Расчет прочности, ресурса и других механических показателей узлов ветротурбин

[hecs]

Сообщение от petruha256

Если будет график направления, с достаточной дискретностью, то и график скорости изменения направления ветра из него можно вытащить. ну и скорость самого ветра в этот же момент нужно знать.

Да ладно, это у меня ветряк низко и турбулентность большая, а на открытом месте всё спокойнее будет. Нет смысла мучиться, эксперимент покажет.

[hecs]

Сегодня на разборке нашёл ступицу аналогичную пассатовской но разборную, т.е. подшипник можно нормально заменить. Может кто нибудь подсказать от какой машины? А то в автомаге подшипники только по маркам машин.

[hecs]

Ступица оказалась от форда Сиерры, подшипники конусные под затяжку. Отдал токарю для расточки под подшипник от Джетты. Замерил момент страгивания голой ступицы от Пассата при -10 градусов - 0,5нМ. Основная причина зверские уплотнения (разобрал для интереса).

[hecs]

Возвращаясь к этому сообщению.

Сообщение от petruha256

Это распространенное заблуждение.
Для поворота оси вращения вращающегося в опорах ротора не нужно совершать работу, т.е. поворот дается бесплатно с любой скоростью, при этом в опорах возникает реакция, которая зависит от параметров ротора и скорости поворота.
и наоботор, действуя реактивным моментом на опоры ротора мы заставляем его поворачиваться в перпендикулярной плоскости со скоростью прецесии.

А как быть с гироскопическим эффектом? Основное свойство гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил.


На видео с верёвкой хорошо видно с каким усилием совершается поворот в точке разрыва верёвки. Почему я поднимаю этот вопрос - на ветряке Павла был замечен эффект, что если ветряк резко набрав обороты не опрокинулся (не всплыл) то он уже не всплывёт, пока не стихнет порыв, даже если осевой напор вдвое превышает расчётный напор для всплытия. Напротив, если ветер усиливается плавно, то всплытие происходит при сравнительно малом ветре. Считаю что имеет место тот самый гироскопический эффект или сопротивление внешнему воздействию. Подобное явление я наблюдал на своей малой модели но списал его на изгиб лопастей и смещение центра давления. Но модель с малым сдвоенным хвостом и подветренная бесхвостая модель всплывали без заметных задержек, но при этом заметно прецессируя (ветроголовка разворачивалась к ветру боком в направлении вращения всплывшего винта). У ветряка Павла хвост не позволяет совершить прецессию и налицо повышенная сопротивляемость опрокидыванию.

[petruha256]

"эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил" - это лишь фраза, не раскрывающая сути происходящего.
В опыте с грузом - как только появился момент - гироскоп поплыл. Да, он поплыл не в направлении момента, а в перпендикулярном....
можно ли это назвать "эффективно сопротивляется"? нет, нельзя.
опять же при нагружении моментом, гироскоп не поворачивается в направлении действия момента - зачит работа не совершается (работа есть момент умножить на угол поворота в направлении действия момента).
это так же видно по тому, что груз не опускается (т.е. сила тяжести не совершает работу, а других внешних сил там нет).



На опыте с веревкой тоже понятно, пока есть свобода поворота в перпендикулярном направлении - гироскоп не нужно поворачивать для того, чтобы он поворачивался, выбирая эту свободу. Т.е. достаточно приложить силу (при этом перемещения в направлении действия силы не будет )
как только свобода поворота в перпендикулярном направлении выбрана - то для поврота уже не нужно прикладывать усилие, зато в перпендикулярном направлении возникает момент (сила на веревке), который зависит от скорости поворота.

Не всплывает ротор потому, что у него свобода в обоих направлениях поворота, пусть не полная, но она есть. Нужна механическая схема с размерами и всеми рабочими характеристиками.

[hecs]

Сообщение от petruha256

Да, он поплыл не в направлении момента, а в перпендикулярном....

Именно, а что будет если не позволить ему двигаться в перпендикулярном направлении (что и делает хвост)? Смещённый груз это и есть наш опрокидывающий момент и гироскоп держит этот груз, т.е. сопротивляется опрокидыванию.

Добавлено через 17 минут
Винт. Усилия при опрокидывании. Конструкция.

Добавлено через 5 минут
Но надо отметить, что на видео ничто не мешает прецессии, а он зараза груз держит т.е. уменьшение хвоста ситуацию не особо спасает...

Добавлено через 6 минут
Короче, нельзя отпускать без нагрузки, контроллер должен успевать душить обороты. По моему этот эффект наблюдался ещё со старым контроллером на полных батареях, когда тот просто снял нагрузку.

Добавлено через 2 минуты
Но остался открытым вопрос: уменьшение хвоста т.е. освобождение прецессии хоть что-то даст?

[hecs]

Сообщение от petruha256

при нагружении моментом, гироскоп не поворачивается в направлении действия момента - зачит работа не совершается (работа есть момент умножить на угол поворота в направлении действия момента). это так же видно по тому, что груз не опускается (т.е. сила тяжести не совершает работу, а других внешних сил там нет).

При езде на велосипеде, велосипед не перемещается в направлении приложения силы к педалям, однако работа совершается. Да, гироскоп не движется в направлении приложения момента, но тем не менее он движется и причиной тому, приложенный момент, т.е. работа совершается, как в червячной передаче. Жидкость залитая в ёмкость, может совершать работу, вращая турбину с любой стороны ёмкости, откуда будет вытекать жидкость, однако, потенциальная энергия запасённая жидкостью определяется лишь силой земного притяжения, которая направлена строго вниз. Таким образом, фронтальный напор, создавая опрокидывающий момент для винта, вызывает прецессию ветроголовки а хвост этой прецессии сопротивляется. Боковой порыв ветра в направлении прецессии, вызовет мгновенное всплытие винта, что и стало причиной потери первой лопасти, когда ветряк ещё стоял у земли в зоне высокой турбулентности и почему я и хотел чтобы хвост был подпружинен. А вот порыв в сторону противоположную прецессии, вызовет прижатие ветроголовки к опоре и загибу лопастей к мачте, а поскольку хода в этом направлении нет то он встретит сопротивление обусловленное потенциальной энергией реакции опоры и тем самым замедлит скорость разворота. Имеет место перераспределение направлений приложения сил, но энергия в системе сохраняется. Об этом моменте я говорил, когда обращал внимание на то как дёргается рука лектора в момент обрыва верёвки, он явно преодолевал перераспределённое усилие, приложенное маховиком к верёвке, иначе мы должны были бы допустить, что энергия затраченная на разрыв верёвки взялась из ниоткуда, чего быть не может.

[petruha256]

Давай сначала про веревку.
Веревка не является абсолютно жесткой, отсюда необходимость совершения работы на её разрыв. Если бы веревка была абсолютно жесткой (S*E=бесконечность), то какой бы сверхгипермехапрочной она не была - для её разрыва не нужно совершать работу.
Поскольку веревка податлива,
то при её растяжении от нулевого до предельного напряжения
сила на веревке растет и перемещение также растет
(т.е. есть и гироскопический момент и прецессия)
что обуславливает необходимость поворота платформы гироскопа с некоторым моментом и некоторой угловой скоростью, отсюда и работа.

если предположить, что веревка жесткая - работу совершать не нужно,
в этом случае можно поворачивать платформу гироскопа с любой угловой скоростью (сколько позволит предел прочности веревки) при этом момент прикладывать не нужно
если предположить, что веревка абсолютно податлива (т.е. её нет), то получаем то, что приложив момент к платформе мы не сможем провернуть гироскоп (поворот платформы будет нулевой, это и есть сопротивление гироскопа внешним силам) при этом гироскоп будет прецессировать в перпендикулярной плоскости. скорость прецессии тем больше, чем выше момент, прикладываемый к платформе. и в этом случае работа тоже не совершается (сила большая а перемещения нет).
Про велосипед и прочее - примеры не из той оперы.
Еще раз посмотри на ролик с прецессией гироскопа под действием неуравновешенного момента и сам себе ответь на вопрос - что там совершает работу, и куда эта работа идет.

А вот применительно к ветряку ты всё правильно написал за исключением вот этого:
"а поскольку хода в этом направлении нет то он встретит сопротивление обусловленное потенциальной энергией реакции опоры и тем самым замедлит скорость разворота"
здесь как только он встретит сопротивление - скорость разворота возрастет до возможного максимума (т.е. жестко посаженный на опоры ротор разворачивается с любой скоростью и никак не препятствует этому развороту)
и наоборот, если у ротора есть возможность всплывать, то разворот невозможен, пока он не всплывет до совпадения осей.

Делай поправку на податливость конструкции и получим то, что во-первых есть и момент и угловая скорость (работа совершается)
а во-вторых:
- при рулении в направлении возможного всплытия рулежка идет медленнее, ротор всплывает легче.

- при направлении противоположному направлению возможного всплытия рулежка идет быстрее и ротор сопротивляется всплытию.

Думаю, что общая картина такова:
опрокидывающий аэродинамический момент, действующий на ротор вызывает прецессию ветроголовки, выставляя хвост на ветер
при этом хвост обеспечивает момент рулежки и угловую скорость в том направлении, которое дает прецессию и момент в направлении, противоположном направлению всплытия.

ЗЫ рука лектора дергается первый раз в момент разрыва веревки (когда резко увеличивается скорость перцессии) при этом резко возрастает гироскопический момент, который он и почувствоал.
с этим возросшим моментом он практически не провернул платформу (угол очень мал)
этот большой момент существовал до тех пор, пока ротор прецессировал (пока ось ротора не совпала с осью поворота), как только оси совпали момент тут же исчез. вот она суть этого рывка.

[hecs]

Сообщение от petruha256

какой бы сверхгипермехапрочной она не была - для её разрыва не нужно совершать работу.

А откуда энергия для её разрыва?

Сообщение от petruha256

Поскольку веревка податлива, то при её растяжении от нулевого до предельного напряжения сила на веревке растет и перемещение также растет (т.е. есть и гироскопический момент и прецессия) что обуславливает необходимость поворота платформы гироскопа с некоторым моментом и некоторой угловой скоростью, отсюда и работа.

Вроде не до конца уловил, но работа совершаемая лектором при повороте платформы равна работе гироскопа совершающего прецессию, иначе где закон сохранения.

Сообщение от petruha256

если предположить, что веревка жесткая - работу совершать не нужно

Т.е. если я вместо верёвки приварю кусок арматуры и буду поворачивать платформу, то рукой не почувствую никакого сопротивления? Откуда возьмётся энергия разрывающая арматуру?

Сообщение от petruha256

если предположить, что веревка абсолютно податлива (т.е. её нет), то получаем то, что приложив момент к платформе мы не сможем провернуть гироскоп

Не понял, он провернётся до совпадения осей.

Сообщение от petruha256

гироскоп будет прецессировать в перпендикулярной плоскости. скорость прецессии тем больше, чем выше момент, прикладываемый к платформе

Т.е. имеется зависимость.

Сообщение от petruha256

Еще раз посмотри на ролик с прецессией гироскопа под действием неуравновешенного момента и сам себе ответь на вопрос - что там совершает работу, и куда эта работа идет.

Мне не понятен механизм передачи энергии, но закон сохранения никто не отменял, поэтому потенциальная энергия неуравновешенной массы переходит в кинетическую энергию движения конструкции т.е. прецессию, отсюда и зависимость между величиной приложенного момента и скоростью прецессии.
Простой пример: рассмотрим гироскоп с неуравновешенной массой в первом ролике. Фактически, это наш ветряк в чистом виде. Груз создаёт опрокидывающий момент, хвост начинает прецессировать. Нельзя отрицать очевидное - гироскоп держит нагрузку т.е. сопротивляется изменению положения, отсюда задержка всплытия. Теперь на том же примере рассмотрим не всплытие а руление, ведь не имеет значения причина возникновения момента. Примем, что груз это хвост, сила тяжести действующая на груз это ветер действующий на хвост. В чём разница? Как Винт держал груз стремясь прецессировать в горизонтальной плоскости, так же он будет держать ветровой напор, стремясь прецессировать в вертикальной. Т.е. он будет сопротивляться рулению, также как он сопротивляется всплытию или опрокидыванию под действием неуравновешенной массы, изменится лишь направление прецессии. Хвост останавливает прецессию в одном направлении, опора в другом. Кинетическая энергия всплытия переходит в энергию упругой деформации хвостовой балки и разогрев молекул воздуха, тормозящихся о хвост, а энергия руления переходит в энергию упругой (или уже нет) деформации элементов конструкции (ось, подшипник, опора), отсюда и повышенные требования к прочности оси ветряка.

[petruha256]

Сообщение от hecs

А откуда энергия для её разрыва?

Абсолютно жесткое тело не требует работы для своего разрушения. и энергию ему сообщить не получится, поскольку ему некуда эту энергию вмещать.

Добавлено через 4 минуты

Сообщение от hecs

Вроде не до конца уловил, но работа совершаемая лектором при повороте платформы равна работе гироскопа совершающего прецессию, иначе где закон сохранения.

работа на прецессию не затрачивается. работа вся идет на увеличение потенциальной энергии натянутой веревки.
Пока веревки нет - гироскоп (идеальный) не провернуть,
когда веревка натянута - гироскоп можно поворачивать с определенной скоростью (пока позволяет предел прочности веревки) при этом он не сопротивляется повороту вообще.
сопротивление повороту совместно с самим поворотом (только такое сочетание требует совершения работы) имеет место тогда, пока веревка натягивается и накапливает в себе потенциальную энергию растяжения.

Добавлено через 3 минуты

Сообщение от hecs

Не понял, он провернётся до совпадения осей.

Именно так.
в первом ролике он нагружен так, что при его повороте ось направления гироскопического уходит вместе с прецессией, а во втором ролике видно, как он "складывается" в конце.
была бы скорость вращения и жесткость элементов повыше - всё это было бы видно гораздо отчетливее.

Добавлено через 6 минут

Сообщение от hecs

Как Винт держал груз стремясь прецессировать в горизонтальной плоскости, так же он будет держать ветровой напор, стремясь прецессировать в вертикальной. Т.е. он будет сопротивляться рулению, также как он сопротивляется всплытию или опрокидыванию под действием неуравновешенной массы, изменится лишь направление прецессии.

Да, всё так. Важный момент - если есть податливость хвоста, то есть сопротивление всплытию, если хвост жестко упрется в ветер, то всплытие проходит легко.
если хвост, пытаясь поворачивать ротор заставляет его всплывать, то рулежка дается с трудом, а если при рулежке в обратную сторону ротор упирается в опоры, то рулежка идет легко.

Добавлено через 4 минуты

Сообщение от hecs

Кинетическая энергия всплытия переходит в энергию упругой деформации хвостовой балки и разогрев молекул воздуха, тормозящихся о хвост, а энергия руления переходит в энергию упругой (или уже нет) деформации элементов конструкции (ось, подшипник, опора), отсюда и повышенные требования к прочности оси ветряка.

Всё верно.
зажми жестко хвост от поворота и не нужна будет энергия для всплытия, всплывет легко, как только баланс сил с пружиной наступит, а покуда хвосту есть куда гулять (и гулять против силы ветра) - будь добр соверши работу. А если хвост повесить в вакууме и невесомости - можешь и не пытаться сдвинуть ротор (сломаешь только)