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Formas modais e frequências naturais das pás eólicas

Um modo combina um padrão de deformação com uma frequência sob condições especificadas. Ele é mais do que a amplitude de vibração de um ponto. As direções locais da pá, as restrições da raiz e o estado de operação determinam como a descrição modal deve ser interpretada.

Leia a forma junto com sua frequência.

Dois modos podem ter frequências semelhantes, mas movimentos espaciais diferentes. Por sua vez, o mesmo modo nomeado pode mudar quando a massa, as restrições ou o estado rotativo representado mudam.

01 / Direções

A flexão fora do plano, no plano e a torção exigem um referencial.

Em uma descrição comum do rotor não deformado, a flexão fora do plano é perpendicular ao plano do rotor e a flexão no plano ocorre dentro dele.

Em uma descrição comum do rotor não deformado, a flexão fora do plano é perpendicular ao plano do rotor e a flexão no plano ocorre dentro dele. A torção descreve o giro em torno da direção da envergadura. Os eixos locais reais devem acomodar a orientação e a forma da pá representadas.

O OpenFAST distingue esses graus de liberdade das pás do movimento da torre e do trem de transmissão. Dar nome a um modo de pá não o torna o modo de flexão da torre nem identifica todos os movimentos de um sistema montado e acoplado.

02 / Forma

Um modo é um padrão espacial de movimento.

Uma forma modal mostra a deformação relativa ao longo da estrutura representada.

Uma forma modal mostra a deformação relativa ao longo da estrutura representada. Um modo de flexão pode ter regiões com curvaturas diferentes ou nós onde sua componente de deslocamento é nula. Uma medição em um único ponto não pode descrever todo o padrão.

A escala do gráfico costuma ser normalizada para comparação. Um grande deslocamento visual em um gráfico modal, portanto, não é automaticamente uma previsão de deflexão física, amplitude de operação ou folga necessária.

03 / Frequência

A massa e a rigidez afetam conjuntamente a oscilação.

Para um modelo ideal não amortecido de um grau de liberdade, f = (1/2π)√(k/m).

Para um modelo ideal não amortecido de um grau de liberdade, f = (1/2π)√(k/m). Valores hipotéticos de k = 200 N/m e m = 2 kg resultam em aproximadamente 1.59 Hz. Esse modelo não é uma pá física MARSTON.

Uma pá contínua tem propriedades distribuídas e vários modos; portanto, uma única massa e uma única mola não permitem identificar todo o seu espectro. A ilustração explica uma dependência, sem fornecer uma previsão modal.

04 / Condição de contorno

A restrição da raiz faz parte do modo.

Uma raiz idealmente engastada e uma raiz cuja flexibilidade é representada são condições de contorno diferentes.

Uma raiz idealmente engastada e uma raiz cuja flexibilidade é representada são condições de contorno diferentes. Alterar essa condição pode mudar tanto a forma quanto a frequência, mesmo que o material da pá permaneça igual.

O cubo e o suporte ao redor podem adicionar acoplamento em um modelo montado. Um componente livre, uma viga ideal isolada em balanço e o conjunto rotativo instalado representam, portanto, questões modais diferentes.

05 / Rotação

O estado de operação pode alterar a descrição modal.

A rotação introduz efeitos inerciais e de pré-tensão em um modelo estrutural adequado.

A rotação introduz efeitos inerciais e de pré-tensão em um modelo estrutural adequado. Consequentemente, as frequências naturais e as formas podem diferir das de uma descrição sem rotação. Dar nome a um modo de flexão fora do plano não implica uma única frequência inalterada em todas as velocidades.

O guia de rigidez da seção explica as propriedades locais subjacentes. Suas coordenadas e o estado representado devem permanecer coerentes ao construir um modelo modal acoplado.

06 / Resposta

Os modos não determinam os resultados vibratórios completos.

Uma força aplicada excita os modos conforme sua posição, direção e conteúdo de frequências; o amortecimento e as condições iniciais influenciam a resposta.

Uma força aplicada excita os modos conforme sua posição, direção e conteúdo de frequências; o amortecimento e as condições iniciais influenciam a resposta. Uma frequência natural, por si só, não determina uma amplitude de ressonância nem um resultado de fadiga.

Não se atribuem aqui modos, frequências nem margens reais de pás MARSTON. O guia de dinâmica de torres aborda separadamente os limites do sistema de suporte sem transformar esta explicação sobre pás em um limite de operação.

Continue a análise com Rigidez à flexão e à torção das pás eólicas.

Continue a análise com Ciclos de fadiga de turbinas eólicas: faixa, média e contagem.

Continue a análise com Velocidade crítica e movimento de precessão do eixo do aerogerador.

Continue a análise dinâmica com os diagramas de Campbell e os cruzamentos de ordens do rotor, as coordenadas modais e o truncamento, e o decremento logarítmico e as hipóteses de decaimento livre; mantenha as hipóteses especificadas para cada representação.

Contexto geral: OpenFAST: graus de liberdade distintos de flexão das pás · OpenStax: relação massa/rigidez do oscilador ideal · OpenFAST BeamDyn: estrutura de modelagem de propriedades estruturais distribuídas e movimento de rotação. Essas referências explicam conceitos do setor; são distintas dos documentos MARSTON aplicáveis ao produto e ao projeto.

Principais conceitos e condições.

Leia cada grandeza com sua referência, suas unidades e as condições indicadas. Uma relação geral não estabelece um valor específico de um modelo.

Conceito / grandezaSignificado / relaçãoCondições / limites
Fora do plano/no planoDireções de flexão em um referencial definido de pá/rotorA geometria local afeta a interpretação.
Forma torcionalPadrão de torção ao longo da envergaduraDiferente do deslocamento de flexão.
Forma modalDeformação espacial relativaA escala normalizada não é a amplitude real da resposta.
Frequência naturalCaracterística de oscilação de um modelo especificadoA massa, a rigidez e as restrições importam.
Resposta forçadaMovimento sob uma excitação especificadaTambém exige excitação e amortecimento.

Questões de engenharia.

Um gráfico modal prevê uma deflexão real?

Por si só, não. Sua escala pode ser normalizada arbitrariamente.

Os modos de pá e torre são idênticos?

Não. Eles representam componentes diferentes, embora um modelo montado possa acoplá-los.

O nome do material determina a frequência natural?

Não. A geometria, a distribuição de massa e as restrições também importam.

1.59 Hz é um modo de pá MARSTON?

Não. Esse valor vem de um exemplo inventado de massa e mola.

A rotação pode alterar o estado modal?

Ela pode introduzir efeitos inerciais e de pré-tensão que o modelo relevante deve representar.

Uma frequência determina um resultado de fadiga ou ressonância?

Não. A excitação, o amortecimento e outras condições de resposta continuam necessários.

Consulta técnica

Converse sobre sua questão técnica.

Um modo combina um padrão de deformação com uma frequência sob condições especificadas. Compartilhe o modelo e as informações de operação ou projeto aplicáveis para uma discussão de engenharia.