Hogyan növelhető a villamosenergia-átviteli tornyok szélállósága?

Szélterhelési mechanizmusok a távvezetéki tornyokon

A szélterhelési mechanizmusok kritikus feszültségeket okoznak a távvezetéki tornyokon, így pontos megértésük elengedhetetlen a hatékony szélállósági tervezéshez. Az aerodinamikai kölcsönhatások összetett erőmintázatokat hoznak létre – különösen a nyitott rácsos szerkezeteknél –, ahol a turbulens áramlás, az örvényelválasztódás és a dinamikus erősítés együttesen veszélyeztetik a szerkezeti integritást erős széljárás idején.

Turbulens áramlás-elválasztás és nyomás-egyensúlytalanság a rácsos toronyfelületek körül

Amikor a szél áthalad a rácsos tornyok mellett, turbulens területeket és egyenetlen nyomáseloszlást hoz létre a felületükön. Ezek a nyomáskülönbségek jelentős közegellenállási erőket generálnak, amelyek további terhelést rónak a szerkezeti csatlakozásokra és a váz vékony részeire, különösen akkor észlelhető ez, amikor a légáramlás beszorul a torony belső szerkezetébe. Erős széllökések idején gyakran megfigyelhető, hogy a torony ellentétes oldalai közötti nyomáskülönbség meghaladja a 30%-ot, ami gyorsítja a kopás- és fáradási folyamatokat ezeken a létfontosságú csatlakozási pontokon. Szélcsatorna-kísérletek eredményei ezt alátámasztják: a 2017-ben a Journal of Wind Engineering című szakfolyóiratban megjelent kutatási eredmények szerint az ilyen nyomáskiegyenlítetlenségek valójában a rácsos távvezetéki szerkezetekben megismétlődő feszültségciklusok egyik fő okát képezik. Ennek a problémának a kezelésére a mérnökök először a kereszttartók távolságának módosításával kezdik, mivel ez a tervezési módosítás segít megszüntetni a rendezett légáramlás-mintákat, és csökkenti a nyomáskülönbségeket, mielőtt azok elterjednének az egész toronyszerkezeten.

Örvényelválasztás, aerodinamikai árnyékolás és dinamikus erősítési hatások

Amikor a szél áramlik a toronyelemek mellett, olyan jelenség keletkezik, amelyet örvényelválasztásnak neveznek, és amely a szerkezetekre ható, előre-hátra irányuló felhajtóerőt és közegellenállási erőt eredményezi. Néha ezek az erők egybeesnek a szerkezet természetes rezgési frekvenciájával, ami problémákat okozhat. A szél előtt elhelyezkedő tárgyak – például a közelben lévő más toronyelemek vagy akár a terepformák is – azt az aerodinamikai árnyékot vetítik, amelyet a mérnökök így neveznek. Ezek az árnyékok zavarják a normál szélmintákat, és valójában növelik a turbulenciát egyes helyeken. Mindezek együttes hatása jelentősen fokozhatja a szerkezeti válaszreakciót. Terepvizsgálatok kimutatták, hogy amikor ez bekövetkezik, a vizsgálatok szerint – az ASCE kézikönyv 74 (2010) által hivatkozott tanulmányok alapján – a szerkezeti anyagokra ható feszültség körülbelül 40%-kal növekedhet. A ferde szögben érkező szél még hangsúlyosabbá teszi ezeket az árnyékhatsásokat. Ezért szükséges, hogy a mérnökök csillapító rendszereket – például spirális kifutópályákat (helikális strakes) a tartóoszlopok köré tekerve, vagy azokat a hangolt tömegcsillapítókat (tuned mass dampers), amelyeket a magas épületeken láthatunk – telepítsenek. Ezek segítenek megszüntetni az örvénymintákat, mielőtt azok kifognának a kontroll alól, és károkat okoznának ebben a láncreakciós hatásban.

Kritikus meghibásodási módok és szerkezeti gyengeségek erős széljárások idején

Csomópontok kifordulása és szerkezeti elemek instabilitása: Tanulságok a Mangkhut ciklonból (2018)

A Mangkhut-tájfun 200 km/h-s szélsebessége felfedte a rácsos tornyok csatlakozásának súlyos gyengeségeit, ami láncszerű összeomlásokhoz vezetett a kínai Guangdong tartomány elektromos hálózatában. A csavarozott csatlakozásokra középponton kívül ható szélterhelés fokozatosan kihajlást okozott a szögelt szerkezeti elemekben, különösen észrevehetően a kereszttartók illesztési pontjain, ahol a hajlítási feszültségek és nyomóerők egyaránt túllépték a csatlakozások teherbírását. A károk utólagos elemzése során kiderült, hogy a Mangkhut tájfun idején bekövetkezett toronyösszeomlások körülbelül háromnegyede ezeknek a csatlakozási problémáknak volt köszönhető, amelyek károkat okoztak több mint 1,2 milliárd dollár értékben – ezt Chen és munkatársai 2022-ben megjelent tanulmánya igazolta. Az eltérés a hagyományos alkatrész-hibáktól abban rejlik, hogy a csatlakozási hiányosságok gyorsan terjedtek az egész rácsos szerkezeten keresztül. Ezért az újabb ipari szabványok – például az IEC 61400-24 (2019) – most már kötelezővé teszik, hogy a mérnökök nemlineáris dinamikai elemzéseket végezzenek a tájfunok által gyakran érintett területeken használatos csatlakozások tervezésekor.

Fáradás okozta leromlás vs. statikus összeomlás: Miért kell fejlődnie a modern toronyértékelésnek

A legtöbb hagyományos módszer a statikus összeomlási határokra összpontosít, miközben figyelmen kívül hagyja a szélismétlődés által okozott fokozatos fáradási károsodást. A legújabb tanulmányok szerint a szélhez kapcsolódó meghibásodások körülbelül 60 százaléka valójában apró repedések terjedéséből ered a feszültségkoncentrációs pontokon, nem pedig hirtelen túlterhelési eseményekből, ahogy azt az EPRI 2023-as Éves Rugalmassági Jelentése említi. A probléma a partvidékeken még súlyosabbá válik, mivel a tengervíz okozta korrózió együttműködik a folyamatos feszültségciklusokkal, és majdnem felére csökkenti az anyagoknak ezen erők elviselésére való képességét. Ennek a megértésnek köszönhetően számos vezető energiaszolgáltató cég már nemcsak a szilárdság ellenőrzésére korlátozódó értékelési módszereket alkalmaz, hanem károsodás-toleráns értékelési megközelítéseket is bevezet. A régi vizsgálati technikákat olyan fejlett fáziselt tömbös ultrahangos vizsgálati módszerekkel váltják fel, amelyek a felület alatt rejtőző hibákat észlelik, mielőtt a repedések olyan méretűvé nőnének, hogy figyelmen kívül lehessen őket hagyni.

Bizonyított tervezési stratégiák a torony szélállóságának javítására

Aerodinamikai finomítások: kereszttartó geometriai optimalizálása és felületcsökkentési technikák

Amikor a mérnökök finomhangolják a kereszttartók alakját, csökkenthetik a szél által érintett homlokfelület méretét, és megakadályozhatják a zavaró örvények kialakulását. A számok is alátámasztják ezt: az elliptikus alakzatok – a 2023-as NREL-kutatás szerint – ténylegesen 15–20 százalékkal csökkentik a forgó levegő okozta rezgéseket a hagyományos, dobozszerű tervekhez képest. Egy másik módszer a szélnek kitett teljes felület csökkentése, amelyet úgy érnek el, hogy ott, ahol lehetséges, eltávolítanak néhány szerkezeti elemet, illetve lyukakat fúrnak olyan részekbe, amelyek nem viselnek terhet. Ezek a módosítások 10–14 százalékkal csökkentik a légellenállást, miközben a szerkezet erőssége és stabilitása változatlan marad. Számítógépes modellek – úgynevezett CFD-szimulációk – ellenőrzik, hogy mindezen javítások megfelelően működnek-e akkor is, ha a szél különböző irányokból érkezik: 0 foktól (teljesen szemből) egészen 180 fokig (teljesen szemből). Az ötven méternél magasabb, ciklonveszélyes területeken álló tornyok esetében nagy jelentőségű, hogy a tömör anyag aránya 0,3 alatt maradjon, amit úgy érnek el, hogy a szerkezeti elemeket távolabb helyezik el egymástól. Ez jelentősen csökkenti a kívánatlan rezgéseket, különösen a kaotikus időjárási körülmények között, amikor a szél egyszerre több irányból is fúj.

Szerkezeti megerősítés: merevítő elemek frissítése, csatlakozási pontok merevítése és csillapítás integrálása

Amikor a szerkezeteket meghibásodások ellen erősítik, a mérnökök a problémás területekre összpontosítanak háromszög alakú merevítő rendszerekkel, amelyek segítenek eloszlatni a szél által oldalról kifejtett erőket. A ferde merevítő elemek feljavítása kb. 25–30 százalékkal növelheti a szerkezet oldalirányú merevségét. A K-alakú merevítés különösen hatékony a nyomott elemek kifordulásának megakadályozásában erős széllökések esetén, amint azt az IEC 61400-24 (2019-es kiadás) szabvány is előírja. A csatlakozások merevítése például saroklemezek hozzáadását, a nagy szilárdságú csavarok felszerelés előtti meghúzását és az alaplemezek megerősítését foglalja magában. Ez a megközelítés csökkenti a forgási problémákat, és kb. negyven százalékkal csökkenti a fáradás okozta repedések keletkezésének valószínűségét. További védelmet nyújt a szél által kiváltott rezgésekre a kiegészítő csillapítási módszerek alkalmazása, például hangolt tömegcsillapítók vagy viszkózus folyadékkal töltött berendezések, amelyek a zavaró, szél által kiváltott rezgések során kb. tizenöt–huszonöt százaléknyi kinetikus energiát nyelnek el. Ezen különböző megoldások együttesen úgy tolják el a szerkezetek esetleges összeomlásának határát, hogy az már 55 méter/másodperc feletti szélsebességnél következik be. Teljes méretű tesztek megerősítették e hatékonyságot szimulált ciklonfeltételek mellett, így a mérnökök bizalommal tervezhetnek.

GYIK

Mi az örvényelválasztás?

Az örvényelválasztás akkor következik be, amikor a szél áthalad egy szerkezet felett, és ennek eredményeként váltakozó alacsony nyomású zónák jönnek létre, amelyek hátra–előre irányú mozgást idéznek elő, és emiatt felhajtóerőt és közegellenállási erőt fejtenek ki a szerkezetre.

Hogyan befolyásolhatja az aerodinamikai árnyékolás egy távvezetéki tornyot?

Az aerodinamikai árnyékolás megbontja a normál szélmintákat, fokozza a turbulenciát, és növeli a torony szerkezetére ható terhelést, különösen akadályok – például más tornyok vagy terepjellemzők – mögötti területeken.

Milyen tervezési stratégiák javíthatják a távvezetéki tornyok szélállóságát?

A tervezési stratégiák közé tartozik a kereszttartó geometriájának optimalizálása, a felület csökkentésére irányuló technikák, merevítő elemek hozzáadása, csatlakozások merevítése, valamint csillapítóelemek integrálása a szélterhelések elosztására és a szerkezeti gyengeségek megelőzésére.