OPIS METOD BADAWCZYCH

Metodyka wyznaczania obciążeń hydrodynamicznych na potrzeby projektowania konstrukcji wsporczych turbin wiatrowych

Zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości konstrukcji wsporczej turbiny wiatrowej, pozwalającej na bezawaryjną pracę w zakładanym czasie eksploatacji w warunkach środowiskowych reprezentatywnych dla miejsca instalacji, wymaga dokładnego wyznaczenia obciążeń hydrodynamicznych, tzn. obciążeń od falowania i prądów morskich. Przepisy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) oraz przepisy towarzystw klasyfikacyjnych określają projektowe stany obciążenia, definiowane przez stan pracy turbiny, prędkość i kierunek wiatru, wysokość, okres i kierunek fali oraz prędkość i kierunek prądu.

Do wyznaczania obciążeń hydrodynamicznych w fazie projektowania wykorzystuje się metody obliczeniowe oraz badania eksperymentalne na modelach fizycznych. Najprostszą i najbardziej popularną metodą obliczeniową jest metoda półempiryczna wykorzystująca równanie Morisona. Założeniem tej metody jest podział siły hydrodynamicznej na siłę inercji i siłę oporu , obliczanych z wykorzystaniem współczynników i wyznaczonych eksperymentalnie i dostępnych w literaturze. Metoda ta sprawdza się bardzo dobrze dla konstrukcji wykonanych z elementów rurowych o małej średnicy w stosunku do długości, o których można założyć, że oddziałują na przepływ w niewielkim stopniu. Geometria konstrukcji na potrzeby obliczeń dzielona jest na krótkie odcinki cylindryczne, wokół których zakłada się przepływ dwuwymiarowy.

Bardziej zaawansowane metody numeryczne, pozwalające na wyznaczanie przepływu z uwzględnieniem trójwymiarowego kształtu konstrukcji oraz jego oddziaływania na przepływ, oparte są na teorii dyfrakcji oraz równaniach Reynoldsa (RANS). Metody te nie są wolne od uproszczeń, stąd ich stosowanie i interpretacja wyników wymaga odpowiedniej

Metody obliczeniowe :

równanie Morisona,MK_022MK_021teoria dyfrakcji, MK_0221RANSMK_0352

Badania eksperymentalne

Najbardziej zaawansowaną metodą określania obciążeń hydrodynamicznych na etapie projektowania są badania eksperymentalne, polegające na pomiarze sił na modelu fizycznym wykonanym w skali, wyeksponowanym na przepływ wody o zadanych parametrach na rysunku poniżej. Ze względu na wykorzystywanie rzeczywistego przepływu wody, badania modelowe są z definicji wolne od założeń upraszczających dotyczących przepływu, są jednak obarczone błędem wynikającym z efektu skali. Niemniej, badania modelowe stanowią doskonałe narzędzie do weryfikacji narzędzi obliczeniowych (które, na potrzeby weryfikacji, mogą być prowadzone w skali modelowej) jak również stanowią najdokładniejsze źródło danych dotyczących skutków zjawisk ekstremalnych, jak np. uderzenie załamującej się fali.

Badania modelowe turbiny wiatrowejMK_0300