РАЗДЕЛ 2
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРЫВИСТОГО ВЕТРОВОГО ТЕЧЕНИЯ
2.1. Методический подход к определению воздействия ветра на металлические решетчатые башни ВЭУ
Значительное аэродинамическое сопротивление ВЭУ в режиме выработки электроэнергии обусловливает напряженный режим работы башен, как составной части единой системы. При этом динамические воздействия на ветротурбину, вызываемые порывами ветра, существенно влияют на напряженно-деформированное состояние элементов конструкции башен. Таким образом, для определения параметров действительного ветрового воздействия на башни ВЭУ необходима информация как о характеристиках ветрового течения (среднем и мгновенных значениях модуля вектора скорости), так и о внутренних параметрах, отражающих напряженно-деформированное состояние башни (напряжения, усилия, возникающие на различных режимах работы ВЭУ, а также частоты собственных и вынужденных колебаний). Поскольку основные энергонесущие пульсации скорости ветра находятся в области низких и инфранизких частот, а наивысшая частота собственных колебаний решетчатых башен может достигать 30 Гц (крутильные колебания) [61, 89], будем рассматривать диапазон частот f?[0,01; 30] Гц. Следует отметить, что рассматривая абстрактную ВЭУ, невозможно учесть все возможные нюансы, которые возникают в реальных условиях. Вполне вероятно, что приведенные выше массивы параметров могут быть существенным образом пополнены или сокращены [97, 113].
На рис. 2.1. представлена обобщенная блок-схема динамических ветровых воздействий на башни ВЭУ и их результатов.
Рис. 2.1. Динамические нагрузки на башни ВЭУ, определяемые ветровым воздействием.
Для получения достоверной измерительной информации о ветровом воздействии на баши ВЭУ в указанном выше частотном диапазоне, возникла необходимость в разработке и изготовлении универсальной системы мониторинга ветрового течения в приземном слое атмосферы, позволяющей одновременно контролировать параметры напряженно-деформированного состояния. Это вызвано тем, что в Украине системы подобные упомянутым выше [97, 127], не производятся.
Одним из основных требований к разработанной системе было обеспечение открытости архитектуры как аппаратного, так и программного обеспечения, которая подразумевает быструю адаптацию конфигурации системы для решения конкретной задачи. Это требование обусловливает как обеспечение совместимости с выходными сигналами первичных электронных измерительных преобразователей (ПЭИП), так и наличие аппаратной и программной совместимости модулей, составляющих систему. Специфика натурных измерений параметров ветрового воздействия на башни ВЭУ обусловливает такие требования, как компактность, мобильность, надежность и защищенность по отношению к воздействиям атмосферных факторов, высокая степень автономности. И, наконец, последним, но наиболее важным требованием к системе было обеспечение представительности определения ветрового воздействия на ВЭУ.
Требование обеспечения представительности измерений в заданном частотном и динамическом диапазоне касается в основном специфики многоканальных измерений. Оно подразумевает, что количество входных измерительных каналов системы N должно, как минимум, соответствовать количеству параметров, определяющих состояние объекта. Частота выборки сигнала Fвi, соответствующая i-тому параметру, должна определяться значением верхней граничной частоты изменения параметра Fгрi (согласно теореме Котельникова [142]:
а длительность измерения Tи - общей шириной спектра сигнала Вf и значением допустимой ошибки ? [86]:
C учетом вышеизложенного, автором разработана и изготовлена универсальная мультипараметрическая информационно-измерительная система УСМК-1, предназначенная для мониторинга воздействия ветра на ВЭУ [141]. Отличительной особенностью ее аппаратной реализации является ориентация на конструктивы IBM-подобных персональных компьютеров (ПК), широко распространенных в Украине. Аппаратное и программное обеспечение системных модулей ПК, стоимость которых в настоящее время относительно невелика, позволили на их основе разработать многоканальную систему сбора измерительной информации с приемлемыми для практического использования характеристиками. При этом открытость архитектуры ПК определила открытость системы. Внешний вид системы представлен на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Внешний вид системы УСМК-1. В базовой конфигурации система включает в себя ПК IBM, адаптер внутримодульного интерфейса (АВМИ), подключенный к системной шине ISA. К АВМИ посредством стандартного для IBM 40-проводного плоского кабеля подключается измерительный модуль, содержащий в себе универсальный управляемый усилитель, а также коммутаторы сигналов и 64-канальный тензометрический усилитель. Структура коммутаторов аналоговых сигналов, а также технические параметры управляемого усилителя обеспечивают возможность подключения к системе разнообразных первичных измерительных преобразователей. Среди них - измерители вибрационной скорости ВЭГИК, тензометрические динамометры, акселерометры и другие. Измерительный модуль собран в корпусе MiniTower. Основные технические характеристики разработанной системы приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1.
Технические характеристики системы УСМК-1
Количество входных аналоговых каналов, шт ?64Количество тензометрических каналов, шт64Диапазон входных напряжений, В?5,11Диапазон измеряемых механических напряжений, МПа?518Относительная погрешность измерения механических напряжений ?, не более, %
1,2Частотный диапазон измерения механических
напряжений, Гц
от 0 до 30Диапазон измеряемых усилий , кНот 0 до 100Диапазон температур воздуха, ?С?51,1Абсолютная погрешность измерения температуры, не более,?С ?0.1Диапазон измеряемых скоростей ветра, м/c0-50Абсолютная погрешность измерения скорости ветра, не более, м/c
?0.4Частотный диапазон измерения турбулентных пульсаций скорости ветра, Гц
от 0 до 30Диапазон измерения направления ветра, ?0-360Абсолютная погрешност