Kuidas suurendada elektriliinide tugitornide tuulekindlust?

Tuulekoormuse mehhanismid, mis mõjutavad ülekandetorne

Tuulekoormuse mehhanismid põhjustavad elektriülekandetornidele kriitilisi pingeid, mis nõuab täpset arusaamist efektiivse tuuletakistuse projekteerimisel. Aerodünaamilised interaktsioonid loovad keerulisi jõumustreid – eriti avatud raamiga võrekonstruktsioonides –, kus turbulentne vool, keerise kadumine ja dünaamiline võimendus koonduvad, et esitada väljakutse konstruktsiooni terviklikkusele tugeva tuule korral.

Turbulentsed voolude eraldumised ja rõhu tasakaalustamatus võrega torni pindade ümber

Kui tuul liigub mööda võretornidest, tekitab see pinnale turbulentsi ja ebaühtlase rõhujaotuse. Need rõhuerinevused põhjustavad olulisi takistusjõude, mis avaldavad konstruktsiooniühendustele ja õhukestele raamistiku osadele lisapinget, mis on eriti märgatav siis, kui õhuvool jääb torni sisestruktuuri sisse kinni. Tugevate tuuleiilide ajal näeme torni vastaskülgede vahel sageli üle 30% ulatuvaid rõhuerinevusi, mis kiirendavad nende oluliste ühenduspunktide kulumist. Tuuletunneli katsete uuringud toetavad seda, näidates, et selline rõhu tasakaalustamatus on tegelikult üks peamisi põhjuseid korduvate pingetsüklite tekkeks võreülekandestruktuurides, vastavalt 2017. aastal ajakirjas Journal of Wind Engineering avaldatud leidudele. Selle probleemi lahendamiseks alustavad insenerid risttalade vahekauguse reguleerimisest. See disainimuudatus aitab katkestada organiseeritud õhuvoolu mustreid ja vähendab rõhuerinevusi enne, kui need levivad kogu torni raamistikus.

Vortexi varisemine, aerodünaamiline varjutamine ja dünaamilise võimenduse efektid

Kui tuul puhub mööda torni elemente, tekitab see nn keerise leviku, mis põhjustab konstruktsioonidele edasi-tagasi tõste- ja takistusjõude. Mõnikord langevad need jõud kokku konstruktsiooni loomuliku vibratsiooniga, põhjustades probleeme. Ülesvoolu asuvad asjad, näiteks lähedal asuvad teised tornid või isegi maastikuelemendid, heidavad inseneride poolt aerodünaamilisi varje. Need varjud rikuvad tavapäraseid tuulemustreid ja süvendavad teatud kohtades turbulentsi. Kõige selle kombinatsioon võib konstruktsiooni reaktsiooni oluliselt kiirendada. Välikatsed on näidanud, et kui see juhtub, võivad materjalide pinged suureneda umbes 40%, vastavalt ASCE käsiraamatus 74 aastast 2010 viidatud uuringutele. Nurga all tulev tuul muudab need varjuefektid veelgi selgemaks. Seetõttu peavad insenerid paigaldama summutussüsteeme, näiteks postide ümber mähitud spiraalsed liistud või need häälestatud mass-amortisaatorid, mida me kõrghoonetel näeme. Need aitavad keerise mustreid ennetada, kui need kontrolli alt väljuvad ja ahelreaktsiooni kaudu kahjustusi tekitavad.

Kriitilised rikkeviisid ja konstruktsioonide haavatavused tugeva tuule korral

Liigeste kõverdumine ja liigeste ebastabiilsus: õppetunnid taifuun Mangkhutist (2018)

Taifuun Mangkhuti 200 km/h tuuled paljastasid võretornide ühendusmeetodites tõsiseid nõrkusi, põhjustades varingute ahelreaktsiooni kogu Guangdongi elektrivõrgus. Poltidega ühendustele tsentrist väljas mõjuvad tuulejõud põhjustasid nurga all olevate konstruktsioonielementide järkjärgulist kõverdumist, mis oli eriti märgatav põikühenduste juures, kus nii paindepinged kui ka survejõud ületasid ühenduste tugevuse. Cheni ja tema kolleegide 2022. aastal avaldatud uuringu kohaselt oli umbes kolmveerand kõigist tornide riketest Mangkhuti ajal tingitud nendest ühendusprobleemidest, mille tagajärjel tekkisid kahjud üle 1,2 miljardi dollari. See, mis eristab seda lihtsatest komponentide riketest, on see, et ühendusprobleemid levisid kiiresti kogu võrestruktuuris. Seetõttu nõuavad uuemad tööstusstandardid, nagu 2019. aasta IEC 61400-24, inseneridelt mittelineaarsete dünaamiliste analüüside tegemist taifuunide poolt sageli tabatud piirkondade vuukide projekteerimisel.

Väsimusest tingitud lagunemine vs. staatiline kokkuvarisemine: miks peab tänapäevane tornide hindamine arenema

Enamik traditsioonilisi meetodeid keskendub staatilisele kokkuvarisemise piirile, jättes tähelepanuta korduva tuulega kokkupuute põhjustatud järkjärgulise väsimuskahjustuse. Hiljutiste uuringute kohaselt tuleneb umbes 60 protsenti tuulega seotud riketest pigem pingekontsentratsiooni kohtades levivatest pisikestest pragudest kui äkilistest ülekoormustest, nagu on märgitud EPRI 2023. aasta vastupidavusaruandes. Probleem süveneb rannikualadel, kuna soolase vee korrosioon toimib koos pidevate pingetsüklitega, lühendades materjalide vastupidavust neile jõududele peaaegu poole võrra. Selle arusaama tõttu on paljud juhtivad kommunaalettevõtted hakanud tugevuse kontrollimise asemel kasutama kahjustustaluvuse hindamismeetodeid. Nad asendavad vanad kontrollitehnikad täiustatud faasitud massiivi ultrahelikatsetega, mis leiavad pindade all peidetud vigu enne, kui need praod kasvavad liiga suureks, et neid ignoreerida.

Tõestatud disainistrateegiad torni tuulekindluse parandamiseks

Aerodünaamilised täiustused: põikhargi geomeetria optimeerimine ja pindala vähendamise tehnikad

Kui insenerid muudavad ristharude kuju, saavad nad vähendada tuule mõju esipinnale ja takistada tüütute keeriste teket. Seda kinnitavad ka numbrid: NREL-i 2023. aasta uuringu kohaselt vähendavad elliptilised kujundid keerleva õhu põhjustatud vibratsioone umbes 15–20 protsenti võrreldes traditsiooniliste kastikujuliste konstruktsioonidega. Teine nipp on tuulele avatud ala vähendamine. See hõlmab võimaluse korral mõnede konstruktsioonielementide eemaldamist ja aukude puurimist osadesse, mis ei pea raskust kandma. Need muudatused vähendavad õhutakistust umbes 10–14 protsenti, hoides samal ajal kõik sama tugeva ja stabiilsena. Arvutimudelid, mida nimetatakse CFD-simulatsioonideks, kontrollivad, et kõik need täiustused toimiksid korralikult isegi siis, kui tuul puhub erinevate nurkade all, alates 0 kraadist otse kuni 180 kraadini otse. Tõeliselt kõrgete, üle viiekümne meetri kõrguste tornide puhul taifuunidele kalduvates piirkondades on oluline tagada tahke materjali suhe alla 0,3, hajutades konstruktsioonikomponendid üksteisest kaugemale. See aitab vähendada soovimatut rappumist, eriti kaootiliste ilmastikutingimuste korral, kus tuul puhub korraga mitmest suunast.

Konstruktsioonitugevdamine: tugikonstruktsioonide uuendamine, vuukide jäigastamine ja summutuse integreerimine

Konstruktsioonide tugevdamisel rikete vastu keskenduvad insenerid probleemsetele kohtadele, kasutades kolmnurkseid tugisüsteeme, mis aitavad tuule jõude külgedelt jaotada. Diagonaalsete tugisammaste uuendamine võib suurendada külgjäikust umbes 25 kuni isegi 30 protsenti. K-tugede süsteem toimib eriti hästi surveelementide painutamise peatamisel väga tugevate tuuleiilide korral vastavalt standarditele nagu IEC 61400-24 aastast 2019. Jäigastamiseks kasutatakse selliseid asju nagu tugiplaatide lisamine, ülitugevate poltide pingutamine enne paigaldamist ja alusplaatide tugevdamine. See lähenemisviis vähendab pöörlemisprobleeme ja vähendab väsimusest tingitud pragude tekkimise võimalust umbes 40 protsendi võrra. Tuule põhjustatud rappumise eest täiendava kaitse tagamiseks tulevad mängu täiendavad summutusmeetodid. Nende hulka kuuluvad näiteks häälestatud massisummutid või viskoossete vedelikega täidetud seadmed, mis neelavad umbes 15–25 protsenti kineetilisest energiast nende tüütute tuule tekitatud vibratsioonide ajal. Kokkuvõttes nihutavad need erinevad lähenemisviisid punkti, kus konstruktsioonid võivad kokku variseda tuulekiirusel üle 55 meetri sekundis. Täismõõdulised testid on kinnitanud seda efektiivsust simuleeritud taifuunitingimustes, mis annab inseneridele kindlustunde oma disainilahenduste osas.

KKK

Mis on keerise levik?

Keerise levik tekib siis, kui tuul liigub üle konstruktsiooni, mille tulemuseks on vahelduvad madalrõhutsoonid, mis tekitavad edasi-tagasi liikumise, mis viib konstruktsioonile mõjuvate tõste- ja takistusjõududeni.

Kuidas saab aerodünaamiline varjutus ülekandetorni mõjutada?

Aerodünaamiline varjutus häirib tavapäraseid tuulemustreid, intensiivistades turbulentsi ja suurendades torni konstruktsioonide koormust, eriti takistuste, näiteks teiste tornide või maastikuelementide taga asuvates piirkondades.

Millised on mõned disainistrateegiad ülekandetornide tuuletakistuse parandamiseks?

Projekteerimisstrateegiate hulka kuuluvad ristõlgede geomeetria optimeerimine, pindala vähendamise tehnikad, tugikonstruktsioonide täiustamine, vuukide jäigastamine ja summutuse integreerimine tuulejõudude hajutamiseks ja konstruktsioonide haavatavuste vältimiseks.