Система несущих конструкций ветроэлектростанции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Прашанта Кумар Саха

• Прашанта Кумар Саха
• кандидат технических наук
• 1993

Оглавление диссертации кандидат технических наук Прашанта Кумар Саха

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система несущих конструкций ветроэлектростанции»

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.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Прашанта Кумар Саха

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Прашанта Кумар Саха, 1993 год

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.