп. * Симметричные Антисимметричные

^1=0,97484 2,75696 Х=й9?484/ - л Ъ2= 3,97984' ^1,40724

г © 3 ^^ ф

= ?5,9 ^/о бГ=Жз ?а/с7

^=176555 ДЧ39Б00 л^Ьт 5 ^2,55192 ^О?3 ^3=255192

/<0 = 52? Р®*

>=350466 ЯрЗДОб ^-414767 ЯН*7Б7

/^Х__© _ /

о Зг ^¿Го ^й,886?5

>4,39002 913-4)39002 / ' ^ ° (8)

60=1560 в/с >

Наинизшая частота собственных колебаний 6) =76,9 радиан/с существенно ниже 30 Р^/сек, и, следовательно, при вращении ротора не следует опасаться резонанса в отношении конструкции лопасти.

Собственные колебания траверсы, несущей массу лопасти. Расчетная схема для их определения показана на рис.6. Стержни траверсы I и 2 считаются изгибаемыми, а лопасть здесь рассматривается как абсолютно жесткий стержень с массой Мд. Колебания стержней I и 2 описываются уравнением (2). Движение лопасти рассматривается как вращательное относительно точки 0. Учитывается момент инерции лопасти относительно точки 0. В целом разрешающая система уравнений и методика вычислений частот и форм собственных нолебаний стержней траверсы та'же, что и вышеизложенная для расчета лопасти. Были приняты следующие значения параметров: тпГ^О = ГП^О =■ 0>3 КН/М)

(^ЗЛ-Ю^Н.М2; Мю-25кИ) 12,8м;

Ъ-аз-ЫЗм ; £ = 9,31 м/с2 *

Получены значения первых трех частот собственных колебаний: <й|= 5,95 рйшш/е; со2- 10¿А раЗиад/е ) С*>3 =■ 3292 р&им(¡с.

Соответствующие формы собственных колебаний стержней I и 2 показаны на рис.7. Расчет показывает, что низшая частота собственных колебаний лежит в той части спектра аэродинамической нагрузки, которая отвечает большим амплитудам (рис.3). Поэтому требуется усиление жесткости элементов траверсы.

Действие аэродинамических сил на опору. При наличии в конструкции ветроротора двух лопастей, расположенных на одном диаметре (рис.2), центробежные силы, действующие на опору, взаимно компенсируются, и на опору передается равнодействующая аэродинамических сил.

В соответствии с рис.2, суммарная сила от двух лопастей, действующая по оси £С , равна:

+ • (4)

Аналогично вдоль оси ^ :

У ^СРЪ-ГК^созеС ~СГТ1-Пг)В\п£ . (5)

и

стержней-, траверсы.

Здесь (f - угловая координата 1-й лопасти; Q^gC^ 130° »

FN2= > РЪ - FTi (№*+oC).

Полное усилие, действущее на опору:

К = > Сб)

Годографы полного усилия на опору в ТС (с учетом площади лопасти 70 м^) показаны на рис.8.

В главе У приводится анализ напряженного состояния элементов опоры-башни ветроагрегата, выполненной в виде пространственной ферш. Расчет пространственной фермы на действие собственного веса и веса вышерасположенных частей ветроагрегата, а также на ураганную ветровую нагрузку произведен в проектной организации. В диссертации дан анализ полученных .результатов.и.оценка прочности и устойчивости элементов конструкции опори.

В главе У1 рассматривается конструкция фундамента ветроагрегата, решённая с учетом циклического действия аэродинамической нагрузки.

Приняты характеристики грунта основания, исходя из • средних (ближе к худшим) условий размещения ветроагрегата на местности: угол внутреннего трения 20°; сцепление 10 кн/м^; удельный вес 20 кн/м3. Расчетная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента составляет 300 кн; горизонтальное усилие при ураганном ветре 320 кн; момент 5536 кн.м. По этим исходным данным фундамент принят квадратным с площадью подовы 10x10

Специфические условия работы основания и фундамента ветроагрегата состоят в передаче на них переменных нагрузок, которые характеризуются годографом вектора усилий на опору (рис.8). Вдоль оси ОС , т.е. по направлению скорости ветра, составляющая полного усилия меняется от 0 до 13 тс. В течение полуоборота лопасти эксцентриситет вертикальной нагрузки, действующей на основание, меняется в пределах от 0 до I м. Аналогично вдоль оси У »ксцентристет меняется от -I м до f 2 м.

Как показано в работах Б.И.Дидуха, при действии переменных или перемещающихся нагрузок на грунтовое основание

13

Х(Х)

45СГ

усилия на опору. ■

1 / м/л Л4) II -9п МЛ?

следует учитывать пластические деформации грунта, так как это обстоятельство значительно сказывается на конфигурации эпюры реактивного давления грунта, и приводит к резкому её изменению по сравнению с расчетом в предположении упругой работы основания. Поэтому был выполнен расчет основания на действие перемещающейся нагрузки, вдоль оси У.

Фундамент рассматривался как жёсткая балка; основание схематизировалось упругопластическими опорами с неоднозначной зависимостью между давлением и.осадкой. Каждая израсчетных точек подошвы фундамента может пребывать в одном из трех режимов взаимодействия: I) нагрузка; 2) разгрузка или вторичная нагрузка; 3) потеря контакта подошвы с основанием. Неизвестными величинами являются: № контактных усилий Рг , смещений основания в точках взаимодействия 51 и 14 смещений точек подошвы фундамента ; всего ЗГч" неизвестных. Для их определения используются: уравнения равновесия фундамента; уравнение положения подошвы фундамента как жёсткой балки; уравнения связи Р» и & в зависимости от режима взаимодействия.

В принципе задача сводится к последовательному -решению -системы, Зп линейных алгебраических уравнений. Однако требуется получить такое решение, когда выполняется условие пребывания каждой точки в соответствующем режиме. Заранее неизвестно, какие именно и сколько точек находится в том или ином режиме. Известны лишь условия перехода из одного режима в другой.

В этом и заключается основная трудность в разработке алгоритма решения задачи. Предложенный в диссертации алгоритм малых шагов изменения эксцетристета базируется на работах А.В.Микулича и Б.И.Двдуха. Алгоритм и составленная программа вычислений для ЭШ были успешно реализованы при расчёте контактного давления на фундамент ветроротора. Эволюция эпюр реактивного контактного давления грунта на подошву фундамента при циклическом режиме нагрузки показана на рис.9. Отмечаются следующие характерные особенности эпюр: I) различие эпюр в зависимости от цикла нагружения; 2) потеря контакта подошвы с основанием на отдельных этапах нагружения; 3) существенная нелинейность эпюр и отличие их от получаемых

Ряс.9. Эволюция эпюр реактивного давления при циклическом режиме нагрузки.

по модели линейного основания. С использованием полученных результатов даны рекомендации по проектированию железобетонного фундамента ветроагрегата.

Основные выводы по диссертации.

1. Определены и проанализированы важнейшие нагрузки, действующие на ветроагрегат и определяющие расчет и проектирование всех несущих конструкций.

2. Рассмотрен весь комплекс несущих конструкций ветроагрегата, включая ротор, опорную башню и фундамент.

3. Разработаны методики расчёта, алгоритмы и отлаженные программы для ЭВМ с целью:

- статического расчета плоских стержневых систем произвольной конфигурации и произвольного типа соединений элементов;

- динамического расчёта собственных колебаний плоских стержневых систем с распределённой массой;

- гармонического анализа динамических нагрузок произвольного вада;

- определения реактивного давления грунта на подошву жёсткого фундамента на упругопластическом основании.

4. С применением разработанных алгоритмов и программ выполнен расчет и даны конструктивные решения ротора, опоры и фундамента ортогонального ветроагрегата мощностью 130 квт.

5. Представленные в диссертации материалы - методики расчётов и конкретные числовые результаты - могут служить ориентиром при разработке новых конструкций ветроэлектростанций и базой для их совершенствования.

По материалам диссертации автором опубликованы печатная работа:

1. Прашанта Кумар Саха. Ветроэнергетические установки. В сб. "Вопросы прочности пространственных систем*, М.: РУДН, 1992.

2. Б.И.Двдух, Прашанта Кумар Саха. Анализ аэродинамических нагрузок на конструкции ветроэлектроустановки.Сб. трудов секции строительной механики и конструкций. М.: РУДН, 1994. (в печати).

PRASHANTA KUMAR SAHA

SYSTEM. OF LOAD_CARRYING STRUCTURE OF WINDMILL-ELECTRIC GENERATING PLANT

The last few years use of wind energy becoming more and more popular all-over the world.

Windmill-electric generating plant belong to class energetic device which used as a source of energy restoration. The highly growing price rate of power medium in the modern world becoming the cause of high importance of the problem of wind energy.

The structural solution of windmill-electric generating plant is of the main problem and particularly the analysis

and design work of load carrying system of windmill-electric generating plant. Some of the solutions of those problems have been done through this dissertation.

View of this dissertation work consist of the solutions of analytical-structural problems arrived from the design of windmill-electric generating plant, engineering development and approbation of methods are analysis, algorithm and program.

Contents of research work mainly build-up through example of analitical results. For this reason materials of this dissertation may be used as orientation through analogical consideration and based on their perfection.

The special value for design practice have worked out algorithms and programes, which may be used directly in the research work through calculating in support of design solution.

In this case possible application of work out algorithms and programesare appearing only in the frame of windmill-energetic device.

1. Load analysis, which effects on the load carrying structure of windmill agregate.

2. Construction of rotor and methods of its statical and dinamical analysis.

3. Calculation of foundation of windmill agregate with counting cycle load and elastico-plasticity propertly of base.

4. Packet of applied algorithms and programes:

- harmonic analysis of aerodynamic load;

- statical analysis of surface colum system,-

- determinationn of rotation and form of own vibration of of the construction of windmill-agregate;

- calculation of reactive pressure and internal force of foundation of windmill-agregate.

Contens of dissertation work

Объем

Тираж

Типография РУДН, 0рджоникид*е 3í

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВОВАВШИХ ИССЛЕДОВАНИИ.

1.1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ.

1. 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ВЕТРОАГРЕГАТОВ.

1. 2.1. КОЛЛИНЕАРНЫЕ ВЕТРОАГРЕГАТЫ.

1.2.2. ОРТОГОНАЛЬНЫЕ ВЕТРОАГРЕГАТЫ.

1.3 ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ I

ГЛАВА II.

2.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2. 2. СХЕМЫ ВЕТРОАГРЕГАТОВ, НАМЕЧЕННЫЕ К ИССЛЕДОВАНИЮ.

ГЛАВА III. СТАТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СИСТЕМЫ НЕСУЩИХ

КОНСТРУКЦИИ РОТОРА.

3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

3. 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АЛГОРИТМА.

3.2.1. ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ СМЕЩЕНИЯ И УГЛЫ ПОВОРОТА

СЕЧЕНИЙ СТЕРЖНЯ.

3. 2. 2. НУМЕРАЦИЯ СТЕРЖНЕЙ И УЗЛОВ.

3.2.3. ИСКОМЫЕ НЕИЗВЕСТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ.

3. 2. 4. УРАВНЕНИЯ УПРУГОГО ИЗГИБА И РАСПОЛОЖЕНИЯ

СТЕРЖНЯ.

3.2.5. УРАВНЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ СИЛ В УЗЛАХ В ПРОЕКЦИЯХ НА ОСИ X И У.

3.2.6. УРАВНЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ МОМЕНТОВ В УЗЛАХ.

3. 3. ИНСТРУКЦИЯ К ПОДГОТОВКЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ к

ПРОГРАММЕ РАСЧЕТА СТЕРЖНЕВОЙ СИСТЕМЫ MST1, И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ВЕТРОРОТОРА.

3.3.1. ТЕКСТ НАПИСАН ДЛЯ ПРИМЕРА РАСЧЕТА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОРОТОРА, ВАРИАНТ №1.

3.3.2. К ПОДГОТОВКЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ К ПРОГРАММЕ РАСЧЕТА СТЕРЖНЕВОЙ СИСТЕМЫ MST1.

Вариант №2 ).

3.3.3. К ПОДГОТОВКЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ К ПРОГРАММЕ РАСЧЕТА СТЕРЖНЕВОЙ СИСТЕМЫ MST1. по схеме N=2 (Рис. 2. 2)).

3. 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА.

3.4.1. РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ.

3.4.2. УТОЧНЕНИЕ РАЗМЕРОВ СЕЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАВЕРСЫ.

3.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ.

3. 5.1. СОБСТВЕННЫЙ ВЕС.

3.5.2. МАКСИМАЛЬНЫЙ ВЕТРОВАЯ НАГРУЗКА.

3. 5. 3. ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.

ГЛАВА IV. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ РОТОРА.

4.1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ.

4.2. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ.

4. 3. СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ ЛОПАСТИ.

4.3.1. СИММЕТРИЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ СИММЕТРИЧНОЙ

СИСТЕМЫ.

4.3.2. АНТИСИММЕТРИЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ СИММЕТРИЧНОЙ

СИСТЕМЫ.

4. 3. 3. ОБЩИИ СЛУЧАЙ.

4. 4. СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ ВЕТРОРОТОРА.

4.4.1. ОБЩЕЕ РЕШЕНИЕ.

4.4.2. ЧАСТНЫЙ СЛУЧАЙ СИММЕТРИЧНОЙ СИСТЕМЫ.

4.4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ЛОПАСТИ JQ.

4.4.4. ПРИМЕР РАСЧЕТА ДЛЯ СИММЕТРИЧНОЙ СИСТЕМЫ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ НАПРЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОПОРНОЙ БАШНИ.

5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

5. 2. ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА.

5.2.1. СИЛОВАЯ СХЕМА.

5. 2. 2. МАКСИМАЛЬНОЕ УСИЛИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ

В ЭЛЕМЕНТАХ УСТАНОВКИ.

5.2.3. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕЧЕНИЙ

ЭЛЕМЕНТОВ ОПОРЫ.

ГЛАВА 6. ОСНОВАНИЕ И ФУНДАМЕНТ.

6.1. НАГРУЗКИ, ПЕРЕДАВАЕМЫЕ НА ФУНДАМЕНТ.

6.1.1. НАГРУЗКИ ОБУСЛОВЛЕННЫЕ УРАГАННЫМ ВЕТРОМ

6.1.2. НАГРУЗКИ ДЛЯ ЭКСПЛУАТИЦИОННОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ВЕТРОАГРЕГАТА ПРИ СКОРОСТИ ВЕТРА

U0= 35 м/с.

6.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНОГО ДАВЛЕНИЯ ПО ПОДОШВЕ ФУНДАМЕНТА С УЧЕТО ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

ГРУНТА.

6. 2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

6. 2. 2. СИСТЕМА УРАВНЕНИИ.

6. 2. 3. БЕЗРАЗМЕРНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ.

6. 2. 4. АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ.

6. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

6.3.1. ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

6.3.2. ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТА

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ VI.

В последние годы во всем мире наблюдается заметный рост интереса к использованию энергии ветра. Например, в Дании уже к концу 1987 г. выработка электроэнергии на ветро-электростанциях достигла О, 8% от общей выработки. По прогнозам специалистов, к 2000 г. ветроэнергетика Дании обеспечит не менее 10% общей потребности в энергии. В США, в штате Калифорния, в 1987 г. эксплуатировалось 15660 ветроагрегатов общей мощностью 1370 мегаватт. По проектам Индии, Китая, Израиля, Иордании и некоторых других стран Азии, к 2000 г. должны быть достигнуты вводы мощностей ветроэлектростанций, превышающие 260 мегаватт в год.

Используемые ветроустановки в большинстве случаев имеют традиционную компоновку с лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси. По оценкам видных специалистов по ветроэнергетике ( В. М. Ляхтер, 1991), мощность таких ветроагрегатов ограничена, и более перспективными в будущем окажутся т. наз. ортогональные ветроагрегаты, у которых ось вращения перпендикулярна скорости ветра. Агрегаты этого типа успешно разрабатываются в России предприятием "Экологически чистая энергетика".

Ветроэлектростанции принадлежат к классу энергетических устройств с возобновляемыми источниками энергии. Рост цен на энергоносители в современном мире обусловливает высокую актуальность проблем ветроэнергетики.

Одной из таких проблем является конструктивное решение ветроэлектростанции и, в частности, расчет и проектирование несущих систем конструкций ветроагрегатов. Диссертация посвящена решению некоторых задач этой проблемы.

Представленные в диссертации исследования составляют раздел госбюджетной научно-исследовательской темы № 122001, выполняющейся по плану работ Российского университета Дружбы народов.

Цель д и сс е ртационной работы состоит в решении расчетно-конструкторских задач, возникающих при проектировании ветроэлектрических установок, и разработке и апробации требуемых для этого методов расчета, алгоритмов и программ.

Науч н ая новизна работы состоит в том, что впервые рассмотрен весь комплекс несущих конструкций ветроагрегата, включая ротор, опорную башню и фундамент. Для расчета исследуемых конструкций созданы новые алгоритмы и программы, отражающие специфику нагрузок и воздействий в условиях работы ветроагрегата. На основе выполненных расчетов получены новые численные результаты. Впервые выполнен расчет фундамента на переменные нагрузки с учетом упругопластических свойств основания.

- Достоверность результатов основывается на использовании классических методов строительной механики, а также тестированием разработанных алгоритмов и программ путем сопоставления результатов с литературными данными.

Практическое значение работы и ее реализация.

Содержание работы в значительной мере построено по принципу примеров расчета с анализом результатов. Поэтому материалы диссертации могут служить ориентиром при проведении аналогичных расчетов и базой для их совершенствования.

Особое значение для практики проектирования имеют разработанные алгоритмы и программы, которые могут быть прямо использованы в работах по расчетному обеспечению конструкторских решений. При этом возможное применение разработанных алгоритмов и программ выходит за рамки только ветроэнергетических устройств.

На защиту выносятся:

1. Анализ нагрузок, воздействующих на несущие конструкции ветроагрегата.

2. Конструкция ротора и методика его статистического и динамичекого расчета.

3. Расчет фундамента ветроагрегата с учетом циклического нагружения и упругопластических свойств основания.

4. Пакет прикладных алгоритмов и программ:

- гармонический анализ аэродинамических нагрузок;

- статический расчет плоских стержневых систем;

- определение частот и форм собственных колебаний конструкций ветроагрегата;

- расчет реактивного давления и внутренних усилий фундамента ветроагрегата.

Апробация работ ы . Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях инженерного факультета Российского Университета дружбы народов (1990, 1991, 1992, 1993 гг. )

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы научные статьи.

Об ъ ем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

Основные выводы по диссертации.

1. Определены и проанализированы важнейшие нагрузки, действующие на ветроагрегат и определяющие расчет и проектирование всех несущих конструкций.

2. Рассмотрен весь комплекс несущих конструкций ветроагрегата, включая ротор, опорную башню и фундамент.

3. Разработаны методики расчета, алгоритмы и отлаженные программы для ЭВМ с целью:

- статистического расчета плоских стержневых систем произвольной конфигурации и произвольного типа соединений

- элементов;

- динамического расчета собственных колебаний плоских стержневых систем с распределенной массой;

- гармонического анализа динамических нагрузок произвольного вида;

- определения реактивного давления грунта на подошву жесткого фундамента на упругопластическом основании.

4. С применением разработанных алгоритмов и программ выполнен расчет и даны конструктивные решения ротора, опоры и фундамента ортогонального ветроагрегата мощностью 130 кВт.

5. Представленные в диссертации материалы - методики расчетов и конкретные числовые результаты - могут служить ориентиром при разработке новых конструкций ветроэлектростанций и базой для их совершенствования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. B.B. Гаскин, Б. И. Ди$ух. Расчет систем несущих конструкций зданий на сейсмическое воздействие. М: Изд-во УДН, 1988 79 с. , ил.

2. Металлические конструкции: Спец. курс: учеб. М 54 Пособие для вузов /Е. И. Беленя, Н. Н. Стрелецкий Г. С. , Ведеников и др. , Под ред. Е. И. Беленя 3-е изд., перераб. и доп. - М: Стройиздат, 1991 - 687 с.1.BN5 274 - 01095-4

3. СНиП 11-23-81*, Стальные конструкции./Госстрой СССР М: ЦИТП Госстроя СССР 1988 - 96. с.

4. СНиП 2.01.07 85. Нагрузки и воздействия./Госстрой СССР 1986 -36с.

5. Дидух Б. И. Методические указания по выполнению статистического расчета стержневых систем с помощью ЭВМ М: Изд-во УДН, 1986-44 с.

6. В. М. Лятхер Ветровые электростанции большой мощности. М.: Информэнерго, 1987. 72 с.

7. Монин A.C., Шишков Ю. А. "история климата" Л: Гидрометеоиздат, 1979.

8. Монин A.C., Яглом А. М. "статистическая гидромеханика ч. 1. М: Наука, 1965, ч. 2,1967.

9. Романова E.H. "Микроклиматическая изменчивость основных элементов климата. Л: Гидрометеоиздат, 1977 г.

10. Романова E.H., Калашников A.B. "Мезоклиматические исследования при оценке репризентативности метеорологических станций в сложных геоморфологических условиях". Тр. ГТО, вып. 461,1982 г.

11. Ламли Дж. Л., Пановский Г. А. "Структура аммосферной турбулентности". Пер. с англ. По ред. С. С. Зилитинкевича и Д. Л. Лайхтмана. М: Мир, 1966 г.

12. Лятхер В. М. "Турбулентность в гидросооружениях". М: Энергетик, 1968 г.

13. Минин В.А. " Основные элементы ветроэнергетического кадастра Североевропейской части СССР". Сб. : Проблемы энергетики Мурманской области и соседних районов. А Н СССР, Кольский филиал, Апатиты, 1980.

14. Морозова Э. А. , Барахтин В. Н. , Давидович Т. В. , Зимаков Н. И. "Режим ветра на авиатрассе Москва Хабаровск". Труды Зап.

15. Сиб. per. НИИ, вып. 50 М. : Гидрометиоиздат, 1983.

16. Хргиан А. X. "Физика атмосферы" JI.: Гидрометиоиздат т. 1, 2, 1978.21. "Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей". Под ред. Ф. Т. Ньистадта и X. Ван Допа. Пер. с англ. Под ред. А. М. Яглома. Л: Гидрометеоиздат, 1985 г.

17. Берлянд М.Е. "Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы". Л: Гидрометеоиздат, 1975.

18. Борисенко М.М. "Вертикальные профили ветра и температуры в нижних слоях атмосферы". Трубы ГГО, вып. 320. Л. , 1974.

19. Interconneclion of a windfarm to a utility grid // Transmission and Distribution. 1984. Juli P. 43 46.

20. Goodman F. De Meo 1. E., Cammings 1. Drawing jn experience at both ends of the scale, the research focus appears to be shifting to the midrange of size and complexily in continuing search for optimal wind turbine design // EPRI. 1984. May. P. 7 16.

21. Фатеев E. M. "Ветродвигатели". M: Сельхозгиз, 1935.

22. Кажинский Б. Б. "Гидроэлектрические и ветроэлектрическиестанции малой мощности". М: Госпланиздат, 1946.

23. Фатеев Е. М. "Ветродвигатели и ветроустановки". М: ОГИЗ1. Сельхозгиз, 1948.

24. Андрианов В. Н., Быстрицкий Д. Н., Вашкевич К. П. , Секторов В. Р. "Ветроэлектрические станции". Под ред. В. Н. Андрианова. М. Л., ГЭИ, 1960.

25. Putnam Р.С. Power from the Wind Van Nostrang Reinhold Company, № Y, 1948.

26. Секторов В. P. " Современное состояние проектирования и опытного строительства крупных ветроэлектрических установок" -Электричество, 1933, № 2.

27. Красовский Н. В. " Как использовать энергию ветра". М: Энергоиздат, 1936.

28. Sachs P. Wind Forces in Engineering, Perg. Press, Oxford,1978.

29. Meroney R.N., Sandborn V.A., Bouwmeester R., Rider M. Wind tunnel simulation of the influence of two dimensional ridges on wind speed and turbulence.Int. Sym. on Wind Energy Systems, Sept. 1976, Cambridge, A.

30. Fritzsche A. Wind Energy and Design Parameters of Autonomous Wind Diesel Power Units, fourth Intern. Symp. on Wind Energy Systems, 1982, paper M„.О

31. Edwards P.J., Dawber K.R. An inverstigation of wind-energy prospects in the otago region of New Zealand, Journal of Industrial Aerodynamics, 5,1980.

32. Lou J.J., Corotis R.B. Stochastic analysis of wind stream and turbine power, Solar Energy, v.35, № 4, 1985.

33. Frost W., Long B.H., Turner R.E. Engineering Handbook onthe Altmospheric Environmental Guideli nee for Use in Wind Turbine Generator Development, NASA Technical Paper 1359,1978,W., DC 20546.

34. Kaimal J.C., Horizantal Velocity Spectra in an Unstable Surface fayer, J. of Atmos. Sci., 1972,35.

35. Basic Data on loads, Joint-Committee on Structural Safety, lisbon, March, 1974.

36. Wind Power: Recent Developments, ed. D. J. De Renzo, 1979.

37. Б.И. Дидух "Упругопластическое деформирование грунтов: Монография" М: Изд-во УДН, 1987. - 166 с. , ил.

38. Б. И. Дидух. "Методические рекомендации к выполнению расчетов ( по курсу "механика грунтов оснований и фундаментов")". Для студентов III IV курсов специальности "Строительство" - М: Изд-во УДН, 1986-44 с.

39. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений ( к СН и П 2.02.01 83)/ НИИОСП им. Герсеванова - М: Стройиздат, 1986-415 с.

40. Я. Г. Пановко, И. И. Губанова "Устойчивость и колебания упругих систем. Современные конструкции, парадоксы и ошибки". Издание второе, дополненное Издательство "Наука". Главная редакция физико-математической литературы. Москва 1967. с. 420.

41. Б. И. Дидух "Механика грунтов": Учеб. пособие М Изд-во УДН, 1990 - 92 с. , ил.

42. Н. И. Бзухов, 0. В. Лужин, Н. В. Колкунов "Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах". Стройиздат, М: 1969.

43. Сопротивление материалов, Н. М. Беляев. Главная редакцияфизико-математической литературы изд-ва "Наука" , 1976 г. , стр. 608.

44. Строительная механика. Изд . 7-е, перераб. и доп. с 86. Под ред. A.B. Даркова. Учебник для вузов. М., "Высшая школа", 1976 600 с. с ил.

45. Киселев В. А. К44. Строительная механика. Общий курс: Учеб. для вузов 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Стройиздат, 1986. - 520 с. : ил.

46. В. М. Лятхер Использование энергии ветра. "Энергетическое строительство", №5, 1986. с. 55*60.

47. В. М. Лятхер Что может дать энергия ветра. "Наука в СССР", №1, 1991, с. 58-65.

48. В. М. Лятхер, И. И. Иванов, С. И. Скосарева Экспериментальные исследования ортогональных агрегатов для использования энергии течения. "Гидротехническое строительство", №11, 1986, с. 33-37.

49. Bangladesh Quarterty. Vol.14 №1 Autumn September 1993 Ashwin 1400, Dhaka, Bangladesh.