Віртуальна наукова лабораторія «аеродинамічна труба» для дослідження втомної довговічності коренів лопатей вітрових турбін

Abstract

Через швидке виснаження запасів вичерпних енергоресурсів та загострення екологічних криз, спричинених глобальним потеплінням, людство активно шукає альтернативи у вигляді відновлюваних джерел енергії. Вони не лише стають невід'ємною частиною сучасної енергетичної галузі, але й виступають основою для побудови стійкого майбутнього. Серед цих джерел особливу увагу привертає енергія вітру, яка є однією з найперспективніших як для держав із розвинутою економікою, так і для приватних інвесторів, зацікавлених у довготривалих "зелених" проєктах. Сучасні вітрогенератори стрімко зростають у розмірах, що дозволяє підвищити їхню ефективність. Проте це також створює нові виклики. Лопаті, які є основними компонентами для перетворення енергії вітру в електричну, зазнають постійних циклічних, тобто змінних у часі, механічних навантажень та перебувають під впливом агресивного зовнішнього середовища. Надійність та ефективність роботи вітрових турбін значною мірою залежить від неперервного моніторингу та аналізу їхнього стану, а також прогнозування втомної довговічності компонентів, які є найбільш критичними та зазнають найбільших навантажень. У статті досліджено процеси підготовки вхідних даних для програмних продуктів симулятор турбулентного вітру та відкрите програмне забезпечення для моделювання втоми матеріалів, аеродинаміки, конструкцій та турбулентності, які використовуються в моделі прогнозування втомної довговічності коренів лопатей вітрової турбіни, що використовує метод дощового потоку та гіпотезу лінійного накопичення пошкоджень Пальмгрена-Майнера. Запропоновано метод та програмну модель автоматизації створення конфігураційних файлів для забезпечення точності та коректності моделювання при мінімізації впливу людського фактору на підготовку вхідних даних. Логіку її роботи проілюстровано за допомогою UMLдіаграми послідовності. Результати мають високу практичну цінність, оскільки запропонований метод дозволяє зменшити часові затрати та підвищити точність моделювання. Due to the rapid depletion of non-renewable energy resources and the exacerbation of environmental crises caused by global warming, humanity is actively seeking alternatives in the form of renewable energy sources. These sources are not only becoming an integral part of the modern energy sector but also serve as a foundation for building a sustainable future. Among these sources, wind energy stands out, being one of the most promising options for both developed economies and private investors interested in long-term "green" projects. Modern wind turbines are rapidly increasing in size, which allows for enhanced efficiency. However, this also creates new challenges. The blades, which are the primary components for converting wind energy into electrical energy, are subjected to constant cyclical, i.e., time-varying, mechanical loads and are exposed to aggressive external environments. The reliability and efficiency of wind turbine operation significantly depend on the continuous monitoring and analysis of their condition, as well as on the forecasting of fatigue longevity of the components that are most critical and subject to the highest loads. The article investigates the processes for preparing input data for the software products TurbSim and OpenFAST, which are utilized in the model for predicting the fatigue longevity of wind turbine blade roots, employing the rainflow counting method and the Palmgren-Miner linear damage accumulation hypothesis. A method and software model for automating the generation of configuration files have been proposed to ensure the accuracy and correctness of modeling while minimizing the impact of human factors on the preparation of input data. The logic of its operation is illustrated using a UML sequence diagram. The results have high practical value, as the proposed method allows for a reduction in time costs and an increase in modeling accuracy.