पावर ट्रांसमिशन टॉवर्स की वायु प्रतिरोध क्षमता को कैसे बढ़ाया जा सकता है?

पावर ट्रांसमिशन टावरों पर कार्य करने वाले वायु भार तंत्र

वायु भार तंत्र पावर ट्रांसमिशन टावरों पर महत्वपूर्ण प्रतिबल उत्पन्न करते हैं, जिसके कारण वायु प्रतिरोध डिज़ाइन को प्रभावी ढंग से करने के लिए इनकी सटीक समझ आवश्यक है। एरोडायनामिक अंतःक्रियाएँ जटिल बल पैटर्न उत्पन्न करती हैं—विशेष रूप से खुले-फ्रेम लैटिस संरचनाओं में—जहाँ टर्बुलेंट प्रवाह, वॉर्टेक्स शेडिंग और गतिशील प्रवर्धन एक साथ मिलकर उच्च वायु घटनाओं के दौरान संरचनात्मक अखंडता को चुनौती देते हैं।

लैटिस टावर की सतहों के चारों ओर टर्बुलेंट प्रवाह विभाजन और दाब असंतुलन

जब हवा लैटिस टावरों के पास से गुजरती है, तो यह सतह पर टर्बुलेंस के क्षेत्र और असमान दबाव वितरण का निर्माण करती है। ये दबाव अंतर उल्लेखनीय ड्रैग बल का कारण बनते हैं, जो संरचनात्मक जोड़ों और फ्रेमवर्क के पतले भागों पर अतिरिक्त तनाव डालते हैं, विशेष रूप से तब जब वायु प्रवाह टावर की आंतरिक संरचना के अंदर फँस जाता है। तीव्र झोंकों के दौरान, हम अक्सर टावर के विपरीत पक्षों के बीच 30% से अधिक के दबाव अंतर को देखते हैं, जो उन महत्वपूर्ण संयोजन बिंदुओं पर क्षरण और क्षति की दर को तेज कर देता है। प्रकाशित शोध—जो 2017 में 'जर्नल ऑफ विंड इंजीनियरिंग' में प्रकाशित हुआ था—के अनुसार, वायु सुरंग परीक्षणों से प्राप्त यह निष्कर्ष समर्थित है कि ऐसे दबाव असंतुलन लैटिस ट्रांसमिशन संरचनाओं में दोहराए गए तनाव चक्रों के पीछे के मुख्य कारणों में से एक हैं। इस समस्या का सामना करने के लिए, इंजीनियर सबसे पहले क्रॉस आर्म्स के बीच की दूरी को समायोजित करना शुरू करते हैं। यह डिज़ाइन संशोधन व्यवस्थित वायु प्रवाह पैटर्न को तोड़ने में सहायता करता है और उन दबाव अंतरों को कम करता है, जिनसे वे पूरे टावर फ्रेमवर्क में फैल सकते हैं।

भर्टेक्स शेडिंग, एरोडायनामिक शैडोइंग, और डायनामिक एम्प्लीफिकेशन प्रभाव

जब हवा टॉवर के तत्वों के पास से गुजरती है, तो यह एक घटना को जन्म देती है जिसे 'भर्टेक्स शेडिंग' (घूर्णी प्रवाह अलगाव) कहा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप संरचनाओं पर आगे-पीछे की ओर कार्य करने वाले उत्थान (लिफ्ट) और अवरोध (ड्रैग) बल उत्पन्न होते हैं। कभी-कभी ये बल उस प्राकृतिक कंपन आवृत्ति के साथ संरेखित हो जाते हैं जिसमें संरचना स्वतः कंपन करना चाहती है, जिससे समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं। ऊपर की ओर स्थित अन्य टॉवर या भू-दृश्य की विशेषताएँ इंजीनियरों द्वारा 'एरोडायनामिक शैडोज़' (वायुगतिकीय छायाएँ) कहे जाने वाले प्रभाव उत्पन्न करती हैं। ये छायाएँ सामान्य हवा के प्रतिरूपों में व्यवधान डालती हैं और वास्तव में कुछ विशिष्ट स्थानों पर टर्बुलेंस (अशांतता) को और बढ़ा देती हैं। इन सभी कारकों का संयोजन संरचनात्मक प्रतिक्रिया को काफी बढ़ा सकता है। क्षेत्र परीक्षणों से पता चला है कि ऐसा होने पर, सामग्री पर आने वाले प्रतिबलों में लगभग ४०% की वृद्धि हो सकती है, जैसा कि ASCE मैनुअल ७४ (२०१०) में उल्लिखित अध्ययनों में दर्शाया गया है। हवा का कोणीय आगमन इन छाया प्रभावों को और अधिक प्रबल बना देता है। इसीलिए इंजीनियरों को ध्रुवों के चारों ओर लपेटे गए हेलिकल स्ट्रेक्स या ऊँची इमारतों पर देखे जाने वाले ट्यून्ड मास डैम्पर्स जैसी अवमंदन प्रणालियाँ स्थापित करने की आवश्यकता होती है। ये प्रणालियाँ घूर्णी प्रवाह के पैटर्न को अनियंत्रित होने से पहले ही विघटित कर देती हैं और इस श्रृंखला प्रतिक्रिया प्रभाव के माध्यम से क्षति को रोकने में सहायता करती हैं।

उच्च वायु गति की घटनाओं में महत्वपूर्ण विफलता मोड और संरचनात्मक कमजोरियाँ

जॉइंट बकलिंग और सदस्य अस्थिरता: टाइफून मैंगखुट (2018) से सीखे गए पाठ

टाइफून मैंगखुट की 200 किमी/घंटा की हवाओं ने लैटिस टावरों के संयोजन के तरीके में गंभीर कमजोरियों को उजागर कर दिया, जिससे गुआंगडोंग के बिजली ग्रिड में पूरे श्रृंखला प्रतिक्रिया के रूप में ढहने की घटनाएँ हुईं। बोल्टेड जोड़ों पर केंद्र से विस्थापित कार्य करने वाले वायु बलों के कारण कोणीय संरचनात्मक घटकों में क्रमिक बकलिंग हुई, जो विशेष रूप से उन क्रॉस आर्म जंक्शनों पर स्पष्ट रूप से देखी गई, जहाँ बेंडिंग तनाव और संपीड़न बल दोनों ही संयोजन की शक्ति को अतिभारित कर रहे थे। विनाश के बाद के विश्लेषण में, मैंगखुट के दौरान हुए सभी टावर विफलताओं में से लगभग तीन-चौथाई का कारण इन्हीं जोड़ समस्याओं को पाया गया, जिसके परिणामस्वरूप चेन और सहयोगियों द्वारा 2022 में प्रकाशित शोध के अनुसार 1.2 अरब डॉलर से अधिक की क्षति हुई। यह साधारण घटक विफलता से इसलिए भिन्न है क्योंकि संयोजन संबंधी समस्याएँ पूरी लैटिस संरचना में तेज़ी से फैल जाती हैं। यही कारण है कि 2019 में प्रकाशित नवीनतम उद्योग मानकों, जैसे IEC 61400-24, अब इंजीनियरों को चक्रवात प्रवण क्षेत्रों के लिए जोड़ों के डिज़ाइन के समय गैर-रैखिक गतिशील विश्लेषण करने का आदेश देते हैं।

थकान-प्रेरित अपक्षय बनाम स्थैतिक पतन: आधुनिक टावर मूल्यांकन को क्यों विकसित होना चाहिए

अधिकांश पारंपरिक विधियाँ स्थैतिक पतन सीमाओं पर केंद्रित होती हैं, जबकि बार-बार हवा के संपर्क में आने के कारण होने वाले धीमे थकान क्षति को नज़रअंदाज़ कर देती हैं। हाल के अध्ययनों के अनुसार, EPRI 2023 वार्षिक लचीलापन रिपोर्ट में उल्लिखित अनुसार, हवा से संबंधित विफलताओं में से लगभग 60 प्रतिशत का कारण तनाव सांद्रण स्थलों पर छोटी-छोटी दरारों का फैलना है, न कि अचानक अतिभार घटनाएँ। यह समस्या तटीय क्षेत्रों के साथ-साथ और भी गंभीर हो जाती है, क्योंकि नमकीन पानी का संक्षारण स्थिर तनाव चक्रों के साथ साथ-साथ कार्य करता है, जिससे सामग्रियों के इन बलों का सामना करने की क्षमता लगभग आधी कम हो जाती है। इस समझ के आधार पर, कई प्रमुख ऊर्जा कंपनियाँ अब केवल शक्ति की जाँच करने के बजाय क्षति-सहनशील मूल्यांकन दृष्टिकोण का उपयोग करना शुरू कर चुकी हैं। वे पुरानी निरीक्षण विधियों को उन्नत चरणबद्ध ऐरे अल्ट्रासोनिक परीक्षण से प्रतिस्थापित कर रही हैं, जो उन दरारों के बहुत बड़े होने से पहले ही सतह के नीचे छिपे दोषों का पता लगा लेता है।

टॉवर की पवन प्रतिरोध क्षमता में सुधार के लिए सिद्ध डिज़ाइन रणनीतियाँ

एरोडायनामिक सुधार: क्रॉस-आर्म ज्यामिति अनुकूलन और क्षेत्रफल कम करने की तकनीकें

जब इंजीनियर क्रॉस आर्म्स के आकार में समायोजन करते हैं, तो वे सामने की सतह पर पड़ने वाली हवा की मात्रा को कम कर सकते हैं और उन झंझट भरे भंवरों (वॉर्टिसेज) के निर्माण को रोक सकते हैं। यह बात संख्यात्मक रूप से भी समर्थित है: शोध के अनुसार, एनआरईएल (NREL) द्वारा 2023 में किए गए अध्ययन में दर्शाया गया है कि अंडाकार आकृतियाँ पारंपरिक आयताकार डिज़ाइनों की तुलना में घूर्णनशील वायु के कारण होने वाले कंपनों को लगभग 15 से 20 प्रतिशत तक कम कर देती हैं। एक अन्य तकनीक है—हवा के संपर्क में आने वाले कुल क्षेत्रफल को कम करना। इसमें, जहाँ संभव हो, कुछ संरचनात्मक अवयवों को हटाना और उन भागों में छेद करना शामिल है जो भार वहन करने के लिए आवश्यक नहीं हैं। ये परिवर्तन ड्रैग को लगभग 10 से 14 प्रतिशत तक कम कर देते हैं, जबकि समग्र संरचना की शक्ति और स्थिरता पूर्णतः बनी रहती है। कंप्यूटर मॉडल, जिन्हें सीएफडी (CFD) सिमुलेशन कहा जाता है, इन सभी सुधारों की जाँच करते हैं कि वे 0 डिग्री (सीधे सामने से) से लेकर 180 डिग्री (ठीक सामने से) तक विभिन्न कोणों पर आने वाली हवा के प्रति भी उचित रूप से कार्य करते हैं। वास्तव में, 50 मीटर से अधिक ऊँचे टावरों के लिए, जो तूफान-प्रवण क्षेत्रों में स्थित हों, संरचनात्मक घटकों को अधिक दूरी पर फैलाकर ठोस सामग्री के अनुपात को 0.3 से कम बनाए रखना बहुत महत्वपूर्ण होता है। यह अवांछित कंपन को कम करने में मदद करता है, विशेष रूप से उन अव्यवस्थित मौसमी परिस्थितियों में, जहाँ हवा एक साथ कई दिशाओं से प्रवाहित होती है।

संरचनात्मक मजबूतीकरण: ब्रेसिंग अपग्रेड, जोड़ों का कठोरीकरण और डैम्पिंग एकीकरण

जब संरचनाओं को विफलताओं के विरुद्ध मजबूत किया जाता है, तो इंजीनियर त्रिकोणीय ब्रेसिंग प्रणालियों का उपयोग करके समस्या वाले क्षेत्रों पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जो पार्श्व दिशा से आने वाले वायु बलों को फैलाने में सहायता करती हैं। विकर्ण ब्रेसेज़ को अपग्रेड करने से पार्श्व दृढ़ता में लगभग 25 से 30 प्रतिशत तक की वृद्धि की जा सकती है। K-ब्रेसिंग व्यवस्था विशेष रूप से तीव्र गुस्तों के सामने संपीड़न सदस्यों के बकलिंग (विक्षेपण) को रोकने में प्रभावी होती है, जैसा कि IEC 61400-24 (2019) जैसे मानकों में निर्दिष्ट है। जॉइंट्स को दृढ़ बनाने में गसेट प्लेट्स को जोड़ना, स्थापना से पूर्व उच्च-शक्ति बोल्ट्स को कसना और बेस प्लेट्स को मजबूत करना शामिल है। यह दृष्टिकोण घूर्णन संबंधी समस्याओं को कम करता है तथा थकान के कारण दरारों के उत्पन्न होने की संभावना को लगभग चालीस प्रतिशत तक कम कर देता है। वायु के कारण होने वाले कंपन के विरुद्ध अतिरिक्त सुरक्षा के लिए पूरक अवमंदन विधियाँ अपनाई जाती हैं। इनमें ट्यून्ड मास डैम्पर्स या विस्कस द्रव से भरे उपकरण शामिल हैं, जो वायु-प्रेरित कंपन के दौरान गतिज ऊर्जा के लगभग पंद्रह से पच्चीस प्रतिशत तक को अवशोषित कर लेते हैं। इन सभी विभिन्न दृष्टिकोणों के संयुक्त प्रभाव से संरचनाओं के पतन का बिंदु 55 मीटर प्रति सेकंड से अधिक वायु वेग तक स्थानांतरित हो जाता है। पूर्ण-मापदंड परीक्षणों ने अनुकरित तूफानी परिस्थितियों के तहत इस प्रभावकारिता की पुष्टि की है, जिससे इंजीनियरों को अपने डिज़ाइनों के प्रति आत्मविश्वास प्राप्त होता है।

सामान्य प्रश्न

वॉर्टेक्स शेडिंग क्या है?

जब हवा कोई संरचना के ऊपर से गुजरती है, तो वॉर्टेक्स शेडिंग होती है, जिसके परिणामस्वरूप एकांतर कम दबाव वाले क्षेत्र बनते हैं, जो संरचना पर आगे-पीछे की गति उत्पन्न करते हैं और उस पर उत्थान (लिफ्ट) तथा अवरोध (ड्रैग) बल लगाते हैं।

एरोडायनामिक शैडोइंग ट्रांसमिशन टावर पर कैसे प्रभाव डाल सकती है?

एरोडायनामिक शैडोइंग सामान्य हवा के प्रतिरूपों में व्यवधान डालती है, जिससे टर्बुलेंस तीव्र हो जाती है और टावर की संरचनाओं पर तनाव बढ़ जाता है, विशेष रूप से अन्य टावरों या भू-दृश्य विशेषताओं जैसी बाधाओं के पीछे के क्षेत्रों में।

ट्रांसमिशन टावरों में हवा के प्रतिरोध को बेहतर बनाने के लिए कुछ डिज़ाइन रणनीतियाँ क्या हैं?

डिज़ाइन रणनीतियों में क्रॉस-आर्म ज्यामिति का अनुकूलन, क्षेत्रफल कम करने की तकनीकें, ब्रेसिंग अपग्रेड जोड़ना, जॉइंट को कठोर बनाना और डैम्पिंग का एकीकरण शामिल हैं, ताकि हवा के बलों को फैलाया जा सके और संरचनात्मक कमजोरियों को रोका जा सके।