Оценка несущей способности опорных конструкций арктической ветроэнергетической установки на основе аэросервоупругого моделирования

Введение. Ветроэнергетика играет ключевую роль в развитии возобновляемых источников энергии, особенно в удаленных районах Арктики с автономными энергосистемами. Обеспечение надежности и долговечности опорных конструкций ветроэнергетических установок (ВЭУ) в арктической зоне Российской Федерации является важной научно-технической задачей. Уникальные климатические условия, включающие низкую температуру, сильные ветровые нагрузки, снег и обледенение, значительно усложняют проектирование таких объектов. Цель исследования — разработка комплексной методики аэросервоупругого моделирования ВЭУ для оценки несущей способности опорных конструкций и оптимизации несущей конструктивной системы ВЭУ.

Материалы и методы. На примере ВЭУ мощностью 100 кВт высотой 30 м используется импульсно-лопастный анализ и аэросервоупругое моделирование в программном комплексе (ПК) QBlade, для расчета напряженно-деформированного состояния несущей конструктивной системы применяется конечно-элементный ПК FEA NX. Рассмотрены расчетные режимы работы ВЭУ с различными условиями ветра и обледенения. Моделирование охватывает как рабочие, так и экстремальные режимы эксплуатации, включая анализ динамических нагрузок и влияние резонансных эффектов.

Результаты. Разработана методика аэросервоупругого моделирования, позволяющая учитывать сложные эксплуатационные и климатические воздействия на элементы ВЭУ. Определены нагрузки на элементы ВЭУ, в том числе в различных режимах работы и при обледенении ветроколеса, выявлены их экстремальные сочетания. Выполнен анализ прочности и устойчивости опорных конструкций. Предложены конструктивные мероприятия для повышения несущей способности конструктивной системы. Сформулированы рекомендации по дальнейшей оптимизации конструкции ВЭУ для эксплуатации в арктических условиях.

Выводы. Методика позволяет учитывать климатические факторы Арктики для оценки несущей способности опорных конструкций ВЭУ. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании арктических ВЭУ класса S, а также при разработке методических рекомендаций по расчету ветроэнергетических установок, для повышения надежности и эффективности конструкций ВЭУ, используемых в арктической зоне РФ.

1. Елистратов В.В. Научно-техническое обоснование и проектирование энергокомплексов на основе ВИЭ для сложных природно-климатических условий // Электричество. 2023. № 10. С. 4–21. DOI: 10.24160/0013-5380-2023-10-4-21. EDN RGZOCS.

2. Zheng M., Yang Zh., Yang Sh., Still B. Modeling and mitigation of excessive dynamic responses of wind turbines founded in warm permafrost // Engineering Structures. 2017. Vol. 148. Pр. 36–46. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.06.037

3. Елистратов В.В., Ригель И.В. Аэроупругое моделирование динамических нагрузок на несущие конструкции арктической ветроэнергетической установки // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2025. Т. 315. С. 78–94. EDN HQZJRD.

4. Martini F., Contreras Montoya L.T., Ilinca A. Review of Wind Turbine Icing Modelling Approaches // Energies. 2021. Vol. 14. Issue 16. P. 5207. DOI: 10.3390/en14165207

5. Jiang W., Wen R., Qin M., Zhao G., Ma L., Guo J. et al. A Fast Simulation Method for Wind Turbine Blade Icing Integrating Physical Simulation and Statistical Analysis // Energies. 2024. Vol. 17. Issue 22. P. 5785. DOI: 10.3390/en17225785

6. Tahani M., Hossein A., Hong J. Simulation of unsteady ice accretion on horizontal axis wind turbine blade sections in turbulent wind shear condition // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. Issue 11. DOI: 10.1063/5.0227355

7. Hu L., Zhu X., Hu C., Chen J., Du Z. Wind Turbines Ice Distribution and Load Response under Icing Conditions // Renewable Energy. 2017. Vol. 113. Pp. 608–619. DOI: 10.1016/j.renene.2017.05.059

8. Voinov I.B., Elistratov V.V., Keresten I.A., Konishchev M.A., Nikitin M.A., Sofronova D.I. Profiling a Wind Wheel Blade Using Parametric Optimization and Computational Aerodynamics Methods // Thermal Engineering. 2024. Vol. 71. Issue 6. Pp. 513–522. DOI: 10.1134/S0040601524060053

9. Демидов Д.А., Дубов А.Л. Моделирование и исследование аэродинамических процессов в области работы ветротурбины // Вузовская наука в современных условиях : сб. мат. 57-й науч.-техн. конф. Часть 1. 2023. С. 172–174. EDN KVMTVT.

10. Соломин Е.В., Терехин А.А., Мартьянов А.С., Ковалёв А.А., Исмагилов Д.Р., Рявкин Г.Н. и др. Оценка влияния моделей турбулентности на описание процессов вихреобразования в ветроэнергетике // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2022. Т. 26. № 2. С. 339–354. DOI: 10.14498/vsgtu1885. EDN SVRJGF.

11. Елистратов В.В., Панфилов А.А., Петров С.Г. Использование цифровых технологий при обосновании энергетических и конструктивных параметров арктической ветроэнергетической установки // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2024. № 6 (270). С. 56–59. EDN VEMIVW.

12. Большев А.С., Фролов С.А., Харсеев А.Е., Розов И.О. Расчет прочности основания арктической ветроэнергетической установки при действии экстремальных внешних нагрузок // Полярная механика : сб. докл. VI Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. 2023. С. 87–97. DOI: 10.46960/polmech_2023_87. EDN PXIXHO.

13. Белостоцкий А.М., Негрозова И.Ю., Горячевский О.С. Оценка аэроупругой устойчивости шпиля башни // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 11. С. 1745–1762. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.11.1745-1762

14. Belostotsky A., Afanasyeva I., Negrozova I., Goryachevsky O. Simulation of aerodynamic instability of building structures on the example of a bridge section. Part 2: solution of the problem in a coupled aeroelastic formulation and comparison with engineering estimates // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2021. Vol. 17. Issue 3. Pp. 24–38. DOI: 10.22337/2587-9618-2021-17-3-24-38

15. Wang T., Zhong W., Qian Y., Zhu C. Wind Turbine Aerodynamic Performance Calculation. Springer, Singapore, 2023. DOI: 10.1007/978-981-99-3509-3

16. Anderson C.G. Wind Turbines: Theory and Practice. 2nd ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2024.

17. Marten D. QBlade: A Modern Tool for the Aeroelastic Simulation of Wind Turbines : PhD Thesis. TU Berlin, 2020. DOI: 10.14279/depositonce-10646

18. Jonkman B., Platt A., Mudafort R., Branlard E., Sprague M., Ross H. et al. OpenFAST/openfast: v3.5.3 // Zenodo. 2024. DOI: 10.5281/zenodo.10962897

19. Brown K., Bortolotti P., Branlard E., Chetan M., Dana S., deVelder N. et al. One-to-one aeroservoelastic validation of operational loads and performance of a 2.8 MW wind turbine model in OpenFAST // Wind Energy Science. 2024. Vol. 9. Issue 8. Pp. 1791–1810. DOI: 10.5194/wes-9-1791-2024

20. Papi F., Troise G., Behrens de Luna R., Saverin J., Perez-Becker S., Marten D. et al. Quantifying the impact of modeling fidelity on different substructure concepts. Part 2: Code-to-code comparison in realistic environmental conditions // Wind Energy Science. 2024. Vol. 9. Issue 4. Pp. 981–1004. DOI: 10.5194/wes-9-981-2024

21. Wu X., Zhang X., Bhattarai H.B., Hwang H.J., Yang J., Kang S. Structural Behavior Analysis of UHPC Hybrid Tower for 3-MW Super Tall Wind Turbine Under Rated Wind Load // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2022. Vol. 16. Issue 1. DOI: 10.1186/s40069-022-00542-8

22. Al-Sanad S., Parol J., Wang L., Kolios A. Design optimisation of wind turbine towers with reliability-based calibration of partial safety factors // Energy Reports. 2023. Vol. 9. Pp. 2548–2556. DOI: 10.1016/j.egyr.2023.01.090

23. Partovi-Mehr N., Branlard E., Song M., Moaveni B., Hines E.M., Robertson A. Sensitivity Analysis of Modal Parameters of a Jacket Offshore Wind Turbine to Operational Conditions // Journal of Marine Science and Engineering. 2023. Vol. 11. Issue 8. P. 1524. DOI: 10.3390/jmse11081524

24. Montgomerie B. Methods for Root Effects, Tip Effects and Extending the Angle of Attack Range to 180, With Application to Aerodynamics for Blades on Wind Turbines and Propellers. Technical Report, FOI, Swedish Defence Research Agency, 2004.

25. Øye S. Dynamic stall simulated as time lag of separation // Proceedings of the 4th IEA Symposium on the Aerodynamics of Wind Turbines. 1991. Vol. 27.

26. Klein A., Bartholomay S., Marten D., Lutz T., Pechlivanoglou G., Nayeri C. et al. About the suitabi-lity of different numerical methods to reproduce model wind turbine measurements in a wind tunnel with a high blockage ratio // Wind Energy Science. 2018. Vol. 3. Issue 1. Pp. 439–460. DOI: 10.5194/wes-3-439-2018

27. Snel H., Houwink R., Piers W. Sectional prediction of 3d effects for separated flow on rotating blades // Proc. European Community Wind Energy Conference. Lübeck – Travemünde, 1992.

28. Glauert H. Airplane Propellers // Aerodynamic Theory. 1935. Pp. 169–360. DOI: 10.1007/978-3-642-91487-4_3

29. Lehtomäki V., Rissanen S., Wadham-Gagnon M., Sandel K., Moser W., Jacob D. Fatigue loads of iced turbines: Two case studies // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2016. Vol. 158. Pp. 37–50. DOI: 10.1016/J.JWEIA.2016.09.002

30. Yang Z., Still B.A., Wait I., Chen G. Dynamic Responses of a Wind Turbine Founded in Warm Permafrost // Journal of Cold Regions Engineering. 2018. Vol. 32. Issue 4. DOI: 10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000169