Kazan', Kazan, Russian Federation
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
In this article new effective designs of tower constructions (support of power lines (power line), a support of vetroelektrichesky installations (VEU), etc.) on which patents of the Russian Federation for inventions are taken out are considered. Methods of their calculations are given in the ANSYS software complex in order to determine the stress-strain state (VAT) and determine their actual operation. The use of new technical solutions in the construction of HEU towers will reduce material consumption by 15%.
HEU tower, tower-type structure, power line support, finite element method, computer modeling, Mises strength theory
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. Kuznecov I.L., Sabitov L.S., Isaev A.V. KONSTRUKCII S SOEDINENIYaMI STAL'NYH TRUB RAZNOGO DIAMETRA monografiya M-vo obrazovaniya i nauki Rossiyskoy Federacii, Kazanskiy gos. arhitekturno-stroitel'nyy un-t. Kazan', 2012.
2. Sabitov L.S., Kuznecov I.L., Pen'kovcev S.A. VYBOR RACIONAL'NOGO TIPA POPEREChNOGO SEChENIYa OPOR Privolzhskiy nauchnyy zhurnal. 2014. № 4 (32). S. 90-94.
3. Sabitov L.S., Kuznecov I.L., Ziganshin A.D., Kiyamov I.K., Ahtyamova L.Sh., Kabirova G.I., Mailyan A.L., Yazyev S.B. Opora iz sekciy mnogogrannogo secheniya Patent na izobretenie RU 2743116, zayavka №2020128337 ot 24.08.2020
4. Sabitov L.S., Kuznecov I.L., Ziganshin A.D., Kiyamov I.K., Ahtyamova L.Sh., Kabirova G.I., Hayretdinov S.R., Yazyev B.M. Opora iz mnogogrannyh sekciy Patent na izobretenie RU 2743980, zayavka №2020128338 ot 24.08.2020
5. Sabitov L.S., Kuznecov I.L., Bogdanovich A.U. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie slabokonichnogo sterzhnya peremennogo secheniya Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2014. № 7 (90). S. 71-77.
6. Kuznecov I.L., Isaev A.V., Sabitov L.S. UZEL SOEDINENIYa TRUB Patent na izobretenie RU 2288399 C8, 27.11.2006. Zayavka № 2005111480/06 ot 07.04.2005.
7. Sabitov L.S., Kuznecov I.L., Gatiyatov I.Z. EKSPERIMENTAL'NYE ISSLEDOVANIYa UZLOV SOEDINENIYa TRUB RAZNOGO DIAMETRA V OPORAH KONTAKTNYH SETEY ELEKTROTRANSPORTA Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2014. № 6 (47). S. 90-95.
8. Mailyan L.R., Zubrickiy M.A., Ushakov O.Yu., Sabitov L.S. RASChET VYSOTNYH SOORUZhENIY PRI SEYSMIChESKOM VOZDEYSTVII UROVNYa «KONTROL'NOE ZEMLETRYaSENIE» NELINEYNYM STATIChESKIM METODOM NA PRIMERE ADYGEYSKOY VES Stroitel'nye materialy i izdeliya. 2020. T. 3. № 1. S. 14-20.
9. Strelkov Yu.M., Radaykin O.V., Sabitov L.S., Kuznecov I.L. Sravnitel'nyy analiz staticheskoy raboty razlichnyh tipov stal'nyh opor liniy elektroperedach na osnove komp'yuternogo modelirovaniya sistemy "opora - fundament - grunt osnovaniya" Stroitel'naya mehanika i raschet sooruzheniy. 2019. № 1 (282). S. 71-79.
10. Gatiyatov I.Z., Sabitov L.S., Kuznecov I.L. Analiz rezul'tatov, poluchennyh pri mehanicheskih ispytaniyah fragmentov opor elektricheskogo transporta. V sbornike: Effektivnye stroitel'nye konstrukcii: teoriya i praktika sbornik statey XIV Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii. Pod redakciey N.N. Las'kova. 2014. S. 42-45.
