3.11. Напряжение от моментов, воздействующих на лопасть

На лопасть ветроколеса при неподвижной ветроголовке ветротурбины действуют момент аэродинамических сил M_a и момент от распределенных центробежных сил M_ц.с. Поскольку векторы этих моментов взаимно перпендикулярны, то модуль суммарного вектора

.

(3.52)

Напряжение при изгибе, Н/м²

,

(3.53)

где W_сопр — момент сопротивления сечения маха, который зависит от конкретной конструкции (труба, тавр, двутавр и т. д.), м^3, [7].

3.12. Суммарные напряжения, действующие на лопасть

Суммарные напряжения, действующие на лопасть, рассчитываем в соответствии с выражением

,

(3.54)

где _отр — напряжения, создаваемые центробежной силой (находим по выражению (3.8)); _изг — напряжения, создаваемые суммарным изгибающим моментом.

В зависимости от материала, из которого изготовлен мах лопасти, имеем максимально допустимые напряжения [_max].

Следует соблюдат неравенство

сум < [max].

(3.55)

Если неравенство (3.55) не соблюдается, следует изменить конструкцию маха лопасти или подобрать другой материал для его изготовления.

3.13. Выбор наружного диаметра трубы маха

Исходя из того, что момент сопротивления изгибу трубы [7] равен

,

(3.56)

где D_тр — наружный диаметр трубы; — относительный внутренний диаметр трубы; и используя соотношение

,

(3.57)

где σ_изг — расчетное максимальное напряжение в сечении от изгибающего момента, имеем для наружного диаметра трубы:

.

(3.58)

Числом задаемся в пределах α = 0,8 … 0,9. Задаваясь запасом прочности

,

(3.59)

где [_max] — предельно допустимое напряжение в сечении для выбранного материала маха, имеем для _изг, входящего в (3.57),

.

(3.60)

По выбранному наружному диаметру D_тр, уточненному по стандартам для труб (см., например, [8]), а также по предлагаемому в [8] ряду толщин трубы Δ, соответствующему выбранному D_тр, пересчитываем напряжение в заданном сечении по формулам (3.56) и (3.57), где

;

(3.61)

или

.

(3.62)

4. Пример расчета на прочность лопасти ветроколеса

4.1. Исходные данные расчета на прочность лопасти

Большинство исходных данных для расчета лопасти на прочность является результатом аэродинамического расчета лопасти. К исходным данным прочностного расчета относятся:

• диаметр ветроколеса — D = 4 м (результат аэродинамического расчета);

• относительный внутренний радиус ветроколеса ;

• длина лопасти — l = 0,4D = 1,6 м (результат аэродинамического расчета);

• относительная хорда корневого сечения лопасти в долях радиуса: (результат аэродинамического расчета);

• относительная хорда периферийного сечения лопасти в долях радиуса: (результат аэродинамического расчета);

• относительная толщина профиля корневого сечения лопасти (является результатом аэродинамического расчета (см. табл. 2.7));

• относительная толщина профиля среднего сечения лопасти ;

• угол установки профиля корневого сечения φ = 13° (является результатом аэродинамического расчета (см. табл. 2.11));

• плотность материала лопасти (предполагаем, что лопасть будет выполнена из дерева, в качестве которого выбираем сосну) ρ_лоп = = 0,6·10³ кг/м³;

• число лопастей — i_л = 3;

• тип профиля лопасти — «Эсперо»;

• колесо нестабилизируемое;

• предельно допустимая скорость ветра V_{пред.доп} = 25 м/с;

• максимальный коэффициент подъемной силы ;

• материал трубы маха — сталь 20;

• расчетная скорость ветра — V = 10,3 м/с (результат аэродинамичес-кого расчета);

• коэффициент быстроходности в рабочей точке характеристики ветроустановки — Z = 6,5;

• плотность воздуха — ρ = 1,23 кг/м³.