Власна частота й резонанс опори вітрогенератора: 1P, 3P, вихрове збудження

Чому потрібна перевірка

Ротор збуджує опору двома основними частотами. Частота обертання ротора, 1P, дає силу від його дисбалансу. Частота проходження лопатей, 3P для трилопатевого ротора, дає періодичний поштовх щоразу, коли лопать проходить повз опору. Якщо власна частота опори збігається з однією з них, амплітуда коливань різко зростає, а в зварних швах і фланцевих стиках накопичується втома.

Власна частота впливає й на вітрове навантаження: від періоду коливань залежить, яку таблицю коефіцієнта висоти брати, і чи потрібен спеціальний динамічний розрахунок. Це розібрано в статті Вітрове навантаження на опору за ДБН В.1.2-2.

Частоти збудження

Частота 1P у герцах дорівнює обертам за хвилину, поділеним на 60, а 3P утричі більша. Діапазон обертів дає виробник турбіни. Приблизно його оцінюють із швидкохідності, тобто відношення швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.

Для наочності нижче наведено умовний приклад для ротора з діапазоном обертів 20–50 об/хв; числа не стосуються конкретної турбіни.

Умовний приклад.

Де розташувати власну частоту

Є три варіанти розташування першої власної частоти опори. «М’яка» опора має її нижче 1P, «жорстка» — вище 3P, а проміжна лежить між 1P і 3P. Проміжний варіант існує лише тоді, коли найбільші оберти менші за потроєні найменші: 3P на найменших обертах має бути вище 1P на найбільших. В умовному прикладі вище це виконується: найменша 3P дорівнює 1,00 Гц, найбільша 1P — 0,83 Гц, тож між ними є вікно.

Коли діапазон обертів широкий і вікна немає, першу частоту розташовують вище 1P на всьому діапазоні, а перетин 3P допускають на низьких обертах під керуванням контролера. Вибір стратегії залежить від вимог виробника турбіни й від допустимих переміщень опори: м’яка опора частіше не проходить за переміщеннями.

Зона виключення обертів

Коли власна частота опори потрапляє в діапазон збудження, контролер турбіни не допускає тривалої роботи в діапазоні обертів навколо збігу. Межі зони й швидкість проходу крізь неї задає виробник турбіни, і сама опора цього не вирішує, тому вимоги до керування передають виробникові окремим пунктом.

Для кожної пари «власна частота — гармоніка збудження» перевіряють і відношення частот: вимоги виробника турбіни вказують допустимі запаси до 1P і 3P, а також до гармонік вищого порядку.

Вплив основи й перевірка після монтажу

Розрахунок власних частот зазвичай виконують із защемленням в основі, а податливість фундаменту й ґрунту знижує першу частоту. Тому для проєкту фундаменту задають мінімальну обертальну жорсткість основи, а ґрунтові дані беруть із інженерно-геологічних вишукувань.

Після монтажу першу частоту вимірюють, наприклад імпульсним збудженням і акселерометрами, і порівнюють із розрахунком. Допустиме відхилення вниз задає проєкт або виробник турбіни.

Вихрове збудження

Вітер, що обтікає стійку, зриває вихри з частотою, пропорційною швидкості. Якщо ця частота збігається з власною, стійка коливається впоперек потоку. ДБН В.1.2-2 вимагає перевірки на вихрове збудження для високих споруд із відношенням h/d понад 7 (п. 9.17), де h — висота, d — мінімальний розмір перерізу на рівні 2/3 висоти. Методику розрахунку зазвичай беруть із додатка E до EN 1991-1-4.

Критична швидкість vcrit = f1 · b / St, де f1 — перша власна частота, b — характерний розмір перерізу, St — число Струхаля (для круглого перерізу близько 0,2). Амплітуда коливань тим менша, чим більше число Скрутона Sc = 2 · δs · me / (ρ · b²), де δs — логарифмічний декремент коливань, me — еквівалентна маса на одиницю довжини, ρ — густина повітря.

Якщо амплітуда вихрового збудження неприпустима, застосовують спіральні ребра (стрейки), демпфери або змінюють жорсткість опори. Утомну перевірку з урахуванням вихрового збудження й циклів ротора виконують за спектром навантажень виробника.

Що передати виробнику й замовнику

• діапазон обертів, можливість зони виключення й швидкість її проходу;
• вимоги виробника до жорсткості опори: найменша перша частота, кут нахилу голови, переміщення верху;
• навантаження на верхній фланець і спектр утомних навантажень;
• положення центра мас голови й її момент інерції;
• вимогу до обертальної жорсткості основи для проєкту фундаменту.

Загальний порядок розрахунку опори описано в статті Розрахунок щогли вітрогенератора, а про анкерні болти — у статті Анкерні болти для опор і щогл.

Нормативи й чинність

• ДБН В.1.2-2:2006 «Навантаження і впливи. Норми проектування»: п. 9.13 (спеціальний динамічний розрахунок), п. 9.17 (вихрове збудження).
• EN 1991-1-4 «Дії вітру»: додатки B і E, методики відгуку на пориви й вихрового збудження.
• Вимоги до вітроенергетичних установок (IEC 61400-1, IEC 61400-2) стосуються турбіни, і їх виконує її виробник.

Чинність документів перевіряють перед початком роботи.