Ako zvýšiť odolnosť veží pre prenos elektrickej energie voči vetru?

Mechanizmy vetrového zaťaženia pôsobiace na veže prenosových vedení

Mechanizmy vetrového zaťaženia spôsobujú kritické napätia na vežiach prenosových vedení, čo vyžaduje presné pochopenie pre účinný návrh odolnosti voči vetru. Aerodynamické interakcie vytvárajú zložité vzory síl – najmä v otvorených mriežkových konštrukciách – kde sa turbulentný tok, oddeľovanie vírov a dynamické zosilnenie stretávajú a tak ohrozujú štrukturálnu celistvosť počas udalostí s vysokou rýchlosťou vetra.

Oddeľovanie turbulentného toku a tlaková nerovnováha okolo povrchov mriežkových veží

Keď sa vietor pohybuje okolo mriežkových veží, vznikajú oblasti turbulencie a nerovnomerného rozloženia tlaku na povrchu. Tieto rozdiely v tlaku spôsobujú významné sily odporu, ktoré vyvíjajú dodatočné zaťaženie na štrukturálne spojovacie body a tenké časti rámca, najmä vtedy, keď sa prúd vzduchu zachytí vo vnútornej štruktúre veže. Počas silných rázov sa často pozorujú rozdiely v tlaku presahujúce 30 % medzi protiľahlými stranami veže, čo zrýchľuje opotrebovanie týchto kľúčových spojovacích bodov. Výskum z aerodynamických tunelových testov to potvrdzuje a ukazuje, že takéto nerovnováhy tlaku sú v skutočnosti jednou z hlavných príčin opakujúcich sa cyklov napätia v mriežkových prenosových štruktúrach, ako uvádzajú výsledky publikované v časopise Journal of Wind Engineering v roku 2017. Na boj proti tomuto problému inžinieri začínajú úpravou vzdialenosti medzi prierezovými ramenami. Táto konštrukčná úprava pomáha rozrušiť usporiadané vzory prúdenia vzduchu a znížiť rozdiely v tlaku, kým sa nešíria po celom rámci veže.

Efekty oddeľovania vírov, aerodynamické stínanie a dynamické zosilňovanie

Keď sa vzduch pohybuje okolo prvkov veže, vzniká jav nazývaný oddeľovanie vírov, ktorý spôsobuje striedavé zdvihové a odporové sily pôsobiace na konštrukcie. Niekedy sa tieto sily zhodujú s prirodzenou vibráciou konštrukcie, čo môže spôsobiť problémy. Predmety nachádzajúce sa v smere prúdenia vetra, ako napríklad iné veže v blízkosti alebo dokonca terénne útvary, vytvárajú to, čo inžinieri označujú ako aerodynamické tieňovanie. Tieto tieňové oblasti narušujú normálne vzory vetra a v určitých miestach dokonca zhoršujú turbulenciu. Kombinácia všetkých týchto faktorov môže výrazne zvýšiť odpoveď konštrukcie na vonkajšie zaťaženie. Poľné testy ukázali, že v takýchto prípadoch sa podľa štúdií uvedených v manuáli ASCE 74 z roku 2010 napätia v materiáloch môžu zvýšiť približne o 40 %. Väčší uhol dopadu vetra ešte viac zvyšuje intenzitu týchto tieňových účinkov. Preto inžinieri musia namontovať tlmiace systémy, ako sú napríklad špirálové príchytky (helikálne straky) navinuté okolo tyčí alebo prispôsobené hmotnostné tlmiče, aké sa používajú na vysokých budovách. Tieto prvky pomáhajú rozrušiť vírové vzory, kým sa nezačnú nekontrolovane rozrastať a nepoškodia konštrukciu prostredníctvom tohto reťazového efektu.

Kritické režimy porúch a štrukturálne zraniteľnosti pri udalostiach s vysokou rýchlosťou vetra

Buknutie spojov a nestabilita prvkov: ponaučenie z tajfúnu Mangkhut (2018)

Veterné rýchlosti 200 km/h počas tajfúnu Mangkhut odhalili vážne slabiny v spôsobe, akým sa mriežkové veže pripájajú k sebe, čo vyvolalo reťazovú reakciu zrútení v celom elektrizačnom vedení provincie Guangdong. Väčšinou excentricky pôsobiace veterné sily na skrutkové spojenia spôsobili postupné vybočenie uhlových konštrukčných prvkov, najmä v miestach spojenia priechodových ramien, kde sa ohybové napätia a tlakové sily navzájom kombinovali a prekročili únosnosť spojov. Pri analýze následkov sa ukázalo, že približne tri štvrtiny všetkých zrútení veží počas tajfúnu Mangkhut boli spôsobené práve týmito problémami so spojmi, čo podľa výskumu Chen a kolegov publikovaného v roku 2022 viedlo k škodám presahujúcim 1,2 miliardy amerických dolárov. To, čo tento jav odlišuje od jednoduchej poruchy jednotlivých komponentov, je skutočnosť, že problémy so spojmi sa rýchlo šírili cez celú mriežkovú konštrukciu. Preto novšie odvetvové normy, ako napríklad IEC 61400-24 z roku 2019, teraz vyžadujú, aby inžinieri pri návrhu spojov pre oblasti často postihované tajfúnmi vykonávali nelineárne dynamické analýzy.

Degradácia spôsobená únavou vs. statický kolaps: Prečo sa hodnotenie moderných veží musí vyvíjať

Väčšina tradičných metód sa zameriava na limity statického kolapsu a zároveň vynecháva postupné poškodenie materiálu spôsobené únavou v dôsledku opakovaného pôsobenia vetra. Podľa nedávnych štúdií približne 60 percent porúch súvisiacich s vetrom v skutočnosti vzniká kvôli malým trhlinám, ktoré sa šíria v miestach koncentrácie napätia, a nie náhlym preťažovacím udalostiam, ako uvádza Ročná správa o odolnosti EPRI z roku 2023. Problém sa zhoršuje pozdĺž pobrežných oblastí, pretože korózia spôsobená morskou vodou pôsobí spoločne s nepretržitými cyklami zaťaženia a takmer o polovicu skracuje dobu, počas ktorej materiály dokážu týmto silám odolať. Vzhľadom na toto pochopenie mnohé vedúce energetické spoločnosti začali uplatňovať posudzovacie prístupy založené na odolnosti voči poškodeniu namiesto jednoduchého overovania pevnosti. Nahradili staré metódy kontrol pokročilým ultrazvukovým testovaním s fázovým poľom, ktoré odhaľuje skryté chyby pod povrchom ešte predtým, než sa trhlina rozrastie do takej veľkosti, že už nemožno ju ignorovať.

Overané návrhové stratégie na zvýšenie odolnosti veží voči vetru

Aerodynamické vylepšenia: optimalizácia geometrie priechodového ramena a techniky zníženia plochy

Keď inžinieri upravujú tvar priechodových ramien, môžu znížiť množstvo vetra, ktorý narazí na predný povrch, a zabrániť vzniku tých otravných vírov. Čísla to tiež potvrdzujú: eliptické tvary skutočne znížia vibrácie spôsobené víriacim vzduchom približne o 15 až 20 percent v porovnaní s tradičnými štvorcovými konštrukciami, čo vyplýva z výskumu NREL z roku 2023. Ďalšou technikou je zmenšenie celkovej plochy vystavenej pôsobeniu vetra. To zahŕňa odstránenie niektorých nosných prvkov tam, kde je to možné, a vŕtanie otvorov do častí, ktoré nemusia prenášať zaťaženie. Tieto úpravy znížia odpor približne o 10 až 14 percent, pričom zachovajú rovnakú pevnosť a stabilitu celej konštrukcie. Počítačové modely, tzv. CFD simulácie, overujú, či všetky tieto vylepšenia správne fungujú aj vtedy, keď vietor prichádza z rôznych uhlov – od 0 stupňov (priamo čelne) až po 180 stupňov (priamo proti). Pre veľmi vysoké veže nad päťdesiat metrov v oblastiach náchylných na tajfúny má veľký význam zabezpečenie, aby pomer pevného materiálu zostal pod hodnotou 0,3 rozmiestnením nosných prvkov ďalej od seba. To pomáha znížiť nežiaduce chvenie, najmä za chaotických počasnostných podmienok, keď vietor fúka súčasne z viacerých smerov.

Štrukturálna posilnenie: Vylepšenia závesov, zvýšenie tuhosti spojov a integrácia tlmiacich prvkov

Pri posilovaní konštrukcií proti poruchám sa inžinieri sústreďujú na problémové oblasti pomocou trojuholníkových záporových systémov, ktoré pomáhajú rozptýliť bočné veterné sily. Vylepšenie šikmých zápor môže zvýšiť bočnú tuhosť približne o 25 až dokonca o 30 percent. Usporiadanie zápor v tvare písmena K je obzvlášť účinné pri zamedzení vybočovania tlakových prvkov pri veľmi silných nárazoch vetra, čo potvrdzujú normy ako IEC 61400-24 z roku 2019. Zvýšenie tuhosti uzlov zahŕňa napríklad pridanie križových dosiek, predmontážne dotiahnutie týchto vysokopevnostných skrutiek a posilnenie základných dosiek. Tento prístup zníži problémy s otáčaním a zníži pravdepodobnosť vzniku trhlin spôsobených únavou približne o štyridsať percent. Na dodatočnú ochranu proti chveniu spôsobenému vetrom sa uplatňujú doplnkové tlmiace metódy. Medzi ne patria napríklad ladené hmotnostné tlmiče alebo zariadenia naplnené viskóznymi kvapalinami, ktoré počas tých otravných vibrácií spôsobených vetrom absorbuje približne 15 až 25 percent kinetickej energie. Spoločne tieto rôzne prístupy posúvajú bod, v ktorom by mohla dôjsť k zhoreniu konštrukcie, nad rýchlosť vetra 55 metrov za sekundu. Plnohodnotné skúšky potvrdili túto účinnosť za simulovaných podmienok tajfúnov, čo inžinierom poskytuje dôveru v ich návrhy.

Často kladené otázky

Čo je vírové oddeľovanie?

Vírové oddeľovanie vzniká, keď vietor prechádza cez konštrukciu, čo má za následok striedavé oblasti nízkeho tlaku, ktoré spôsobujú pohyb dopredu a dozadu a vedú k vzniku vztlakových a odporových síl pôsobiacich na konštrukciu.

Ako môže aerodynamické tieňovanie ovplyvniť elektrický vežový vedenie?

Aerodynamické tieňovanie narušuje normálne vzory vetra, zvyšuje turbulentnosť a zvyšuje namáhanie vežových konštrukcií, najmä v oblastiach za prekážkami, ako sú iné veže alebo prírodné terénne útvary.

Aké sú niektoré návrhové stratégie na zlepšenie odolnosti elektrických vežových vedení voči vetru?

Medzi návrhové stratégie patria optimalizácia geometrie priechodových ramien, metódy zníženia plochy, pridané posilnenia kotvenia, zosilnenie uzlov a integrácia tlmiacich prvkov, aby sa rozdelili sily pôsobiace od vetra a zabránilo sa štrukturálnym zraniteľnostiam.