1598005519-db2570e1cd069b3f233e2ac13b5f8034 (811225), страница 26
Текст из файла (страница 26)
4.4), Видно, что напряжения при изгибе увеличиваются приблизительно пропорционально первой степени угловой скорости ы. Без учета эффекта увеличения жесткости от центробежных сил напряжения пропорциональны действующим центробежным нагрузкам, которые увеличиваются пропорционально ыз. Так как ротор имеет криволинейную форму, то при использовании программы расчета на основе нелинейного метода необходимо учитывать изменение жесткости от центробежных сил; нагрузка ~ при этом увеличивается и сводные данные по жесткости необходимо выверять после каждого увеличения нагрузки. усовершенствованная методика учитывает эффект действия на лопасть также аэродинамических нагрузок, которые имеют важное значение: вследствие циклического изменения при вращении ротора онн определяют его усталостную прочность, долговечность н дидамические характеристики.
Аэродинамические нагрузки определяют также распределение сил по хорде лопасти. С этой нагрузкой, распределенной по хорде изогнутой лопасти, связана деформация крутки и изгиба лопасти, которые необходимо учитывать в расчетных методах путем введения дополнительных степеней свободы. Для использования в структурном анализе предложен ряд моделей аэродинамических нагрузок [4.2 — 4.4), основанных на моделях единичной (4.Я) или множественных [4.6 — 4.7) трубок тока.
В качестве примера циклического изменения нормальной нагрузки лопасти на рис. 4.5 показано изменение результирующей радиальной аэродинамической нагрузки на корневую часть лопасти. Нагрузка, рассчитанная па основе модели единичной трубки тока для профиля КАСА 0012, отнесена к максимальному значению нагрузки: она зависит в основном от быстроходности двигателя и в меньшей мере — от других параметров ротора, в частности коэффициента заполнения, формы ротора и числа Рейнольдса лопасти. Неустойчивость характеристик нагрузки при быстроходности меньше трех обусловлена периодическим срывом потока с лопастей.
Максимальное значение нормальной нагрузки по экваториальному сечению ротора показано на рис. 4.6. Наиболее значительная нагрузка имеет место при сочетании большой частоты вращения ротора и большой скорости ветра. Заслуживает внимания тот факт, что в 122 этом примере расчета нормальная аэродинамическая нагрузка лопасти может при определенных условиях превышать центробежные нагрузки. Применение существующих моделей нагрузки ограничено вследствие упрощающих допущений используемой в расчетах аэродинамической теории, которая основана на гипотезе плоских сечений. Например, при моделировании нагрузки не учитывается эффект влияния мачты и следа за лопастью, который, по-видимому, для этой модели такого существенного значения, как в случае ветродвигателя крыльчатого типа, не имеет благодаря сравнительно большим расстояниям между лопастью и элементами мачты. Однако для уточнения вопроса необходимы дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования.
Модели аэродинамических нагрузок и реакций конструкции использовались вначале для определения характеристик лопасти работающего ветродвигателя. Экспериментальпыс исследования института Ыа!)опа! АегопапВса! Еэ(аб!1з1ппеп( (МАЕ) и совета ИКС показали, что критическим расчетным случаем нагрузки может быть также действие гравитационных и аэродинамических изгибающих нагрузок на остановленный ветродвигатель при буревых скоростях ветра.
Результаты экспериментального исследования устойчивости лопасти, полученные при испытаниях модели в аэродинамической трубе, анализ реакций ротора при действии гравитационной и аэродинамической нагрузки изложены в (4.8 — 4.10). Динамика лопасти. Известен ряд характеристик для оценки конструктивных особенностей лопасти, которые могут рассматриваться при анализе динамики, К ним относится расчет частоты и формы колебаний, оценка эффекта динамического действия нагрузки, расчет ожидаемой долговечности и анализ флаттера. Программа расчета по методу конечных элементов позволяет определить значение частот собственных колебаний, которые могут быть использованы для анализа частот и форм колебаний ввиду сложности аналитического представления формы лопасти.
Программа численного расчета, однако, должна быть пригодна для определения возникающих на лопасти растягивающих напряжений, вызванных действием центробежных сил прн вращении ротора. Рис. 4,7 иллюстрирует зависимость расчетных частот собственных изгибных колебаний лопасти первой и второй нормальных форм от угловой скорости ротора. Этот результат, полученный для ветродвигателя диаметром 5 м, показывает влияние изменения жесткости лопасти под действием центробежных сил на частоту собственных колебаний нормальной формы, от которой зависят напряжения в лопастях. На рис.
4.7 можно отмстить также постоянный наклон лучей, называемых иногда веером прямых, определяющих местоположение точек, для которых частоты собственных колебаний изменяются примерно кратно по отношению к угловой скорости ротора. Так как многолопастный ротор обладает способностью реагировать на действие пульсирующих нагрузок, которые многократно 123 возникают за один оборот ротора, то пересечение веера прямых с кривой частот собственных колебаний представляет особый интерес. Например, при быстроходности выше трех нормальная аэродинамическая сила на одной лопасти изменяется через один цикл за каждый оборот ротора ]4.2].
Ротор с тремя лопастями, каждая из котовых нагружается прн этих возбуждениях один раз за оборот с фазовым углом 120', будет подвержен трем возбуждениям за один оборот, которые, в свою очередь, будут вновь передаваться на лопасти вследствие упругости поддерживающей конструкции. гв Рис.
4 7. Зависимость частоты собственных колебаний н ]первая и вторая нормальные формы колебаний лопасти) от угловой скорости ы ветродвигателя лаборатории Запжа диаметром 5 и: 1 — одно колебание аа оборот; 2 — два колебания; 3 — три колебания; 1' — первая нормаль. яая форма колебании; 2' — вторая вормальвав форма колебания. а 1П аа Уа то раб/л Если ротор работает на угловых скоростях, полученных при проектировании ординат на рис, 4.7 из точек пересечения лучей 1/об и 3/об с кривыми частот нормальных форм собственных колебаний, то на кромках его могут возникать условия для изгибного резонанса, Это указывает на необходимость тщательной разработки конструкции ротора и объединение системы по фазам, соответствующим выбранному диапазону рабочих скоростей, Используемый при проектировании консервативный метод состоит в увеличении частот собственных колебаний, достаточном для предотвращения резонанса в рабочем диапазоне двигателя.
Вследствие аэродинамических ограничений на форму участков лопасти ее резонансные частоты можно увеличить лишь незначительно за счет различного конструктивного выполнения поперечного сечения лопасти, Использование вспомогательных поддерживагоших подкосов 1см. рис. 4.1) может значительно повысить резонансную частоту 14.10]. Тот факт, что эти подкосы могут также улучшить прочностные свойства ротора при действии гравитационных нагрузок, имеет важное значение для больших ветродвигателей (диаметром ЗО м и более). Хотя подкосы н дают положительный конструктивный эффект, экономически применение их невыгодно и в будущем необходимо установить условия, при которых их использование необходимо. При расчетах частот лопасти нет необходимости проводить обработку отдельных компонентов ротора независимо.
Например, 124 наличие упругих свойств у лопастей и центральной опорной мачты наводит на мысль, что движение одного из компонентов должно вызывать движение другого. Относительное движение между точками присоединения каждой лопасти влияет при наличии другой лопасти на упругие характеристики опорной мачты. Хотя независимая оценка компонентов полезна и информативна для исходного понимания и проектирования, эффект взаимодействия между соответствуюшими компонентами может изменить резонансные частоты компонентов и ввести дополнительные виды колебаний. Так как переменная угловая скорость ротора имеет тенденцию быть того же порядка, что и частота собственных колебаний лопасти, то только несколько первых форм колебаний находится всегда в границах диапазона активного их возбуждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
