עקרונות הגוף הריגיד דינאמי בעיצוב הרוח Turbines

טורבינות הרוח הן בין המכונות המתוחכמות ביותר שנבנו אי פעם, שנועדו ללכוד אנרגיה קינטית מן הרוח ולהפוך אותו לחשמל.הפעולה שלהם כוללת סיבוב בקנה מידה גדול, עומסים מבניים כבדים, ואינטראקציות דינמיות עם זרימת אוויר סוערת. בעוד עיצוב מודרני יותר חשבונות עבור אפקטים אוויריים אינטנסיביים וגמישות חומרית, הבסיס של ניתוח טורבינות נשאר מושרש בדינמיקה גוף קשיחה.

מקור: Rigid Body Dynamics

דינמיקת הגוף הריגיד חוקרת את התנועה של אובייקטים מוצקים אשר מניחים לא לעיוות תחת כוחות יישומיים. במציאות, שום חומר אינו נוקשה לחלוטין, אבל עבור ניתוחים הנדסיים רבים העיוותים קטנים מספיק כדי להתעלם מהם.הכמויות המרכזיות בדינמיקה של הגוף נוקשה כוללות מסה, מרכז של מסה, רגע של אינרציה, מהירות זוויתית, ו- torque.

בהנדסת טורבינות רוח, מושגים אלה חלים בקנה מידה מרובים.הרקטור כולו מטופל כגוף נוקשה כאשר ניתוח הסיבוב הכולל שלה אינטראקציה עם המגדל. להבים בודדים הם לעתים קרובות אידיאלי כמו קמציות קשיחות עבור חישובים ראשוניים, למרות שמודלים מפורטים יותר משלבים גמישות. המגדל עצמו, בעוד גבוה וסולף, הוא מודלק כמו גוף נוקשה עבור יציבות גלובלית.

התפקיד של מסגרות ההכוונה

דינמיקת גוף ריידי כוללת גם מבחר זהה של מערכות לתאם.עבור טורבינות רוח, מסגרות נפוצות כוללות את המסגרת האינטומנטאלית (הקודמת לקרקע), מסגרת התא (שמסתובבת ב- yaw), ואת מסגרת הרקטור (שמסתובבת עם להבים) הטרנספורמציות בין מסגרות אלה מאפשרות למהנדסים לתאר כוחות ותנועות ביחס לרכיבירק, לפשט משוואות לאפקטים של gycocookics ואפקטים.

עקרונות מרכזיים ליישום בעיצוב Wind Turbine

הסעיפים הבאים מתרחבים על עקרונות גוף קשיחים הליבה המשפיעים ישירות על עיצוב טורבינות ותפעול.

רגע של אינרציה והפצת המונים

הרגע של איראטיה קוונטית מגדיר כיצד ההתנגדות להאצה רוטאלית מופץ על ציר.עבור טורבינת רוח רוטטור, הרגע של אינרציה על ציר הסיבוב הוא קריטי כי הוא קובע את ה- torque הנדרש כדי לשנות מהירות סיבובית.רגע גדול יותר של אינרציה הופך את הרקטור עמיד יותר לתנודות הנגרמות על ידי רוחות, אשר משפר את איכות הכוח ומפחית את הלחץ המכאני על הדחף באופן איטי יותר, גם כן, כדי להגיב יותר, כדי להגביר את יכולת שליטה מופרזת יותר, עם זאת, באופן איטי יותר, עם זאת, מגבירה, גם כן, מגבירה יותר, כדי להגביר את יכולת מוגברת, כדי להגביר את יכולת מוגברת, כדי להגביר את יכולת שליטה על פני ⁇ .

מהנדסים לייעל הפצה המונית על ידי בחירת חומרי להב ועיצוב החלקה להב להתמקד המסה ליד השורש כאשר אפשרי, תוך שמירה על יעילות אווירודינמית.העיצוב של מרכז רוטר תורם גם לרגע הכולל של אינרציה, לעתים קרובות באמצעות מסובכים קלים כדי להכות איזון.עבור המגדל, רגע של אינרציה על בסיס שלה חשוב חישוב תדרים טבעיים ודינמית לעומסי אדמה.

מרכז המונים ויציבות

מרכז המסה של כל רכיב - להב, ניל, מגדל - מגנים היכן פועל כוח הכבידה ביעילות.עבור כל הטורבינות, מרכז המסה חייב לשקר בתוך טביעת הרגל של הקרן כדי להבטיח יציבות סטטית.במהלך המבצע, מרכז המוני של עומסי החרושת של הרוטב-נאשל נע כמו מערכת ה-w מסתובב, אבל העיצוב חייב להבטיח כי הפרויקט נשאר בתוך בסיס התמיכה Offshores, אשר דורשים ממולכות רוח נמוכה או ממולכות, למנוע ממולכות ברזל על גבי משטחים.

להבים בודדים יש גם מרכז של מסה כי יש למדוד במדויק ולתאם לאזן.חוסר איזון המוני ברוטטור לגרום לרטטים כי להפיץ דרך הכונן והמגדל, להפחית את חיי הרכיב. יצרנים משתמשים להב מדויק ולהתאים עם מאזן כדי להבטיח כי המרכז הכולל של רוטר של מסה נמצא על ציר הסיבוב.

Torque, Angular Momentum ו- Power Transmission

ה-Aeroדינמית המיוצר על ידי הרוטב הוא קלט העיקרי לכונן.על פי דינמיקת גוף נוקשה, ה- נטו מומנט שווה את קצב השינוי של התנופה זוויתית של הרוטור.עבור טורבינות מהירות קבועה, ה- torque מן הרוח מאוזנת על ידי התגובה הגנרטור ל-Rangexque. in Vari-speeds, הבקר מתואם גנרטורים כדי לשמור על מהירות אופטימלית, בעוד שיחסי הרוח מאפשר לשנות את קצב ה-retracular.

היערכות Gyroscopic היא השפעה חיונית העולה מתנופה זוויתית של רוטטור מסתובב.כאשר טורבינת ירכיים (גזר את התא כדי להתמודד עם הרוח), הווקטור המומנטום הזוויתי של הרוטור משנה כיוון, לייצר ג'ירוסקופית כדיrque כי יש לעמוד מוליך ואת המגדל.

(ב) [ה]בקרובה 2 מ"ג'ודור מסתובב בשעה 15 rpm יש מומנטום זוויתי על סדר של 200,000 ק"מ:2 [2FLT 3:2FLT 3: 3/s. A Yaw rate of 1 תואר שני יוצר ג'ירוסקופי על גבי כ -3,500 ק"מ, שהוא קטן בהשוואה ל-Awrdynamic עבור בחירה.

ניצחונות ואוסוציאציות

דינמיקת גוף ריידי עוזרת לחזות מצבי רטט נמוכים של מבנה הטורבינות.המגדל יכול להיות מודלד כמו עטווט מופנם עם מסה מרוכזת בתא. התדר הטבעי שלו תלוי הנוקשות של המגדל ואת המסה הכוללת של התא ורקטור. מהנדסים מעצבים את המגדל כדי להימנע מהדהד עם התדר העובר ואת התדירות, בדומה לרוטב עצמו יכול לספק את קצה הגמישות הראשונית עם תאים מתוחים ומודלים של הגוף.

דמפינג מוצג באמצעות עיצוב מבני (למשל, באמצעות חומרים מולקולטיים או לחות ההמונים מכוונים בתוך התא) כדי להפחית את הרטטים.עקרונות של דינמיקת גוף נוקשה חלים גם על הניתוח של תנודות מושרה ומניעת רטטים torsional, אשר ניתן מודל באמצעות פרמטרים מלוטשים עם אלמנטים אינרציה ונוקשות.

שיקולים עבור יציבות ויציבות

החלת עקרונות גוף קשיחים מאפשרת למהנדסים לעצב טורבינות שעומדות בפני כוחות סביבתיים תוך כדי למקסם את לכידת האנרגיה.שיקולי העיצוב הבאים משלבים עקרונות אלה.

עיצוב המגדל והאינטגרליות

המגדל חייב לתמוך במשקל של הניטור והרקטור תוך התנגדות לכוחות מאוחרים מן הרוח, הגלים (עבור offshore), ומאורעות סיסמיים.שימוש בדינמיקה של גוף נוקשה, מהנדסים מחשבים את הרגע המתהפך בבסיס ו-FLT:0ensureFLT:1 כי הקרן מספקת מספיק התנגדות לרגע.

מגדלים מודרניים הם לעתים קרובות חלקי אג'רול פלדה, אבל עיצובים קונקרטיים היברידיים משמשים גם הרגע של המגדל של הפצה אינרציה לאורך גובהו משפיע על התגובה הדינמית שלה. חלקים מטיח ועובי קיר שונים משמשים כדי להפחית במשקל תוך שמירה על כוח.מרכז המסה של המגדל נשמר נמוך כמו מעשי לשיפור היציבות, במיוחד עבור טורבינות גבוהות מעל 100 מטרים גובה.

עיצוב בדל והפצת המונים

הבליטות הן הרכיבים הקריטיים ביותר עבור לכידת אנרגיה.החלוקה ההמונית שלהם משפיעה הן על הביצועים האירודינמיים והן על עומסים מבניים.רגעו של הלהב על השורש קובע כמה מומנט נדרש מפעולת המגרש כדי לשנות זווית להב גדול.עבור להבים גדולים, מערכות המגרש חייבות להיות חזקות מספיק כדי להתגבר על אינרציה וכוחות אווירודינמיים.

ניתוח גוף ריגיד משמש גם כדי לאמת את האיזון הלהב במהלך הייצור. חוסר איזון המוני קטן כמו 0.5% יכול לייצר רטטים חד-משמעיים, צמצום החיים הנושא. יצרנים להשתמש בציוד איזון דינמי כדי למדוד את התגובה של רטט רוטר ולהוסיף משקולות נכונות.

אימון וגנרטור Coupling

הכונן מחבר את הרוטב ל גנרטור, לעתים קרובות באמצעות תיבת הילוכים או כונן ישיר. דינמיקה הגוף ריידי מודלים המערכת כסדרה של אינרטיה מסתובבת המחוברת על ידי פירים עם קשיחות עדרסית ולחות. הרגע של אינרציה של גנרטור ורכיבי תיבת הילוכים חייב להיות מתאים לאינטרטיה של רוטר כדי להבטיח שידור חלקה והימנעות מומנטום של המערכת הראשי שלה הוא גם את הגולגולת הכוללת.

קרן ומבנה תמיכה

עבור טורבינות רוח על החוף, הקרן חייבת לספק בסיס נוקשה להתנגד לרגע ההפוך ולמנוע דינמיקה של הגוף ריידי מטפל הטורביינה כולה כמו עטוlum המום; שחזור לסיבוב מתוך הכבידה מייצב את המגדל. Offshore טורבינות להוסיף עומסים הידרודינמיים, ואת מבנה התמיכה (monile, מעיל, או פלטפורמה צפה) חייב להיות מתוכנן עם קשיחות מספיק סיבוב כדי לשמור על המגדל.

בדיקות גוף ריגידיות

מעבר ליסוד, עיצוב טורבינות רוח משתמש יותר ויותר דינמיקת גוף נוקשה כדי להתמודד עם אתגרים ספציפיים.

גירוסוסקופי Precession ב- Yaw ו-Pitch

כאמור, טורקות ג'ירוסקופיות מתעוררות מהאינטראקציה של מומנטום angular ו- Yaw תנועה. עבור טורבינות גדולות, טורקים אלה יכולים לגרום לעומסים משמעותיים על ה-hw נושאת והמגדל. במקרים קיצוניים, אפקטים גרירוזקויים יכולים לשאת עם מצבי רטט המגדל, המוביל למהנדסים לבצע סימולציות גוף קשיחות של אירועים כדי להבטיח כי yawwwwww יכול להוביל את התנועים מהירים כדי להיות מקודדים אלה ללא שינוי דרמטי (למשל) ללא שינוי דרמטי).

ניתוח משנה באמצעות הרעלת גוף ריגיד

ניתוח מודולי של טורבינת רוח מתחיל בדרך כלל עם מודל פשוט שבו המגדל הוא גוף נוקשה על האביב, התא הוא מסה נקודה, ואת הרוטור הוא דיסק inertial רוטטטיבית.זה נותן את מצב הראשון של המגדל ואת הגוף נוקשה yaw ואת מודטים קשיחות. זה מודולאל הם בהשוואה לתדרים מתפתל רוח וסיבוב רוטט אפילו יותר, אם כי הם כוללים מודלים מהירים יותר של עיצובים, כלומר, כלומר, כלומר, באופן טבעי, כדי להשפיע על פני תאים מהירים יותר, כלומר, על ידי עיצוב מהיר יותר, כלומר, על ידי מודלים מהירים יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, שיטות עיצובית, אם כי הם משפיעים על פני תאים מהירים יותר של תאים מהירים יותר של תאים מהירים יותר של תאים מהירים יותר של תאים מהירים יותר של תאים מהירים יותר, עם תאים מהירים יותר של תאים מהירים יותר של תאים מהירים יותר, עם נטייה עיצוב.

Offshore Floating Wind Turbine Dynamics

טורבינות רוח מתופפות להוסיף דרגות גוף קשיחות חדשות של חופש: גל, sway, heave, רול, סט, ו- Yaw של הפלטפורמה. זוגות המומנטום הזוויתיים של הרוטור עם תנועות אלה, לייצר gyroscopication או destabilization בהתאם לתדירות.מעצבים משתמשים בדינמיקה גוף נוקשה לגודל מערכת המתפתלת וקבוע את תקופות הטבעיות של הפלטפורמה, הם מבטיחים שרטוטפוסקים ישירות על בסיס ישר על ידי צבעים.

מחקר מקרה: יישום ב- Modern Product-Scale Turbine

שקול ממוצע 3MW על החוף טורבינות עם קוטר של 100 מטר וגובה מרכז של 80 מטר.המסה רוטטור הוא בערך 40 הרץ, תא 50 טון, ואת המגדל 80 טון.שימוש דינמיקה גוף נוקשה, מהנדסים לחשב את הרגע של רוטר של אינרציה כמו 4 000 ק"מ FLT: 02FLT:1 בערך שלה.

מסקנה

עקרונות של דינמיקת גוף נוקשה נשארים חיוניים בעיצוב של טורבינות רוח מודרנית.מרגע של אינרציה ששולטת בתגובה רוטאלית לטוקים גרירוזקויים כי לטעון את מערכת ה-hw, מושגים קלאסיים אלה מספקים את הבסיס למבצע יציב, יעיל ובטוח.כפי טורבינות לגדול ולהזיז את גבולות, דינמיות גוף נוקשה ממשיכה לשחק תפקיד קריטי ביציבות ראשונית, ניתוח, תכנון, וניהול מהנדסים אלה יכול לפתח טוב יותר.

לקריאה נוספת על יסודות הדינמיקה של הגוף הנוקשות, ה-FLT:0 (MIT OpenCourseWare Engineering DynamicsFLT:1 קורס מציע מבוא מצוין להנחיות עיצוב התעשייה מ-FLT:2NREL's Wind Turbine DesignFLT:3 לספק יישומים מעשיים.