技術 / テクニカルガイド

風車タワーによる擾乱と翼の周期的荷重

タワーは、回転するブレードが受ける流れを乱すことがあります。上流への影響とタワー下流の後流は、それぞれ異なる状況を表します。周期的に遭遇する流れの乱れは、それ以外の背景風が定常であっても、翼断面に作用する力を変動させることがあります。

ブレードの軌道は、空間的な外乱を時間履歴に変換します。

まず、ロータとタワーの位置、および特定の断面の軌跡を定義してください。そのうえで、幾何形状と空力応答によって、流れのパターンが荷重の周波数と波形に結び付けられます。

01 / レイアウト

風上と風下は、相対的な位置関係を表します。

アップウィンド型のローターはタワーの風上側に位置し、ダウンウィンド型のローターは、記載された整列した流れに対してタワーの後方に位置します。

想定する整列した流れに対し、アップウィンドロータはタワーの流入側に、ダウンウィンドロータはタワーの背後に位置します。これらは配置の定義であり、特定の MARSTON モデルについて述べたものではありません。

タワーとの相互作用は、ローター面のオフセット、タワーの形状、実際の流入方向にも依存します。これらの用語だけでは、局所的な速度場は得られず、ある断面がどの擾乱に遭遇するかも特定できません。

02 / 上流側への影響

タワーの上流側でも流れの乱れが生じることがあります。

物体の周囲の流れは、上流域を含む近傍の速度場を変化させます。

物体の周囲の流れは、上流域を含む近傍の速度場を変化させます。AeroDynは、タワーの影響を表すポテンシャル流モデルと、下流側のタワーシャドウモデルを区別しています。この二つを、逆のラベルを付けた同じプロファイルとして扱うべきではありません。

ポテンシャル流れモデルは理想化されたものであり、粘性を伴う後流の特性をすべて解明するものではありません。予測される局所速度は、その計算で表現された形状、仮定、座標系に対応するものです。

03 / 下流の影

タワーの後流は、異なる局所的な流れを生み出します。

タワーの背後では、表現される流れに、タワーの後流に伴う風速欠損と変動が含まれることがあります。

タワーの背後では、モデルで表される流れに、後流に伴う速度欠損や変動が含まれることがあります。その領域を通過するブレードは、背景流とは異なる条件にさらされることがあります。

そのタワーシャドウは、ロータ自身が下流に生じさせる後流とは異なります。関連資料: ロータ後流ガイド 別個の分野を説明する一方で、両者は相互作用を含むモデルにおいて重要となる可能性がある。

04 / 周期性

翼断面の通過と全体に作用する荷重は異なります。

単純な定常外乱の場合、モデル化した一つの翼断面は、一回転ごとに同じ経路を繰り返します。

単純な静止した外乱に対して、モデルで表した一つのブレード断面は、一回転ごとに同じ経路を繰り返します。n が rpm で表される場合、その通過周波数は n/60 Hz です。仮に 60 rpm とすると、一秒間に一回、同じ経路を繰り返すことに相当します。

同一のブレード B 枚が等間隔で通過する場合、合算された寄与の一部には、繰り返し頻度が B 倍の成分が含まれることがあります。これは対称性と合算する物理量に依存するものであり、MARSTON のブレード枚数を示すものでも、可能な周波数がそれだけであるとするものでもありません。

05 / 力の時間履歴

周波数だけでは振幅は決まりません。

局所的な流れの変化は相対速度と迎角を変えるため、翼断面に作用する力の応答は空力状態に依存します。

局所的な流れの変化によって相対速度と迎角が変わるため、翼断面に作用する力の応答は空力状態に依存します。繰り返し周波数が同じ二つの擾乱でも、その大きさ、持続時間、および結果として生じる力の時刻歴は異なる場合があります。

非定常な流れの剥離によって、履歴依存性が加わることがあります。関連資料: 失速のガイド 流れへの遭遇条件が急速に変化する場合に、定常状態の係数曲線に厳密には従わないことがある理由を説明します。

06 / 構造応答

周期的な加振は、振動の予測そのものではありません。

支持構造は、そのモード、減衰、および拘束条件に応じて応答します。

支持構造は、そのモード、減衰、および拘束条件に応じて応答します。周期的な空力入力を特定しても、それによって生じるたわみ、共振、または疲労の結果が確定するわけではありません。

ここでは、MARSTONの実際のローター配置、タワーシャドウの振幅、周波数余裕、または繰返し荷重の値を指定していません。このページは、設置変更、運転限界、または試験手順を示すことなく、流れから荷重に至る因果関係を説明します。

次の資料も確認してください: 小形風車の後流:速度欠損、混合、回復.

次の資料も確認してください: 風車翼の空力的失速と流れの剥離.

次の資料も確認してください: 風車ブレードのモード形状と固有振動数.

一般的な背景情報: OpenFAST:タワーの影響モデルとタワーシャドウモデルの区別 · NREL: タワーによる空力的擾乱とモデル条件。これらの参考資料は業界の考え方を説明するものであり、適用するMARSTONの製品資料やプロジェクト資料とは別のものです。

主な概念と条件。

各量を、その基準、単位、明示された条件と一緒に読んでください。一般的な関係から、特定モデルの値が確定するわけではありません。

概念 / 量意味 / 関係条件 / 限界
配置タワーおよび流入に対するローターの位置関係アップウィンド/ダウンウィンドは幾何学的な定義です。
潜在的な影響近傍物体による流れの乱れを理想化したもの粘性後流を詳細に解像したものではありません。
タワーシャドウ表現されている下流側のタワー後流効果ロータ自身の後流とは異なります。
n/60翼断面の通過経路の繰返し周波数、Hz力の振幅を示すものではありません。
構造応答モード、減衰、境界条件加振周波数以外の情報も必要です。

技術検討上の質問。

タワーは、アップウィンド型ロータに影響を与えることがありますか?

近傍の流れは上流側でも乱される可能性があります。その表現方法は、適用するモデルと幾何形状によって決まります。

タワーシャドウはローターの後流ですか?

いいえ。それらはシステムの異なる部分に関連する擾乱を指します。

60 rpm は、MARSTON のモデルに適用されますか?

いいえ。これは仮想的な周波数変換です。

B倍の繰り返しが、常に唯一の荷重周波数ですか?

いいえ。総量と対称性によって、どの要素が現れるか決まります。

周期的な荷重があれば、共振が証明されますか?

いいえ。構造モード、減衰、および加振については、それぞれ別途解析が必要です。

これは、実際のローターの配置を特定しているものですか?

ここでは、製品がアップウィンド構成かダウンウィンド構成かは明示していません。

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タワーは、回転するブレードが受ける流れを乱すことがあります。技術的な検討のため、モデルと該当する運転情報または設計情報を共有してください。