Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями
The performance characteristics of vertical-axis wind rotors with the control mechanism of blades are studied. The results of experimental researches in a hydrotray and a wind tunnel are given. The self-start of such wind rotors at low speeds of the incident flow, a significant increase in both the...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7506 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями / В.Т. Гринченко, В.П. Каян, В.А. Кочин // Доп. НАН України. — 2008. — № 12. — С. 62-68. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-7506 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-75062010-04-01T12:01:40Z Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями Гринченко, В.Т. Каян, В.П. Кочин, В.А. Механіка The performance characteristics of vertical-axis wind rotors with the control mechanism of blades are studied. The results of experimental researches in a hydrotray and a wind tunnel are given. The self-start of such wind rotors at low speeds of the incident flow, a significant increase in both the operating ratio of a flow energy and the torque moment, and a decrease of the wind loads on the shaft relative to Darrieu-type wind rotors with rigidly fixed blades are demonstrated. 2008 Article Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями / В.Т. Гринченко, В.П. Каян, В.А. Кочин // Доп. НАН України. — 2008. — № 12. — С. 62-68. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7506 629.5.015.26 ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Механіка Механіка |
| spellingShingle |
Механіка Механіка Гринченко, В.Т. Каян, В.П. Кочин, В.А. Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями |
| description |
The performance characteristics of vertical-axis wind rotors with the control mechanism of blades are studied. The results of experimental researches in a hydrotray and a wind tunnel are given. The self-start of such wind rotors at low speeds of the incident flow, a significant increase in both the operating ratio of a flow energy and the torque moment, and a decrease of the wind loads on the shaft relative to Darrieu-type wind rotors with rigidly fixed blades are demonstrated. |
| format |
Article |
| author |
Гринченко, В.Т. Каян, В.П. Кочин, В.А. |
| author_facet |
Гринченко, В.Т. Каян, В.П. Кочин, В.А. |
| author_sort |
Гринченко, В.Т. |
| title |
Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями |
| title_short |
Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями |
| title_full |
Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями |
| title_fullStr |
Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями |
| title_full_unstemmed |
Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями |
| title_sort |
исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Механіка |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7506 |
| citation_txt |
Исследование и оптимизация рабочих характеристик ветроротора с вертикальной осью вращения с механизмом управления лопастями / В.Т. Гринченко, В.П. Каян, В.А. Кочин // Доп. НАН України. — 2008. — № 12. — С. 62-68. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT grinčenkovt issledovanieioptimizaciârabočihharakteristikvetrorotorasvertikalʹnojosʹûvraŝeniâsmehanizmomupravleniâlopastâmi AT kaânvp issledovanieioptimizaciârabočihharakteristikvetrorotorasvertikalʹnojosʹûvraŝeniâsmehanizmomupravleniâlopastâmi AT kočinva issledovanieioptimizaciârabočihharakteristikvetrorotorasvertikalʹnojosʹûvraŝeniâsmehanizmomupravleniâlopastâmi |
| first_indexed |
2025-07-02T10:21:21Z |
| last_indexed |
2025-07-02T10:21:21Z |
| _version_ |
1836530199927193600 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
12 • 2008
МЕХАНIКА
УДК 629.5.015.26
© 2008
Академик НАН Украины В.Т. Гринченко, В.П. Каян, В.А. Кочин
Исследование и оптимизация рабочих характеристик
ветроротора с вертикальной осью вращения
с механизмом управления лопастями
The performance characteristics of vertical-axis wind rotors with the control mechanism of
blades are studied. The results of experimental researches in a hydrotray and a wind tunnel
are given. The self-start of such wind rotors at low speeds of the incident flow, a significant
increase in both the operating ratio of a flow energy and the torque moment, and a decrease
of the wind loads on the shaft relative to Darrieu-type wind rotors with rigidly fixed blades are
demonstrated.
Согласно прогнозу Программы развития ООН, всесторонне обоснованного модельными экс-
периментами и технико-экономическими расчетами, новые и возобновляемые источники
энергии в XXI столетии займут главенствующее или одно из ведущих мест в глобальном
топливно-энергетическом балансе Земли [1]. Одним из таких неисчерпаемых источников
энергии на Земле является ветер. Проведенные во многих странах исследования показали,
что современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) могут быть эффективно использо-
ваны в регионах со среднегодовой скоростью ветра, превышающей 5–6 м/с.
Однако наиболее распространенные на сегодня ВЭУ с горизонтальной осью вращения
ветродвигателя не могут по мощности превысить цифру в 5–7 МВт, что, в свою очередь,
ограничивает возможности снижения стоимости квт-часа до конкурентноспособной вели-
чины. В то же время мощность ВЭУ с вертикальной осью вращения (ВОВ) ветроротора
(типа ротора Дарье) может достигать, по оценкам экспертов, 10–100 МВт. Можно перечи-
слить некоторые преимущества таких ветроустановок: независимость функционирования от
направления действия ветрового потока, возможность перехода от консольного крепления
оси ветроротора к двухопорному, возможность размещения потребителя энергии (электро-
генератор, насос) в основании ветроустановки (снижаются требования к высоте, прочности
и жесткости опоры), упрощение конструкции лопастей и их крепления и т. д. [2]. Одним из
главных недостатков ветророторов с ВОВ с жестко фиксированными относительно траверс
лопастями является высокая скорость ветрового потока, при которой происходит самоза-
пуск ротора во вращение и более низкий коэффициент использования энергии потока. В ре-
зультате проектировщики вынуждены снабжать такие ветроустановки дополнительными
62 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №12
устройствами (электродвигатель, ротор Савониуса и др.) для раскрутки ротора и выведе-
ния его на рабочий режим.
Известно, что наличие у ветроротора с ВОВ механизма управления положением ло-
пастей дает возможность повернуть лопасти относительно траверс таким образом, чтобы
изменить величину и направление действия возникающей на них аэродинамической силы
так, что появится возможность самозапуска ротора даже при малых (порядка 4–5 м/с) ско-
ростях ветра. Кроме того, управление положением лопастей позволяет значительно улуч-
шить рабочие характеристики такого ветроротора [3], снизить в несколько раз величину
аэродинамического сопротивления ветроротора [4]. Наличие простого и недорогого механи-
зма управления лопастями, простота и технологичность конструкции ветроустановки с ро-
тором такого типа позволяют ожидать существенного снижения себестоимости как ветро-
установки в целом, так и стоимости единицы произведенной энергии.
В конце 90-х годов в Институте гидромеханики НАН Украины был предложен механизм
управления положением лопастей при их движении по круговой траектории, на который
впоследствии были получены патенты Украины [5, 6]. Исследования с моделями таких
ветророторов проводились в гидролотке на специальной экспериментальной установке, мо-
дели роторов № 1, 2 и 3 отличались длиной лопастей (у роторов № 1 и 2 lлоп = 0,3 м,
у ротора № 3 — 0,15 м) и величиной радиуса установки лопастей на траверсах (у ротора
№ 1 R = 0,175 м, у роторов № 2 и № 3 R = 0,0875 м). Испытывались модели ветроротора
с числом лопастей 2, 3 и 4 [7].
У ветророторов с жестко фиксированными относительно траверс лопастями угол уста-
новки хорды профиля лопасти к касательной к ее окружности вращения был выбран рав-
ным +4◦, профиль лопасти — осесимметричный NACA-0015 [8]. Лопасти моделей ветроро-
торов имели на нижнем торце две оси (длина хорды лопасти b = 0,05 м, расстояние между
осями = 0,36b). Передняя ось лопасти была соединена с нижней траверсой шарнирно, а зад-
няя ось могла двигаться свободно вдоль щели в нижней дисковой траверсе.
Механизм изменения угла установки лопасти относительно касательной к траектории ее
вращения состоял из диска с круговой канавкой, который размещался под нижней диско-
вой траверсой модели ветроротора. В этой круговой канавке размещался конец задней оси
лопасти с шарикоподшипником на конце. Указанный диск имел возможность перемещаться
относительно оси вращения модели ветроротора вдоль направления продольной оси гидро-
лотка, создавая некоторый эксцентриситет “e” между центром вращения модели и центром
круговой канавки.
Cледует отметить, что с увеличением нагрузочного момента M на валу ротора (при
Vcp = const) у всех роторов угловая скорость вращения n уменьшалась. Степень этого
уменьшения зависела от величины эксцентриситета и конструкции моделей. Зависимость
величины n от M в подавляющем большинстве случаев была линейной.
Коэффициент быстроходности Z, который показывает соотношение окружной скорости
лопасти Vокр = 2πnR и скорости набегающего на ветроротор потока V , определялся как
Z =
2πnR
V
,
где n — число оборотов ветроротора в секунду; R = const — радиус окружности, по кото-
рой движется профиль лопасти ротора; V — скорость набегающего на модель ветроротора
потока воды, измеренная в момент записи рабочего режима.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №12 63
Рис. 1. Влияние величины относительного эксцентриситета ε на величины коэффициентов использования
энергии потока Cp (а) и средней гидродинамической нагрузки на вал модели ветроротора Cxср (б )
Коэффициенты использования энергии потока Cp и крутящего момента на валу ветро-
ротора Cm определялись как
Cp =
2P
ρV 3S
; Cm =
Cp
Z
;
где P = 2πnM — полезная мощность, развиваемая ветроротором; ρ — плотность воды;
S = 2Rlлоп — площадь гидродинамического (рабочего) сечения ветроротора.
Величины коэффициентов среднего и максимального гидродинамического сопротивле-
ния модели ветроротора Cxcp и Cxmax и коэффициент пульсаций нагрузки на валу ветро-
ротора Kd определялись по формулам
Cxcp =
2Rxср
ρV 2S
; Cxmax =
2Rxmax
ρV 2S
; Kd =
Cxmax − Cxcp
Cxcp
.
На первом этапе исследования с моделями трех указанных выше типоразмеров проводи-
лись при фиксированных величинах эксцентриситета e равных 0 и 7 мм (т. е. относительный
эксцентриситет ε = e/R равен 0 и 0,08). Результаты исследований характеристик моделей
ветроротора при ε = const приведены в [7, 9].
На втором этапе исследования в гидролотке проводились только с моделью № 2, у ко-
торой механизм изменения эксцентриситета позволял плавно изменять величину ε от 0
до 0,14. Отмечено, что при малой скорости потока в гидролотке Vcp = 0,3 . . . 0,5 м/с при
отсутствии эксцентриситета (e = 0, лопасти ротора относительно траверс неподвижны)
модель ветроротора не самозапускалась, однако после смещения управляющего диска на
некоторую величину эксцентриситета e ветроротор начинал вращаться, причем чем мень-
ше была скорость потока Vcp, тем при большей величине эксцентриситета e происходил
самозапуск модели ветроротора во вращение и, соответственно, наоборот.
Результаты исследований показали, что плавное увеличение относительного эксцентри-
ситета ε = e/R до некоторой оптимальной величины приводит к достаточно большому по-
вышению величины коэффициента использования энергии потока Cp (в 2–3 раза) (рис. 1, а).
Зависимость величины коэффициента крутящего момента Cm имеет тот же характер, что
и на рис. 1, а. Обнаружено, что чем меньше величина коэффициента быстроходности ветро-
ротора Z (т. е. чем меньше скорость вращения ветроротора), тем при большей величине εopt
достигается максимум коэффициентов Cp и Cm.
64 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №12
Измерения величины гидродинамического сопротивления Rx модели № 2 ветроротора
показали, что управление лопастями ветроротора приводит к достаточно большому сниже-
нию гидродинамической нагрузки на вал ветроротора. Характер изменения величины коэф-
фициента среднего гидродинамического сопротивления Cxcp модели ветроротора с увели-
чением эксцентриситета e при постоянной скорости набегающего потока V и при различных
величинах коэффициента быстроходности Z (здесь они соответствуют определенным вели-
чинам скорости вращения ветроротора) показан на рис. 1, б. Все экспериментальные точки
на графике хорошо аппроксимируются кривой 3-го порядка вида
Cxcp = 513ε3
− 110,15ε2
− 0,765ε + 1,315.
Имеются явно выраженные величины максимума сопротивления (при ε = 0) и минимума
(при ε = 0,15 . . . 0,16), при этом величина Cxcp снижается более чем в три раза. Кроме того,
существенно улучшаются условия работы вала ветроротора, так как с увеличением относи-
тельного эксцентриситета ε при постоянной скорости потока уменьшается скорость враще-
ния ветроротора (т. е. и величина коэффициента быстроходности ветроротора Z), а также
в несколько раз уменьшается пульсационная составляющая гидродинамической нагрузки на
вал. Минимальный коэффициент пульсаций нагрузки Kd наблюдается при Z = 0,9 . . . 1,0.
Для подтверждения результатов, полученных на малых моделях ветроротора, и прове-
дения более масштабных исследований ветроротора такого типа уже в воздушном потоке
в Институте гидромеханики НАН Украины совместно с ООО “Продмаш” (г. Мелитополь
Запорожской обл.) в 2006–2007 гг. был разработан, создан и в 2007 году испытан в аэроди-
намической трубе Киевского Национального авиационного университета макет трехлопаст-
ного ветроротора с предложенным в Институте гидромеханики механизмом управления
лопастями с ожидаемой выходной мощностью на валу ветроротора величиной около 1 кВт.
Ветроротор (рис. 2) имел следующие параметры: длина лопасти lлоп = 1,95 м, длина хор-
ды лопасти b = 0,41 м, профиль лопасти NACA 0015, удлинение лопасти λ = 4,77, радиус
кругового вращения лопасти R = 0,8 м, диаметр управляющей окружности D = 1,45 м,
площадь рабочего сечения S = 3,13 м2, коэффициент заполнения σ = 3b/2R = 0,77, ма-
ксимальная достигаемая величина относительного эксцентриситета ε = 0,12. Исследования
работы ветроротора на первом этапе проводились при скоростях воздушного потока от 5
до 13 м/с.
Для создания нагрузочного момента на валу ветроротора использовались тормозные му-
фты INTORQ с тормозными моментами на валу 7,5; 15; 30 и 60 Нм соответственно. Муфты
располагались на верхнем конце дополнительного опорного вала за пределами рабочей ча-
сти аэродинамической трубы. Там же находился двухкомпонентный тензодинамометр для
измерения взаимно перпендикулярных горизонтальных сил на верхней опоре вала ветро-
ротора.
Картина изменения скорости вращения n [1/с] ветроротора при постоянной скорости на-
бегающего потока V и различных величинах эксцентриситета e и нагрузочного момента M
представлена на рис. 3, а. Характер представленных кривых n(e/R) убедительно показыва-
ет, что для любой величины нагрузочного момента на валу существует определенная ве-
личина относительного эксцентриситета e/R, при которой скорость вращения ветроротора
максимальна (цифрами 1–11 на рис. 3 обозначены режимы работы ветроротора с величи-
нами нагрузочного момента M = 2,5; 10; 17,5; 25; 32,5; 40; 47,5; 55; 62,6; 70,2 и 77,8 Нм
соответственно). Эти максимумы величин n на кривых n(e/R) при различных M = const
достаточно хорошо укладываются на одну прямую (см. рис. 3, а). Следует отметить, что
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №12 65
Рис. 2. Макет ветроротора проектной мощностью около 1 кВт в аэродинамической трубе
Рис. 3. Зависимости величины числа оборотов ветроротора n в секунду от величины относительного эксцен-
триситета e/R при скорости потока V = 12 м/с (а) и зависимости величин максимально достижимой мощно-
сти Pmax на валу ветроротора от величины относительного эксцентриситета e/R при различных скоростях
потока V (б ) при различных величинах нагрузочного момента M (кривые 1–11 )
ветроротор самозапустился при минимально возможной в данной аэродинамической трубе
скорости потока V = 4,8 м/с (относительный эксцентриситет ε при этом был равен 0,08).
Максимумы значений n при заданной величине момента M на рис. 3, а соответствуют
максимуму мощности, снимаемой с вала ветроротора при заданной величине крутящего мо-
мента на валу. Зависимости величин максимальной мощности Pmax на валу ветроротора от
66 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №12
величины относительного эксцентриситета ε = e/R при различных скоростях набегающего
потока V представлены на рис. 3, б. Кривыми 1–8 соединены точки с одинаковой вели-
чиной нагрузочного момента M . Максимумы на кривых, соответствующих указанным на
рисунке скоростям набегающего потока, лежат практически на одной линии Popt, которая
показывает, какой надо установить величину эксцентриситета, чтобы получить максимум
мощности при данной скорости ветрового потока.
Полученные нами характеристики трехлопастного ветроротора с механизмом управле-
ния лопастями можно сравнить с характеристиками близкого ему по геометрическим разме-
рам двухлопастного ветроротора с жестко закрепленными лопастями со следующими гео-
метрическими размерами: lлоп = 2,55 м, bлоп = 0,4 м, рабочая площадь ротора S = 7,65 м2.
Испытания этого ветроротора проводились в конце 80-х годов как в аэродинамической трубе
ЦАГИ, так и в натурных условиях [10]. Расстояние от нижней кромки лопасти до поверхно-
сти земли составляло 2,8 м. При скорости потока V = 11 м/с на таком ветророторе удалось
получить 65 Вт с квадратного метра рабочего сечения в аэродинамической трубе и 85 Вт —
в натурных условиях. Соответствующий показатель для нашего ветроротора в аэродинами-
ческой трубе составил 170 Вт, т. е. в 2,5 раза больше. При скорости потока V = 13 м/с мы
получили 300 Вт с 1 м2 рабочего сечения ветроротора. Это позволяет ожидать при скорости
ветра V = 11 м/с получение более 200 Вт с площади 1 м2 при натурных испытаниях.
Результаты расчета коэффициента средней продольной ветровой нагрузки на валу вет-
роротора Cxср (при скорости потока V = 11 м/с) при различных величинах нагрузочного
момента M дали такую зависимость Cxcp(ε), вид которой подобен зависимости Cxcp(ε),
представленной на рис. 1, б, и в то же время отличен от нее. Оказалось, что величина
коэффициента Cxcp имеет максимум, равный 1,3 также при величине относительного экс-
центриситета ε = 0, все экспериментальные точки достаточно кучно лежат на одной кривой,
которую можно описать уравнением второго порядка, но минимум величины коэффициента
Cxcp, равный примерно 0,2 . . . 0,1, находится в диапазоне значений ε = 0,08 . . . 0,12.
Таким образом, применение у ветророторов с вертикальной осью вращения очень прос-
того в конструктивном и технологическом плане механизма управления лопастями ветроро-
тора позволяет значительно снизить скорость самозапуска ветроротора, снизить величину
ветровой нагрузки на вал ветроротора, значительно улучшить его рабочие характеристики
и снизить стоимость энергии, производимой ветроустановкой. Это позволяет надеяться, что
ветроустановки с роторами описанной конструкции будут весьма эффективными как в ка-
честве недорогих генераторов энергии мощностью 10–20 кВт для индивидуальных хозяйств,
так и в качестве насосных установок мощностью 20–50 кВт для добычи и перекачки нефти
или воды.
1. Долженко Г. Вiтер має працювати // Уряд. кур’єр. – 2007. – № 219. – С. 17.
2. Денисенко О.Г., Козловский Г.А., Федосенко Л.П., Осадчий А.И. Преобразование и использование
ветровой энергии. – Киев: Техника, 1992. – 176 с.
3. Avallone E.A., Baumeister T. Standard Handbook for Mechanical Engineers. – New York: McGraw Hill,
1978. – 645 p.
4. Кayan V. P., Кochin V.A. Optimization of Wind Loads and Operating Characteristics of a Vertical Axis
Wind Turbines with the Control Mechanism of Blades // Environmental effects on buildings, structures,
materials and people. Lublin: University of Technology, 2007. – P. 229–240.
5. Пат. 58189А. Україна, МПК F03D 7/06. Ротор вiтросилової установки / П.М. Бойко, В.М. Глушко,
С.О. Довгий, В.П. Каян, В. М. Пархiсенко, А. I. Циганюк. – Опубл. 15.07.2003, бюл. № 7.
6. Пат. № 16097. – на корисну модель. Україна, МПК F03D 3/00, F03D 7/06. Вiтросилова установка /
В.П. Каян, С. О. Довгий, П.М. Бойко, О.Г. Лебiдь. – Опубл. 17.07.2006, бюл. № 7.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №12 67
7. Довгий С.А., Каян В.П. Исследование гидроаэродинамики моделей ветророторов с вертикальной
осью вращения // Прикл. гидромеханика. – Киев. – 2004. – 6, № 3. – С. 76–80.
8. Гулый С.В., Еремеев И.Д., Крашаница Ю.А. и др. Аэродинамическая оптимизация масштабной
модели вертикально-осевого ветродвигателя // Вiсн. Донбаської ДАБА. Т. 1. Вплив вiтру на будинки
i споруди. – 2001. – 29, № 4. – С. 149–153.
9. Dovgy S., Kayan V., Kochin V. Experimental Researches of Characteristics of Windrotor Models with
Vertical Axis of Rotation // Wind Energy. – Proceedings of the Euromech Colloquium. – Berlin: Springer,
2006. – P. 183–186.
10. Зубковский С.Л., Лятхер В.М., Федоров М.М., Цванг Л.Р. Взаимодействие ветрового потока с
ветроэнергетической установкой // Изв. АН СССР Физика атмосферы и океана. – 1990. – 26, № 9. –
С. 899–905.
Поступило в редакцию 15.05.2008Институт гидромеханики НАН Украины, Киев
УДК 539.3
© 2008
В.С. Зеленский, В.М. Быстров
Краевые эффекты в окрестности прямоугольной горной
выработки, ослабленной трещиной
(Представлено академиком НАН Украины А.Н. Гузем)
Edge effects near a mountain development of rectangular cross-section which is weakened by a
thin crack are considered, by using numerical methods.
Определение прочности горного массива в окрестности горной выработки относится к основ-
ным задачам горной механики, исследование которых осуществляется на основе информа-
ции о напряженно-деформированном состоянии в окрестности выработки. Актуальной при
этом является задача определения зоны краевых эффектов вблизи горной выработки [2–4].
В настоящей работе рассматривается плоская задача определения зоны краевых эффек-
тов в окрестности прямоугольной горизонтальной горной выработки глубокого залегания,
пересекаемой тонкой заполненной геологической трещиной симметричной оси Ox1 (рис. 1).
Из условия геометрической и силовой симметрии относительно осей Oxi определяется рас-
четная область Ω (рис. 1). На рис. 1 обозначено: 2mi — размеры сторон горной выработки;
2n — толщина геологической трещины; n + l1, l2 — размеры горного массива соответст-
венно в направлении осей Ox1, Ox2. Величины l1, l2 определяются таким образом, что
дальнейшее их увеличение не приводит к изменению напряженного состояния в рассмат-
риваемой расчетной области, т. е. возмущением напряжений, вызываемых наличием выра-
ботки, можно пренебречь. При постановке рассматриваемой задачи учитывается гипотеза
механики горных пород о пренебрежении весом горного массива по сравнению с горным
давлением в объеме расчетной схемы [1]. Математической моделью для данной задачи яв-
ляются уравнения линейной теории упругости, механической — модель однородной линейно
упругой среды, т. е. горный массив и материал трещины моделируются линейно упругими
изотропными телами, а для оценки зон краевых эффектов используется количественный
68 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №12
|