Как да се подобри устойчивостта на кулите за пренос на електроенергия срещу вятъра?

Механизми на вятърното натоварване, действащи върху предавателни кули

Механизмите на вятърното натоварване предизвикват критични напрежения върху предавателните кули за електроенергия, което изисква прецизно разбиране за ефективно проектиране на устойчивост срещу вятъра. Аеродинамичните взаимодействия пораждат сложни схеми на сили — особено при отворени ферови решетъчни конструкции — където турбулентният поток, отделянето на вихри и динамичното усилване се съчетават и поставят под заплаха структурната цялост по време на силни ветрови събития.

Отделяне на турбулентния поток и нарушаване на налягането около повърхностите на решетъчните кули

Когато вятърът преминава покрай решетъчни кули, той създава зони на турбулентност и неравномерно разпределение на налягането по повърхността. Тези разлики в налягането водят до значителни сили на драг, които оказват допълнително натоварване върху конструктивните възли и тънките части на рамката, особено забележими, когато въздушният поток се задържа вътре във вътрешната структура на кулата. По време на силни пориви често се наблюдават разлики в налягането, надвишаващи 30 % между противоположните страни на кулата, което ускорява износването на тези жизненоважни точки на свързване. Изследвания от аеродинамични тръбни тестове потвърждават това, като показват, че такива дисбаланси в налягането всъщност са една от основните причини за повторящите се цикли на напрежение в решетъчните предавателни конструкции, според резултати, публикувани в „Journal of Wind Engineering“ през 2017 г. За борба с този проблем инженерите започват с коригиране на разстоянието между напречните греди. Тази конструктивна корекция помага да се наруши организираният модел на въздушния поток и намалява разликите в налягането, преди те да се разпространят по цялата рамка на кулата.

Ефекти от вихрова отделяне, аеродинамично сенчесте и динамично усилване

Когато вятърът преминава покрай елементите на кулата, се образува нещо, наречено вихрова отделяне, което води до възникване на периодични подемни и драгови сили, действащи напред-назад върху конструкцията. Понякога тези сили съвпадат с естествената честота на трептене на конструкцията, което предизвиква проблеми. Обектите, разположени по посока на вятъра — като други кули в близост или дори релефни форми — създават това, което инженерите наричат аеродинамични сенки. Тези сенки нарушават нормалните ветрови модели и всъщност усилват турбулентността в определени зони. Комбинацията от всички тези фактори може значително да увеличи структурния отклик. Полеви изследвания са показали, че при такива условия напреженията в материалите могат да се повишат приблизително с 40 %, според проучванията, цитирани в ASCE Manual 74 от 2010 г. Вятърът, който достига конструкцията под ъгъл, прави тези ефекти от сенките още по-изразени. Затова инженерите трябва да монтират системи за гасене, като например хеликоидни ребра, навити около стълбовете, или настроени масови гасители, които се използват при високи сгради. Те помагат да се разрушат вихровите структури, преди те да излязат от контрол и да причинят повреди чрез този веригов ефект.

Критични режими на отказ и структурни уязвимости при събития с висока скорост на вятъра

Изпъкване на връзки и нестабилност на елементи: Уроци от тайфуна Мангкут (2018 г.)

200 км/ч ветровете от тайфуна Мангкут разкриха сериозни слабости в начина, по който се свързват решетъчните кули, което предизвика верижна реакция от срутвания в електрическата мрежа на Гуандун. Ветровите сили, действащи извън центъра върху болтовите връзки, доведоха до постепенно огъване на ъгловите конструктивни елементи, особено забележимо в точките на съединяване на напречните греди, където както огъващите напрежения, така и компресивните сили надвишиха якостта на връзката. При анализ на последствията се установи, че около три четвърти от всички срутвания на кули по време на тайфуна Мангкут са били предизвикани от тези проблеми с връзките, което доведе до щети, превишаващи 1,2 милиарда долара, според проучване, публикувано от Чен и колегите му още през 2022 г. Това, което отличава този случай от обикновеното повреждане на отделни компоненти, е фактът, че проблемите с връзките се разпространяват бързо през цялата решетъчна конструкция. Затова новите отраслови стандарти, като например IEC 61400-24 от 2019 г., вече изискват инженерите да извършват нелинейни динамични анализи при проектирането на връзки за райони, които често са засягани от тайфуни.

Деградация, предизвикана от умора, срещу статично срутване: Защо оценката на съвременните кули трябва да еволюира

Повечето традиционни методи се фокусират върху граничните стойности за статично срутване и пропускат постепенното уморително повреждане, причинено от многократно въздействие на вятъра. Според последни изследвания около 60 процента от повредите, свързани с вятъра, всъщност се дължат на разпространяването на микроскопични пукнатини в точки с концентрация на напрежение, а не на внезапни събития на прекомерно натоварване, както се посочва в Годишния доклад за устойчивост на EPRI от 2023 г. Проблемът се задълбочава по крайбрежните райони, тъй като корозията от морска вода действа съвместно с постоянните цикли на напрежение и почти наполовина намалява времето, през което материалите могат да издържат тези въздействия. Поради това разбиране много водещи енергийни компании започнаха да прилагат подходи за оценка, допускащи наличие на повреди, вместо просто да проверяват механичната якост. Те заменят старите методи за инспекция с напреднали ултразвукови методи с фазирани решетки, които откриват скрити дефекти под повърхността, преди пукнатините да се разраснат до размери, които не могат да бъдат пренебрегнати.

Доказани стратегии за проектиране, които подобряват устойчивостта на кулите към вятъра

Аеродинамични подобрения: оптимизиране на геометрията на напречните греди и методи за намаляване на площта

Когато инженерите коригират формата на напречните греди, те могат да намалят количеството вятър, който удря предната повърхност, и да предотвратят образуването на тези досадни вихри. Числените данни също потвърждават това: според проучване от Националната лаборатория по възобновяема енергия (NREL) от 2023 г. елиптичните форми действително намаляват вибрациите, причинени от завихряния въздух, с около 15–20 % в сравнение с традиционните кутиевидни конструкции. Друг трик е намаляването на общата площ, изложена на вятъра. Това включва премахване на някои конструктивни елементи там, където е възможно, и пробиване на отвори в части, които не носят товар. Тези промени намаляват аеродинамичното съпротивление с около 10–14 %, като запазват цялата конструкция със същата якост и стабилност. Компютърни модели, наречени CFD-симулации, проверяват дали всички тези подобрения работят правилно дори когато вятърът достига под различни ъгли — от 0 градуса (фронтално) до 180 градуса (срещу). За много високи кули над петдесет метра в райони, склонни към тайфуни, осигуряването на съотношение на плътния материал под 0,3 чрез по-голямо разстояние между конструктивните елементи прави значителна разлика. Това помага да се намали нежеланото трептене, особено при хаотични метеорологични условия, когато вятърът духа едновременно от множество посоки.

Структурно усилване: Подобрения на подпорите, затегане на възлите и интегриране на демпфиращи елементи

При усилване на конструкции срещу повреди инженерите се фокусират върху проблемните зони, като използват триъгълни подпорни системи, които помагат за разпределяне на ветровите сили от страничните страни. Подобряването на диагоналните подпори може да увеличи страничната твърдост приблизително с 25 до дори 30 процента. Конфигурацията с К-образни подпори работи особено добре за предотвратяване на огъване на компресионните елементи при излагане на много силни пориви на вятъра, според стандарти като IEC 61400-24 от 2019 г. Усилването на възли включва добавяне на косоурни плочи, затягане на високопрочните болтове преди монтажа и усилване на основните плочи. Този подход намалява проблемите с ротацията и понижава вероятността от появяване на пукнатини вследствие умора с около четиридесет процента. За допълнителна защита срещу трептенето, причинено от вятъра, се прилагат допълнителни демпфиращи методи. Те включват, например, настроени масови демпфери или устройства, пълни с вискозни течности, които абсорбират приблизително от петнадесет до двадесет и пет процента от кинетичната енергия по време на дразнещите вибрации, предизвикани от вятъра. Всички тези различни подходи изместват критичната точка, при която конструкцията би могла да се срути, над ветрови скорости от петдесет и пет метра в секунда. Пълномащабни изпитания потвърждават тази ефективност при симулирани условия на тайфун, което дава на инженерите увереност в своите проекти.

ЧЗВ

Какво е вихрово отделяне?

Вихровото отделяне възниква, когато вятърът преминава над конструкция, което води до редуване на зони с ниско налягане и предизвиква напред-назад движение, пораждащо подемни и драгови сили върху конструкцията.

Как аеродинамичната сянка може да повлияе върху предавателна кула?

Аеродинамичната сянка нарушава нормалните ветрови модели, усилва турбулентността и увеличава напрежението върху кулите, особено в зоните зад препятствия като други кули или релефни форми.

Какви са някои проектирани стратегии за подобряване на устойчивостта към вятъра при предавателни кули?

Проектираните стратегии включват оптимизиране на геометрията на напречните греди, методи за намаляване на площта, добавяне на подсилено крепежно оборудване, усилване на възлите и интегриране на демпфери, за да се разпределят ветровите сили и да се предотвратят структурни слабости.