Термомеханические колебания гибких электропроводных и тросовых систем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00678

НазваниеТермомеханические колебания гибких электропроводных и тросовых систем

Руководитель Данилин Александр Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова тросы, провода, электропередача, энерговыделение, теплообмен, вибрации, автоколебания, космический лифт, математические модели, алгоритмы, эксперимент

Код ГРНТИ30.19.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Гибкие нити – идеализированные элементы множества технических устройств: тысячекилометровых линий электропередачи и железнодорожных контактных сетей; тросов подъемных механизмов; парашютных строп; космических тросовых систем и пр. Гибкость и работа нитей в условиях больших натяжений – причина колебаний, порождающих в большинстве случаев серьезные технические проблемы. Одной из таких проблем являются самовозбуждающиеся колебания проводов линий электропередачи (ЛЭП), в частности – наименее исследованный феномен «пляски проводов» – колебаний с амплитудой до 5-10 м, приводящих к преждевременному износу, обрывам проводов, нарушающим функционирование энергосистем. Господствующим в мире энергетики объяснением этого феномена является ветровая модель, трактующая пляску как своего рода флаттер. Вместе с тем, эксплуатационная практика дает примеры, не укладывающиеся в эту модель. Ограниченный уровень понимания природы явления, по-видимому, является причиной низкой эффективности существующих гасителей пляски, применяющихся на практике. По данным известного канадского специалиста Д. Хаварда, с их помощью удается снизить амплитуду пляски в 2-3 раза, что является аномально низким показателем с точки зрения теории и практики защиты от колебаний. Между тем еще академиком А.Ф. Иоффе была высказана идея о возможности самовозбуждения колебаний в токопроводящих проводниках вследствие взаимосвязи термомеханических процессов джоулева тепловыделения, теплового взаимодействия со средой и тепловыми деформациями провода. Авторами проекта этот эффект был подтвержден в модельном эксперименте. Проектом предлагается дать обоснование правомерности термомеханической модели применительно к проводам реальных ЛЭП, что может привести к переоценке существующих средств борьбы с пляской проводов. Наряду с этой «земной» проблемой, которая давно и не слишком успешно привлекает специалистов, существует «космическая» идея, до сих пор традиционно относимая к области фантастики. Еще основоположником космонавтики К.Э. Циолковским была высказана идея вывода космических аппаратов на околоземные орбиты по схеме «космического лифта» – троса, соединяющего Землю с платформой, находящейся на геостационарной орбите. Очевидна техническая сложность реализации принципиально верной идеи. Вместе с тем, отсутствуют научно обоснованные оценки и требования к этой схеме, хотя прогресс в области создания принципиально новых материалов, основанный на нанотехнологиях, может перевести ныне считающуюся фантастической идею К.Э. Циолковского в практическую плоскость. Несмотря на очевидное различие, обозначенные проблемы в физическом отношении имеют много общего. Это – проблемы нелинейных колебаний гибких нитей (тросов, проводов), обусловленные внутренним тепловыделением, радиационным нагревом, взаимодействием тепловых и механических процессов. Современный уровень исследования таких явлений, использование сочетания аналитических и численных решений, постановка и интерпретация модельного эксперимента, позволит решить эти задачи. Их решение может привести к радикальному пересмотру привычных концепций в энергетике и космонавтике.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шавня Р.А., Курдюмов Н.Н., Данилин А.Н., Фельдштейн В.А. О моделировании субколебаний двух проводов, связанных распорками Механика композиционных материалов и конструкций, 2, 28, 203-222 (год публикации - 2022)
EDN PQPUAJ

2. Валиуллин А.А., Данилин А.Н., Фельдштейн В.А. Normal vibrations of sagging conductors of overhead power lines International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 3, 18, 147–158 (год публикации - 2022)
10.22337/2587-9618-2022-18-3-147-158

3. Данилин А.Н., Онучин Е.С., Фельдштейн В.А. Model of thermomechanical vibrations of current-carrying conductors International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 4, 18 (год публикации - 2022)

4. Елена Келбышева, Александр Данилин, Вадим Городов, Ирина Кучкина, Николай Семенов Sulfonic acid polyimides and their salts: properties of their particles in solution and suspension Nanoscience and Technology: An International Journal (Begell House, Inc., USA) (год публикации - 2023)

Публикации

1. Данилин А.Н., Денисов Е.А., Онучин Е.С., Фельдштейн В.А. Механическая модель космического лифта. Статика Известия вузов. Авиационная техника, № 3, с.19-27 (год публикации - 2023)

2. Бакулин В.Н., Данилин А.Н., Карнет Ю.Н., Никитин С.М., Фельдштейн В.А. Quantum-chemical simulation for production technologies of high-strength Zylon fibers E3S Web of Conferences, 446, 03004, p. 1-9 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202344603004

3. Келбышева Е.С., Данилин А.Н., Езерницкая М.Г., Семёнов Н.А. Photoelectrorheological properties of polyimides with sulfo-acid and sodium salt sulfo-acid groups: a comparative study The European Physical Journal Plus, (2023) 138:747, p. 1-10 (год публикации - 2023)
10.1140/epjp/s13360-023-04383-6

4. Фельдштейн В.А., Данилин А.Н. К оценке влияния эффекта Магнуса на возбуждение пляски провода ВЛЭ Механика композиционных материалов и конструкций, т. 29, № 1, с. 69-80 (год публикации - 2023)
10.33113/mkmk.ras.2023.29.01.05

5. Шавня Р.А. Нелинейная динамика тел, соединённых растяжимым абсолютно гибким тросом Механика композиционных материалов и конструкций, т. 29, № 2, с. 231-246 (год публикации - 2023)
10.33113/mkmk.ras.2023.29.02.06

6. Корнев Ю.В., Карнет Ю.Н., Джага А.О., Ликунова П.А., Широкова Ю.В. Влияние воздействия ультрафиолетового излучения на комплекс механических свойств эластомерных композитов для применения в конструкциях гасителей колебаний Механика композиционных материалов и конструкций, т. 29, № 2, с. 260-271 (год публикации - 2023)
10.33113/mkmk.ras.2023.29.02.08

7. Бакулин В.Н., Данилин А.Н., Карнет Ю.Н., Никитин С.М., Фельдштейн В.А. Компьютерное моделирование укладки одиночной цепи зилона для технологий производства высокопрочных волокон Материалы XXIII Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2023), 4-13 сентября 2023 г., Алушта, Крым, С. 566-568 (год публикации - 2023)

8. Келбышева Е.С., Семёнов Н.А., Данилин А.Н., Фельдштейн В.А. Полиимиды как перспективный класс полимерных материалов для изготовления высокопрочных волокон, нитей и тросов Материалы XXIII Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2023), 4-13 сентября 2023 г., Алушта, Крым (2023 г.), С. 580-582 (год публикации - 2023)

9. Шавня Р.А., Курдюмов Н.Н., Данилин А.Н., Фельдштейн В.А. О моделировании субколебаний проводов расщеплённых фаз воздушных линий электропередачи Материалы XXIII Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2023), 4-13 сентября 2023 г., Алушта, Крым (2023 г.) (2023 г.), С. 612-613 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Исследования колебаний проводов ВЛЭ - Исследована природа «пляски» проводов» ВЛЭ (особо опасных колебаний с частотами 0,3-1 Гц и с амплитудами до 10 м). Дан анализ общепринятой аэроупругой концепции Ден-Гартога (1934 г.), на основе которой пляска трактуется как род флаттера при появлении у провода аэродинамического качества вследствие обледенения. Однако практика фиксирует пляску при равномерном слое гололеда и даже вообще без обледенения. Эти факты требуют расширения и дополнения концепции Ден-Гартога. - Выполнен модальный анализ колебаний проводов, который выявил взаимосвязи различных парциальных продольно-поперечно-крутильных мод. - Разработана альтернативная аэроупругая модель пляски вследствие возникновения поперечных аэродинамических сил при крутильных колебаниях провода (эффект Магнуса) и динамической связи вертикальных и крутильных колебаний. - Разработана термомеханическая модель колебаний токонесущего проводника на основе эффекта А.Ф. Иоффе – возбуждение поперечных автоколебаний упругого проводника, находящегося под напряжением. Установлено, что колебаний температуры при периодическом внутреннем тепловыделении, которые связаны с изменением электрического сопротивления вследствие нагрева и удлинения провода (температурный и тензорезистивный эффекты) приводят к самовозбуждению колебаний. Гололедные отложения в значительно изменяют тепловой режим провода и способствуют развитию термомеханических колебаний. - Исследованы многочисленные известные на практике способы подавления пляски, которые можно разделить на две группы: применение маятниковых гасителей с целью «развязать» поперечные и крутильные колебания; установка на проводах диссипативных гасителей маятникового типа. Показано, что их эффективность аномально низка с точки зрения практики виброзащиты. Это не противоречит выводам ведущих энергетических компаний (материалы CIGRE). Выявлены причины неэффективности. Первый способ неэффективен вследствие густоты собственных спектров. Второй способ неэффективен вследствие маломощности демпферов, приводимых в движение малыми силами инерции низкочастотных поперечных колебаний; их мощность на порядок ниже мощности естественной диссипации за счет сопротивления воздуха. При этом направления действия демпфирующих сил в гасителях и потока энергии в «пляшущем» проводе ортогональны. - Сформулированы выводы и рекомендации. 1) Гасители типа Стокбриджа для защиты от эоловой вибрации находятся на пределе возможностей и характеристик, заложенных в схему. Эффективность определяется рациональным выбором частотных и демпфирующих характеристик и выбором схем установки в пролете. Задача решается экспериментальной отработкой характеристик и использованием цифровых моделей «гаситель-пролет». Переход от тросовых демпферов к сплошным консолям из материалов с повышенным внутренним трением может стать прорывным решением. 2) Для гасителей колебаний проводов расщепленных фаз эту роль могут сыграть резиноподобные материалы в конструкциях внутрифазных распорок. 3) Наименее успешны попытки парирования пляски проводов. Эффективное гашение пляски могут обеспечить демпферы, «врезанных» в провод и работающие на больших колебаниях натяжения. Эффективность диссипации обусловлена и совпадением рабочего направления сил в таком демпфере с направлением потока энергии колебаний провода. 2 Анализ идеи космического лифта Идея космического лифта (КЛ) исследована с точки зрения динамики и прочности в трактовке Ю.Н. Арцутанова (платформа выше геостационара, удерживаемая растянутым тросом). 1) Статика КЛ: Определены зависимости между характеристиками троса, массой и радиусом орбиты ОП, при которых обеспечиваются требования к натяжению троса. Отмечена важная роль «критической» орбиты, для которой потенциал гравитационно-центробежных сил равен его значению на экваторе Земли. 2) Колебания КЛ: Получена оценка эффекта взаимосвязи волн различного типа и выделены группы парциальных колебаний. Проанализированы возможные упрощенные постановки и их погрешность. Дана оценка локальности поперечных волн, возбуждаемых в тросе движущимся по нему подъемником. 3) Ю.Н. Арцутановым в качестве критерия пригодности материала троса предлагалось удельная прочность. Показано, что более адекватным задаче является впервые введенный безразмерный параметр, связывающий механические характеристики, угловую скорость вращения Земли и радиус ГСО. 3 Разработка высокомодульных волокон для производства тросов наземно-космического применения - Анализ литературы по высокомодульным волокнам различной химической природы показал, что использование волокнистых материалов в индивидуальном виде не актуально из-за недостатков, связанных как с невозможностью получить бездефектные волокна, так и структурной нестабильностью в различных агрессивных условиях (высокие температуры, излучения, озон, влага и т.д.). Необходим тщательный выбор, как сверхпрочного полимерного волокна, так и инертной в различных условиях эластомерной матрицы. - Получены опытные образцы сверхпрочных полимерных волокон методами высаждения и электрического формования. Изучены физико-механические характеристики, как самих волокон, так и эластомерных матриц, армированных волокнами в различных агрессивных средах, моделирующих воздействие атмосферы и космоса. 4 Разработка эластомерных композитов для применения в демпфирующих устройствах - Разработаны эластомерные композиты (ЭК) с усовершенствованным составом и улучшенными механическими характеристиками для применения в качестве элементов конструкций гасителей колебаний ВЛЭ. Требуемый комплекс механических характеристик данных композитов достигнут за счёт применения в составе комбинации бутил каучука и СКЭПТ в оптимальном соотношении, а также добавления субмикрочастиц породы шунгит (5 об. %), полученных по запатентованной авторами технологии. - Разработан метод количественной оценки воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения на свойства ЭК по анализу кинетики образования трещин и кластеров на поверхности образца и экспериментальной оценке микромеханических свойств методом наноиндентирования. Установлено, что воздействие УФ по-разному влияет на структуру поверхности и на микромеханические характеристики образцов ЭК в зависимости от состава. Показано, что добавка микрочастиц породы шунгит заметно увеличивает устойчивость данных композитов к воздействию УФ-излучения и позволяет повысить работоспособность данных материалов в качестве элементов конструкций гасителей колебаний ВЛЭ.

Публикации

1. Данилин А.Н., Денисов Е.А., Фельдштейн В.А. Пространственные колебания проводов электропередачи с гололёдным отложением Известия Российской академии наук. Механика твёрдого тела (Журнал издается на английском языке под названием Mechanics of Solids, Springer), № 6, 2024 (год публикации - 2024)
-

2. Келбышева Е.С., Данилин А.Н., Фельдштейн В.А. Сверхпрочные волокна как перспективный материал для создания тросов наземно-космического применения Механика композиционных материалов и конструкций, №4, 2024 (год публикации - 2024)
10.33113/mkmk.ras.2024.30.04.07

3. Данилин А.Н., Денисов Е.А., Онучин Е.С., Фельдштейн В.А. Механическая модель космического лифта. Колебания Известия вузов. Авиационная техника (переводится на англ. язык и издается в США под названием "Russian Aeronautics" издательством "Allerton Press, Inc"), 2024. № 3, c. 36-47 (год публикации - 2024)

4. Никитин С.М., Карнет Ю.Н. High performance fibers. Review Composites: Mechanics, Computations, Applications: An International Journal (год публикации - 2024)
-

5. Виноградов А.А., Данилин А.Н., Карнет Ю.Н., Котухов М.А., Привалов А.Н. Гаситель ветровых колебаний провода воздушной ЛЭП Федеральный Институт Промышленной Собственности (ФИПС), Патент RU 2 812 172 C1, Заявка: 2023122629, 31.08.2023, Опубликовано: 24.01.2024 Бюл. № 3 (год публикации - 2024)
-

6. Юрий Корнев, Рената Гилязова, Денис Муромцев, Юлия Карнет Elastomeric composites filled with particles based on silicon dioxide and carbon for application in vibration dampers constructures AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2024)
-

7. Никитин С.М., Карнет Ю.Н. Quantum-chemical calculation of single chain folding of Poly(p-Phenylene-2,6-Benzobisoxazole) (ZYLON®) Composites: Mechanics, Computations, Applications: An International Journal, Volume 15, Issue 1, 2024, pp. 1-6 (год публикации - 2024)
10.1615/CompMechComputApplIntJ.2023048943

8. Бородин А.К., Денисов Е.А., Фельдштейн В.А. Численно-аналитические решения нелинейных задач теории гибких упругих мембран 14-Я ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «МЕХАНИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ, СЛОЖНЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД» имени И.Ф. Образцова и Ю.Г. Яновского (год публикации - 2024)
-

9. Виноградов А.А., Данилин А.Н., Карнет Ю.Н., Котухов М.А., Привалов А.Н. Гаситель пляски, субколебаний и вибрации расщепленных проводов воздушной ЛЭП -, RU 2 812 342 C1 (год публикации - 2024)
-

10. Корнев Ю.В., Гилязова Р.Ф., Муромцев Д.Н., Карнет Ю.Н. Механические свойства эластомерных композитов, наполненных частицами на основе диоксида кремния и углерода для применения в качестве элементов конструкций гасителей колебаний Механика композиционных материалов и конструкций, №4, том 30 (год публикации - 2024)
10.33113/mkmk.ras.2024.30.04.09

Возможность практического использования результатов
Возможность практического использования результатов Проекта не вызывает сомнений, поскольку они направлены на обеспечение надёжности и безопасности транспорта электрической энергии воздушными линиями электропередачи высокого, сверх- и ультравысокого напряжения.