Казань, Республика Татарстан, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
В данной статье рассматриваются новые эффективные конструкции башенных сооружений (опоры линий электропередачи (ЛЭП), опора ветроэлектрических установок (ВЭУ) и т.д.), на которые получены патенты РФ на изобретения. Приводятся методы их расчеты в программном комплексе ANSYS c целью определения напряженно-деформированного состояния (НДС) и определения их действительной работы. Применение новых технических решений при строительстве башен ВЭУ позволит сократить материалоемкость на 15%.
башня ВЭУ, сооружение башенного типа, опора линии электропередачи, метод конечных элементов, компьютерное моделирование, теория прочности по Мизесу
При строительстве конструкций башенных сооружений используются в основном три типа технических решений: а) решетчатые, б) сплошнотнечатые, б) комбинированные [2]. Для каждого типа решений есть область оптимального применения по критерию минимума массы. В данной статье рассмотрим конструкцию башни сплошностенчатую с новыми техническими решениями представленные на рисунке 1 [2,3].
Рисунок 1 – Конструкция башни ветроэлектрической установки а) общий вид ВЭУ Acciona AW-82-1500 класса IEC IIIB; б) новая конструкция телескопического стыка (патент РФ № 2743116); новая конструкция базы (патент РФ № 2743980)
Объектом исследования является реальная башня ВЭУ Acciona AW-82-1500 класса IEC IIIB применённая при строительстве Адыгейской ветроэлектрической станции (ВЭС). Общий вид ветроэлектрической установки представлен на рисунке 1, а.
Характеристики рассматриваемой ВЭУ представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики ветроэлектрической установки Acciona AW-82-1500 класса IEC IIIB Адыгейской ветроэлектрической станции
|
№, п/п |
Наименование |
Значение |
|
1 |
Установленная мощность, МВт |
1.5 |
|
2 |
Ометаемая площадь, м2 |
5345 |
|
3 |
Количество лопастей, шт. |
3 |
|
4 |
Диаметр ветроколеса, м |
82 |
|
5 |
Длина одной лопасти, м |
39 |
|
6 |
Масса одной лопасти, кг |
5780 |
|
7 |
Масса ротора, кг |
32340 |
|
8 |
Масса гондолы, кг |
52500 |
|
9 |
Высота башни до оси ступицы, м |
80 |
|
10 |
Радиус ступицы, м |
3.3 |
Башня – трёх-секционная тонкостенная стержень-оболочка; толщина стенки нижней секции –t_1=30 мм, средней – t_1=25 мм и верхней – t_1=15 мм, башня имеет диаметр сечения по внешнему периметру внизу – D_1=4.3 м, наверху – D_2=2.6 м. Материал конструкции – сталь С355. Для учета физической нелинейности использована модель билинейного кинематического упрочнения (Bilinear Kinematic Hardening), представленной на рисунке 2. Поверхность текучести описывается критерием Вон-Мизеса и представляет из себя цилиндр, ось которого совпадает с осью гидростатического сжатия в осях главных напряжений (рисунок 3).
Расчетная модель представлена трехсекционным стержневым конечным элементом КЭ-410 переменной жесткости. Ветроколесо, ротор и гондола замоделированы в виде сосредоточенной массы в верхней точке башни. Узел сопряжения башни и фундамента – жесткий. Расчет выполнен как на основное сочетание нагрузок, так и на особое. Согласно отчету о микросейсмическом районировании, сейсмичность площадки строительства – 8 баллов по шкале MSK-64. Сейсмическое воздействие уровня «Максимальное расчетное землетрясение» представлено однокомпонентной акселерограммы (рисунок 4).
Рисунок 2 – Билинейная диаграмма деформирования стали
Рисунок 3– Поверхность текучести по критерию Вон-Мизеса в осях главных напряжений
Рисунок 4 – Однокомпонентная акселерограмма сейсмического воздействия
Пространственный характер сейсмического воздействия в расчете не учитывался ввиду использования симметричного сечения. Опорный узел и телескопический узел стыка за моделированы при помощи пластинчатых конечных элементов КЭ-42, 44. Фундаментные болты замоделированы одноузловым конечными элементами упругой связи КЭ-56, а болты телескопического стыка с использованием универсального стержневого конечного элемента КЭ-10. Передача внутренних усилий с стержневых конечных элементов на модели узлов осуществляется за счет абсолютно твердых тел. Общие виды узлов представлены на рисунках 5, 6.
Рисунок 5 –Расчетная модель ветроэлектрической установки а) общий вид модели; б) общий вид телескопического стыка.
Общие результаты расчета для опорного узла приведены на рисунке 7. Дополнительно на рисунке 8 представлены графики внутренних усилий в фундаментных болтах в период сейсмического воздействия.
Рисунок 6– База башни ВЭУ а) деформированный вид опорного узла; б) мозаика продольных усилий в КЭ-56, моделирующих фундаментные болты
Рисунок 7– Графики внутренних усилий в фундаментных болтах в период сейсмического воздействия.
Для иллюстрации полученных результатов на рисунках 8-11 приведены распределения интенсивности напряжений по Мизесу для варианта расчета от особого сочетания. Интенсивность напряжений по Мизесу вычисляется по формуле: 
Рисунок 8 - Изополя эквивалентных напряжений Вон Мизеса по верхней грани пластинчатых конечных элементов опорного узла
Рисунок 9 - Изополя эквивалентных напряжений Вон Мизеса по нижней грани пластинчатых конечных элементов опорного узла
Рисунок 10 - Изополя эквивалентных напряжений Вон Мизеса по верхней грани пластинчатых конечных элементов телескопического узла стыка
Рисунок 11 - Изополя эквивалентных напряжений Вон Мизеса по нижней грани пластинчатых конечных элементов телескопического узла стыка
Выводы:
- Предложены новые эффективные конструкции башенных сооружений, новизна которой подтверждается патентами РФ.
- Анализ расчетов конструкций применительно к башне ВЭУ Acciona AW-82-1500 класса IEC IIIB показал, что применения новых технических решений позволяет уменьшить материалоемкость на 15%.
1. Кузнецов И.Л., Сабитов Л.С., Исаев А.В. КОНСТРУКЦИИ С СОЕДИНЕНИЯМИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ РАЗНОГО ДИАМЕТРА монография М-во образования и науки Российской Федерации, Казанский гос. архитектурно-строительный ун-т. Казань, 2012.
2. Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Пеньковцев С.А. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ТИПА ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ОПОР Приволжский научный журнал. 2014. № 4 (32). С. 90-94.
3. Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Зиганшин А.Д., Киямов И.К., Ахтямова Л.Ш., Кабирова Г.И., Маилян А.Л., Языев С.Б. Опора из секций многогранного сечения Патент на изобретение RU 2743116, заявка №2020128337 от 24.08.2020
4. Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Зиганшин А.Д., Киямов И.К., Ахтямова Л.Ш., Кабирова Г.И., Хайретдинов С.Р., Языев Б.М. Опора из многогранных секций Патент на изобретение RU 2743980, заявка №2020128338 от 24.08.2020
5. Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Богданович А.У. Напряженно-деформированное состояние слабоконичного стержня переменного сечения Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 7 (90). С. 71-77.
6. Кузнецов И.Л., Исаев А.В., Сабитов Л.С. УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ Патент на изобретение RU 2288399 C8, 27.11.2006. Заявка № 2005111480/06 от 07.04.2005.
7. Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Гатиятов И.З. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЗЛОВ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ РАЗНОГО ДИАМЕТРА В ОПОРАХ КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА Вестник гражданских инженеров. 2014. № 6 (47). С. 90-95.
8. Маилян Л.Р., Зубрицкий М.А., Ушаков О.Ю., Сабитов Л.С. РАСЧЕТ ВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ УРОВНЯ «КОНТРОЛЬНОЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ» НЕЛИНЕЙНЫМ СТАТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ НА ПРИМЕРЕ АДЫГЕЙСКОЙ ВЭС Строительные материалы и изделия. 2020. Т. 3. № 1. С. 14-20.
9. Стрелков Ю.М., Радайкин О.В., Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л. Сравнительный анализ статической работы различных типов стальных опор линий электропередач на основе компьютерного моделирования системы "опора - фундамент - грунт основания" Строительная механика и расчет сооружений. 2019. № 1 (282). С. 71-79.
10. Гатиятов И.З., Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л. Анализ результатов, полученных при механических испытаниях фрагментов опор электрического транспорта. В сборнике: Эффективные строительные конструкции: теория и практика сборник статей XIV Международной научно-технической конференции. Под редакцией Н.Н. Ласькова. 2014. С. 42-45.
