مبادئ ريجيد الديناميكية الجسمية في التصميم ويند توربينز

The Principles of Rigid Body Dynamics in the Design of Wind Turbines

وتتكون هذه التربينات من أكثر الأجهزة دوارة تطوراً في أي وقت مضى، وهي مصممة لاستخلاص الطاقة الحركية من الرياح وتحويلها إلى كهرباء، وتشمل عملياتها التناوب على نطاق واسع، والشحنات الهيكلية الثقيلة، والتفاعلات الدينامية مع التدفق الجوي المضطرب، وفي حين أن التصميم الحديث يُظهر بصورة متزايدة آثاراً هزلية ومرونة مادية، فإن أساس تحليل التربين لا يزال متأصلباً في ديناميات الجسم الجامدة كلاسيكية.

أساسيات ديناميكية الجسم الريغي

إن ديناميات الجسم المتأصل تدرس حركة الأجسام الصلبة التي يفترض أنها لا تشوهها القوى التطبيقية، وفي الواقع، لا توجد مواد صلبة تماماً، ولكن بالنسبة للعديد من التحليلات الهندسية، فإن التشوهات صغيرة بما يكفي لتجاهلها، وتشمل الكميات الرئيسية من ديناميات الجسم الصلبة الكتلة، ومركز الكتلة، ولحظة الانحدار، والسرعة العديمة، والضغط على العجلات الجديدة، وتوسيع نطاق قوانين نيوتن لتشمل التناوب على وجه التحديد.

وفي هندسة التربينات الريحية، تطبق هذه المفاهيم على نطاقات متعددة، وتُعامل الدوارة بأكملها كجسد صلب عند تحليل تناوبها العام وتفاعلها مع البرج، وكثيرا ما تكون الشفرات الفردية مثالية كحبوب صلبة لحسابات التحميل الأولية، حتى وإن كانت النماذج الأكثر تفصيلاً تتضمن المرونة، بينما يُعد البرج نفسه، طويلاً وثابتاً، بمثابة جهاز صلب للتحقق من الاستقرار العالمي.

دور الخرائط المرجعية

وتشمل ديناميات الجسم المتأصل أيضا اختيار نظم التنسيق بعناية، وبالنسبة للتربين الريحي، تشمل الأطر المشتركة الإطار غير القانوني (المثبتة على الأرض)، وإطار الناتسيل (الذي يتعفن في الياو)، وإطار الدوار (الذي يتناوب مع اللافت)، وتتيح التحولات بين هذه الأطر للمهندسين وصف القوى والحركات المتصلة بتناوب المكونات، وتبسيط الآثار المترتبة على استخدام الأساطيل في الطاقة.

المبادئ الرئيسية المطبقة في تصميم ويند توربين

وتتوسع الأقسام الفرعية التالية في المبادئ الأساسية للجسم الصلب التي تؤثر مباشرة على تصميم وتشغيل التربين.

Moment of Inertia and Mass Distribution

إن لحظة الانتصاب تُنقِف كيف توزع مقاومة التسارع التناوبي على محور، فبالنسبة لدوار التربين الريحي، فإن لحظة الغضب من محور التناوب أمر حاسم لأنه يحدد الضجة اللازمة لتغيير سرعة التناوب، كما أن اللحظات الأكبر من الميكانيكية تجعل من الدوار أكثر مقاومة للتقلبات السريعة التي تسببها عواصف الرياح، مما يؤدي إلى تحسين نوعية القوة.

المهندسون يُفضّلون التوزيع الجماعي باختيار المواد السائلة و تشكيل الشفرة لتركيز الكتلة قرب الجذر عندما يكون ذلك ممكناً، بينما يحافظون على كفاءة الهواء، كما أن تصميم مركز الروتور يساهم في اللحظة العامة من الغضب، ويستخدم في كثير من الأحيان مركبات الوزن الخفيف لتحقيق التوازن، وبالنسبة للبرج، فإن لحظة الارتداد حول قاعدته مهمة لحساب العجلات الطبيعية.

مركز الكتلة والاستقرار

مركز كتلة كل عنصر - فصيلة، ناسيل، برج - تعريفات حيث تعمل الجاذبية بفعالية، وبالنسبة للتوربين بأكمله، يجب أن يكون مركز الكتلة في إطار الأساس لضمان الاستقرار الثابت، وخلال العملية، ينتقل مركز الكتلة الحركية للتجمعات ذات الدوارة - الناتسيل مع دوارة نظام الياو، ولكن التصميم يجب أن يكفل بقاء الإسقاط الرأسي في قاعدة الدعم.

كما أن الشفرة الفردية لها مركز الكتلة يجب قياسه بدقة ومطابقته للتوازن، والاختلالات الكبيرة في الرواد تسبب الاهتزازات التي تبث من خلال الدرب والبرج، وتخفض الحياة المكوّنة، ويستخدم المصانع شفرة دقيقة لقياس التوازن والتكيف مع وزن التوازن لضمان أن مركز الروتور العام للكتل يقع على محور التناوب.

Torque, Angular Momentum, and Power Transmission

إنّ الشعلة الهوائية التي ينتجها الدّاوريّة هي المُدخل الرئيسي إلى الحُرّة، وفقاً لديناميات الجسم الصلبة، تُساوى مع معدل التغير في الزخم المتقلب للدوار، بالنسبة إلى التربين السريع المستمر، تُتوازن العُزلة من الرياح بردّة المولدات، في التربينات المُتسارعة المُتغيرة،

إنّ الهيمنة على الـ(جيروسكوب) هي تأثير حاسم ينجم عن الزخم المتقلب للدوار الشوكي، عندما يُحرّر الـ(ناسيل) لمواجهة الرياح، فإنّ قوة الدفع المتّحدة للـ(الدوار) تُغيّر اتجاهها، تنتج شعلة غروسكوبية يجب أن تقاوم بواسطة الـ(يواين) و(اليانصيب)

Example:] A 2 MW turbine with a rotor sening at 15 rpm has angular momentum on the order of 200,000 kg·m^]2/s. A yaw rate of 1 degree per second generates a gyroscopic torque,

الفحوصات والرسوم

ديناميات الجسم المتوهجة تساعد على التنبؤ بأوساط الإهتزازات المنخفضة التردد في هيكل التربين، يمكن أن يُصاغ البرج على شكل خماسي ملتوي مع كتلة مركزة في الناتشيل، وتردده الطبيعي يعتمد على سعة البرج و الكتلة الكلية للناسيل والدوار

ويُحدث الضرر من خلال التصميم الهيكلي (مثل استخدام المواد الفيسكولية أو أجهزة الركود الملوَّثة داخل الناتشيل) للتخفيف من اليقظة، كما تنطبق مبادئ ديناميات الجسم الصلبة على تحليل الأورام التي تسببها الياو والهتزازات الحرارية التي يمكن أن تُصاغ باستخدام نظم البارامترات المقطوعة مع عناصر من الاورتيا والثدي.

اعتبارات التصميم المتعلقة بالقدرة على الاستقرار والكفاءة

وتطبيق مبادئ الجسد الصلبة يتيح للمهندسين تصميم التوربينات التي تصمد أمام القوى البيئية مع زيادة استيعاب الطاقة إلى أقصى حد، وتدمج الاعتبارات التصميمية التالية هذه المبادئ.

تصميم البرج ونزاهة الهياكل الأساسية

يجب أن يدعم البرج وزن الناتشيل والدوار بينما يقاوم القوى الجانبية من الرياح والموجات (للخارج) والأحداث السيزمية، باستخدام ديناميات الجسم الصلبة، يحسب المهندسون لحظة الإطاحة في القاعدة و الشعور [FLT: 1] أن المؤسسة توفر تواترا كافيا للتناوب

الأبراج الحديثة غالباً ما تكون أجزاء من الحوض الصلب لكن التصميمات الخرسانية والمختلطة تستخدم أيضاً لحظة توزيع البرج على طوله تؤثر على رده الديناميكي، وتُستخدم الأجزاء المُطهرة وسمك الجدار المتباين لتقليل الوزن مع الحفاظ على القوّة، ويبقى مركز البرج منخفضاً بقدر ما يكون عملياً لتحسين الاستقرار، خاصة بالنسبة للطوابق الطويلة التي تتجاوز طولها 100 متر.

تصميم الشعارات وتوزيعها على نطاق واسع

إنّ اللومات هي أهمّ عناصر إستخلاص الطاقة، والتوزيع الجماعي لها تأثير على الأداء الهوائي و التحميل الهيكلي، لحظة الغضب حول الجذر، تحدد كم من الحرق مطلوب من المُصوّر لتغيير زاوية النسيج، لأنّ أنظمة القذف الكبيرة يجب أن تكون قوية بما يكفي للتغلب على العُسر و القوى الهوائية

تحليل الجسم المُتَجَرَف أيضاً مُتَخَلَّمَا لتَثبيت التوازنِ خلال التصنيعِ اختلال كتلةٍ صغيرةٍ كنسبة 0.5% يمكن أن ينتجَ ذبوحاتٍ مُمكنةِ،

▪ تضافر الدراجات والمولدات

إنّ الدافع يربط الدوار بالمولد، غالباً عبر صندوق التروس أو القيادة المباشرة، وديناميات الجسم المتألقّية تُعدّ النظام كسلسلة من الاضطرابات الدوارة التي ترتبط بالفتحات المُتَركّبة و التخدير، وعادة ما تُسهم في تقلص المولدات الكهربائية، و مكونات العتاد،

الهيكل المؤسسي والدعمي

وبالنسبة إلى التربينات الريحية على الشاطئ، يجب أن توفر المؤسسة قاعدة صلبة لمقاومة لحظة الارتداد ومنع التلويث، وتعالج ديناميات الجسم المتفشية كامل التربين كحد أدنى من اللافقار، وتستقر الجاذبية من الجاذبية، وتضيف التربينات البحرية حمولات هيدرينامية، كما يجب تصميم هيكل الدعم (اللوحة، أو المعطف، أو المنصات الاستوائية) بما يكفي

النظر في الهيئات المتقدمة

وإلى جانب الأساسيات، يُستخدم تصميم توربين الرياح بشكل متزايد ديناميات الجسم الصلبة لمواجهة تحديات محددة.

Gyroscopic Precession in Yaw and Pitch

وكما ذكر، فإن العواصف الغامضة تنبع من تفاعل الزخم العنيف الدوار والحركة الرطبة، وبالنسبة للطوابق الكبيرة، يمكن أن تسبب هذه العوالق أعباء كبيرة على حاويات البرج والبرج، وفي حالات بالغة، يمكن أن تقترن آثار الزهرة بطرائق تهوية البرج، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار.

تحليل الطرائق باستخدام استهلاك الجسم الريغي

ويبدأ التحليل المتحرك لاضطرابات الرياح عادة بنموذج مبسط حيث يكون البرج جسما صلبا في الربيع، والناتيل هو كتلة نقطة، والدوار هو قرص غير بحري متناوب، وينتج عن ذلك أول طريقة لربط البرج وأسلوب تصاميم الجسم الصلبة وطرق الترميز هذه التواترات المتحركة تقارن بين نماذج الارتداد الأولي.

الديناميات المتحركة

تربينات الرياح المزدحمة تضيف درجات حرّية قوية: الطفرة، السكك، القفز، اللف، الرمي، القذف، السحب، السحب، السحب، اللاعب، الأزواج المتحركين مباشرة مع هذه الاقتراحات،

دراسة حالة: تطبيق في توربينية حديثة

"تبدو التناوبية 3 أم دبليو" "بدون قطر 100 متر" "وطول محوري يبلغ 80 متراً" "الطاقة الدوارة تُحسب حوالي 40 طناً" "والبرج 80 طناً" "بإستخدام ديناميات الجسم الصلبة" "المهندسون يحسبون لحظة الـ"الدوار"

خاتمة

ولا تزال مبادئ ديناميات الجسم الصلب أساسية في تصميم التوربينات الريحية الحديثة، إذ أن هذه المفاهيم التقليدية، منذ لحظة حدوث اضطراب يحكم التناوب على السخرة التي تحمل نظام الياو، توفر الأساس لعملية مستقرة وفعالة وآمنة، حيث أن التربينات تنمو وتتحرك ديناميات الجسم المتشددة البعيدة، لا تزال تؤدي دورا حاسما في التصميم الأولي، وتحليل الاستقرار،

For further reading on the fundamentals of rigid body dynamics, the MIT OpenCourseWare Engineering Dynamics] course offers an excellent introduction. Industry design guidelines from ]NREL's Wind Turbine Design[FL:3] resources provide practical applications.