«Расчетная оценка возможности возникновения резонансов в системе „ВЭУ-башня-фундамент-основание“ и определение максимальных нагрузок на фундамент от ураганного ветра» по объекту: Каменско-Красносулинская ВЭС – Южная площадка»
Введение
Настоящий научно-технический отчет содержит основные результаты НИР по теме «Расчетная оценка возможности возникновения резонансов в системе „ВЭУ-башня-фундамент-основание“ и определение максимальных нагрузок на фундамент от ураганного ветра» по объекту: «Каменско-Красносулинская ВЭС – Южная площадка».
В соответствии с техническим заданием, календарным планом и рабочими соглашениями в томе 1 отчета представлены:
– краткое описание конструкций системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание», характеристики материалов, характеристики грунтового основания, описание нагружающих воздействий, постановка задач расчетных исследований;
– описание численных методик, алгоритмов и реализующего программного комплекса (ANSYS Mechanical APDL), методов расчета турбинных установок на резонанс;
– разработанные и верифицированные объемно-стержневые конечно-элементные модели (в верифицированном программном комплексе ANSYS Mechanical APDL) комбинированной системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание», адекватно отражающие ее геометрико-жесткостные и инерционные характеристики;
– результаты вариантных расчетов по определению собственных частот и форм собственных колебаний системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание».
В заключении, на базе выполненных исследований делается вывод относительно возможности резонансных режимов и их опасности для нормальной эксплуатации системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание».
Задачи расчетных исследований
В соответствии с техническим заданием и календарным планом и на основе материалов, представленных в данной главе, ставятся и решаются следующие задачи расчетных исследований:
– анализ и обобщение научно-исследовательской, изыскательной и проектной документации, постановка задач расчетных исследований системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание»;
– разработка и верификация конечно-элементных моделей пространственной системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание»;
– выполнение вариантных расчетов по определению частот и форм собственных колебаний системы;
– оценка возможности возникновения резонансных явлений в системе «ВЭУ-башня-фундамент-основание» в процессе ее эксплуатации.
Программное обеспечение расчетов
Все основные расчеты выполнены по верифицированному лицензионному программному комплексу ANSYS, реализующему развитые схемы методов конечных элементов и суперэлементов для статических и динамических расчетов пространственных комбинированных систем
Расчетные конечноэлементные модели системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание»
Были разработаны следующие пространственные КЭ-модели системы:
1) стержневая модель башни с ВЭУ на жестком основании;
2) стержневая модель башни с ВЭУ на податливом основании, заданном с помощью пружин;
3) модель системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание» с объемным фундаментом и учетом жесткостей свай в грунте.
Результаты расчета собственных частот и форм колебаний системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание»
Для всех описанных КЭ-моделей системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание» выполнены расчеты 20-ти низших собственных частот и форм блочным методом Ланцоша.
Для анализа резонансных явлений в турбинах строится диаграмма Кэмпбелла, представляющая собой зависимость собственных частот (f1, f2, f3, …) от скоростей вращения. На график также накладываются частоты воздействия кратные скорости вращения (1Ω, 3Ω, 6Ω, …). Точки пересечения частот воздействия и собственных частот на диаграмме соответствуют резонансам (повышенным амплитудам колебаний). Опасность конкретного резонансного режима работы определяется демпфированием в системе.
По результатам расчетов собственных частот и форм были построена диаграмма Кэмпбелла для модели 2c (стержневая модель с упругим закреплением, учитывающим податливость грунтового основания) и модели 3 (комбинированная модель с объемным фундаментом и сваями).
Заключение
В результате выполненных разработок и многовариантных расчетных исследований спектра собственных частот и форм колебаний системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание» можно сформулировать следующие выводы и рекомендации.
1. Разработаны в «тяжелом» программном комплексе ANSYS Mechanical и верифицированы пространственные объемно-стержневые конечноэлементные модели комбинированной системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание», адекватно отражающие ее геометрико-жесткостные, инерционные и нагрузочные характеристики, позволяющие с достаточной точностью вычислять собственные частоты и формы собственных колебаний системы.
2. Получены приближенные оценки динамических жесткостей основания с учетом свайного поля на основе методик, приведенных в нормативной литературе, и известных решений.
3. Проведены вариантные расчетные исследования спектров собственных частот и форм колебаний системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание» с учетом податливости основания по альтернативным моделям.
4. Показано, что опасных с точки зрения работы системы резонансных явлений на энергетически значимых низших частотах не проявляется. Указанные низшие собственные частоты системы «ВЭУ-башня-фундамент-основание» удалены от базовых частот воздействия, что не приводит к возникновению опасных резонансных колебаний.
Том 2
Введение
Настоящий научно-технический отчет содержит основные результаты НИР по теме «Расчетная оценка возможности возникновения резонансов в системе „ВЭУ-башня-фундамент-основание“ и определение максимальных нагрузок на фундамент от ураганного ветра» по объекту: «Каменско-Красносулинская ВЭС – Южная площадка» в части определения ветровых нагрузок на фундаментные конструкции.
В соответствии с техническим заданием, календарным планом и рабочими соглашениями в томе 2 отчета представлены следующие материалы:
– анализ и обобщение проектной документации, анализ ветровых режимов района строительства, особенности расчетов ветрового нагружения ВЭУ в отечественных и зарубежных нормативных документах, постановка задач расчетных исследований. (раздел 2)
– описание методики аэродинамических расчетов ветровых воздействий на здания, сооружения и комплексы с использованием программного комплекса ANSYS CFX, реализованной в форме библиотеки макросов и подпрограмм. В обоснование методики численного моделирования для ряда верификационных тестовых и сходных по сложности задач приводится сравнение результатов расчетов с данными испытаний в аэродинамической трубе и натурными замерами. (раздел 3)
– параметры расчетных сеток для проведения аэродинамических расчетов для углов атаки ветра с шагом 45°. Разработанные и верифицированные расчетные трехмерные CFD-модели. (раздел 4)
– результаты расчетов средней и пульсационной составляющих аэродинамических нагрузок на несущие конструкции и фундамент ВЭУ при различных направлениях «ураганного» ветра (шаг 45°) в трехмерной постановке для двух вариантов фиксации положения лопастей с ветровым профилем согласно IEC 61400 и для одного варианта фиксации положения лопастей с ветровым профилем согласно СП 20.13330.2011. (раздел 5)
В заключении, на базе выполненных исследований даются рекомендации по назначению ветровых нагрузок на фундаментные конструкции ВЭУ.
Задачи расчетных исследований
В соответствии с техническим заданием и календарным планом и на основе материалов, представленных в данной главе, ставятся и решаются следующие задачи расчетных исследований:
– анализ и обобщение проектной документации, постановка задач расчетных исследований для рассматриваемого сооружения ВЭУ;
– описание методики аэродинамических расчетов ветровых воздействий на здания, сооружения и комплексы с использованием программного комплекса ANSYS CFX
– разработка и верификация трехмерных моделей ветровой аэродинамики рассматриваемого сооружения ВЭУ;
– определение средней и пульсационной составляющей ветровой нагрузки на фундаментные конструкции ВЭУ при различных направлениях ветра.
Программное обеспечение расчетов
В качестве основного расчетного инструмента выбран лицензионный универсальный ПК ANSYS, допускающий также проведение прочностных и связанных аэроупругих расчетов.
Геометрические модели ВЭУ
Расчетная модель
Результаты основных аэродинамических расчетов
Заключение
По результатам выполненной НИР «Расчетная оценка возможности возникновения резонансов в системе „ВЭУ-башня-фундамент-основание“ и определение максимальных нагрузок на фундамент от ураганного ветра» по объекту: «Каменско-Красносулинская ВЭС – Южная площадка» в части определения ветровых нагрузок можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:
1. На основе анализа и обобщения исходных данных разработаны и верифицированы расчетные трехмерные численные модели ВЭУ для двух фиксированных положений лопастей.
2. С использованием современных численных методов гидрогазодинамики, реализованных в программном комплексе ANSYS CFD (CFX), и разработанной методики проведены нестационарные расчетные исследования аэродинамики ВЭУ при 8-и направлениях ураганного (экстремального) ветра с шагом 45°.
3. Определены расчетные средние, минимальные и максимальные составляющие ураганных ветровых нагрузок на несущие конструкции фундамента ВЭУ.
Для всех расчетных направлений ветра результаты аэродинамических расчетов представлены подробно в табличном виде: значения средней, минимальной и максимальной (амплитуда пульсаций относительно средней) составляющих суммарных нагрузок на фундаментные конструкции ВЭУ.
4. Выполнено количественное сравнение максимальных значимых расчетных ветровых нагрузок на фундамент согласно IEC 61400 и СП 20.13330.2011 с данными поставщика оборудования.
5. Полученные результаты численного моделирования ветровой аэродинамики при урагане (расчетные нагрузки на фундамент) не превышают значений нагрузок на фундаменты, указанных в документации ф. Vestas, полученной в качестве исходных данных от заказчика. Для проведения прочностных расчетов фундаментных конструкций ВЭУ рекомендуется использовать значения суммарных нагрузок на фундаменты, указанные в документации ф. Vestas (поставщика оборудования)
