13. Прочностной расчет лопасти.
Большинство исходных данных для расчета лопасти на прочность является результатом кинематического расчета лопасти. К исходным данным прочностного расчета относятся:
- диаметр ветроколеса D=5 м.
- длина лопасти l=2.7 м.
-хорда корневого сечения лопасти b=200мм=0.2 м;
-плотность
материала лопасти (предполагаем что
каркас лопасти будет выполнен из дерева
в качестве которого выбираем сосну)
*103
кг/м3;
- наружный диаметр кольцевой трубы Dтр=40мм=0.04 м;
-внутренний диаметр кольцевой трубы dтр= 32 мм=0.032 м;
-материал трубы – сталь 20;
- предельно допустимое напряжение стали 20 [σCT20]=40 кгс/мм2=4000*105 Па;
-расчетная скорость ветра V=6.5 м/с;
- коэффициент быстроходности в рабочей точке ветроустановки Z=6.5;
- плотность воздуха ρ=1.23 кг/м3;
Центробежная сила действующая на лопасть
Радиус расположения центра тяжести лопасти:
Частота вращения ветроколеса:
,
(13.1)
Площадь сечения профиля лопасти:
S=0.0051м2;
Тогда масса лопасти
кг
(13.2)
Рассчитываем центробежную силу действующую на лопасть:
;
(13.3)
Напряжение на отрыв от центробежной силы:
Площадь сечения кольцевой трубы
(13.4)
Таким образом, напряжение на отрыв от центробежной силы:
(13.5)
Моменты действующие на лопасть:
Момент создаваемый аэродинамической силой.
Для значения коэффициента быстроходности Z=6.5 относительный радиус парусности rпар=0.69. Для заданных геометрических размеров колеса D=5 м. определяем размерную величину радиуса парусности:
В соответствии с рекомендациями определяем коэффициент лобового давления на лопасть для заданного значения быстроходности и принимаем его с запасом B=1.4 (на случай увеличения быстроходноности).
Рассчитываем силу лобового давления на лопасть:
(13.6)
Теперь находим момент создаваемый аэродинамической силой:
Момент создаваемый распределенными центробежными силами, действующими на лопасть.
Момент создаваемый распределенными центробежными силами, Н*м,
(13.7)
Угол φ это угол установки корневого сечения лопасти; в соответствии с нашими исходными данными φ=13°. Угловая скорость ω=6.34 с-1. Величина момента инерции лопасти:
(13.8)
где SS=0.0988KC .В нашем случае коэффициент КС определяется по формуле:
Отсюда
SS=0.0988KC=0.0988*1.118=0.1104. (13.9)
Таким образом, момент инерции лопасти
Теперь рассчитаем момент, создаваемый распределенными центробежными силами:
Момент сопротивления сечения. Для сечения кольцевой трубы момент сопротивления сечения:
(13.10)
Где RTP и rTP –соответственно наружный и внутренний радиусы кольцевой трубы. Тогда:
(13.11)
Напряжение от моментов, действующих на лопасть
Модуль суммарного момента
=410.5Н*м;
(13.12)
Напряжение от моментов сил, действующих на лопасть,
(13.13)
Суммарное напряжение в опасном сечении лопасти определяется как сумма напряжений от изгиба и отрыва, т.е.
(13.14)
С другой стороны, из исходных данных известно предельно допустимое напряжение для материала кольцевой трубы: [σCT20]=40 кгс/мм2=4000*105 Па. Таким образом, вычисляем запас прочности:
(13.15)
Вывод: данная конструкция выдержит напряжения, действующие на лопасть при расчетной скорости ветра V=6.5 м/с. Необходимо, чтобы конструкция выдерживала критические скорости ветра (20…25 м/с) и шквалы. Следовательно, нужно пересчитать по данной методике, изменив размеры и диаметр труб.