ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Бусько Максим Володимирович

УДК: 620.91:621.311+624.97.042

УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКТИВНОЇ
ФОРМИ МЕТАЛЕВИХ ҐРАТЧАСТИХ
БАШТ ВІТРОАГРЕГАТІВ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Горохов Євген Васильович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, ректор, завідувач кафедри металевих конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кулябко Володимир Васильович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Микитаренко Михайло Олексійович, ВАТ “Український проектний і науково-дослідний інститут
“УкрНДІпроектстальконструкція” ім. В.М. Шимановського”, провідний науковий співробітник відділу науково-технічного розвитку.

Провідна установа: Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, кафедра конструкцій з металу, дерева і пластмас, Міністерство освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “ 15 ” грудня 2005 р. о 10:00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “ 14 ” листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Зайченко М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі Україна, як і європейські країни, США, Індія, Канада, Японія тощо, вирішує проблеми енергетичного та екологічного характеру через розвиток нетрадиційних джерел одержання енергії, зокрема вітроенергетики. Відповідно до прийнятої урядом комплексної програми будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) розпочато будівництво Донузлавської, Новоазовської, Мирновської та інших ВЕС. При цьому передбачається подальший розвиток галузі з виходом кількості електроенергії, що генерується вітростанціями, на рівень 20...35від загального об’єму, що виробляється в країні.

У сучасній вітчизняній нормативно-технічній літературі не знайшли належного відображення питання, пов'язані з проектуванням ВЕС, розміщенням вітроагрегатів на місцевості, проектуванням несучих конструкцій башт (особливості прийняття конструктивних рішень, співвідношення генеральних розмірів, характер роботи, опис діючих навантажень, їх розрахункові сполучення), а також з їх обслуговуванням. Підходи, що викладені в іноземній літературі, не завжди прийнятні для умов нашої країни і багато в чому недосконалі. Специфічною особливістю експлуатації вітроелектричних установок (ВЕУ) є те, що при підвищенні продуктивності вітроагрегату збільшуються навантаження на башту. З урахуванням того, що на ній розташовується коштовне електрогенеруюче устаткування, до несучої баштової конструкції висуваються підвищені вимоги щодо забезпечення надійності та довговічності.

Таким чином, вирішення задач, пов'язаних із проектуванням башт вітроагрегатів з необхідним рівнем надійності, економічності та забезпечення надійності в період експлуатації є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до державної “Комплексної програми будівництва ВЕС в Україні” (затверджена Постановою Кабінету Міністрів України № від 03.02.1997 р.) і протокольним рішенням робочої зустрічі з представниками науково-технічної громадськості президента НАН України Б.Є. Патона від 23.05.2001 р. про підвищення ефективності Новоазовської вітроелектростан-ції, а також у рамках держбюджетної кафедральної теми К-2-10-01 “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, економіко-математичне моделювання режиму експлуатації будівель і споруд” (№ U002843).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення конструктивної форми ґратчастих башт вітроелектроустановок з урахуванням їх динамічного поводження та забезпечення експлуатаційної надійності, що спрямоване на підвищення продуктивності вітроагрегатів.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

- зроблена оцінка умов експлуатації ВЕУ для визначення чинників, що впливають на виробіток електроенергії в залежності від структури вітрового потоку;

- розроблена методика визначення раціональної висоти розташування вітроагрегату з метою одержання максимального виробітку за термін експлуатації об'єкта і скорочення періоду його окупності;

- вивчено динамічне поводження металевих ґратчастих башт ВЕУ різної конструктивної форми і виявлені основні залежності зміни динамічних параметрів системи на різних етапах її експлуатації;

- проведені експериментальні дослідження зі стабілізації баштових конструкцій за допомогою демпферних опор і визначені способи підвищення рівня їх віброзахисту;

- розроблені рекомендації з підвищення продуктивності Новоазовської ВЕС та організації робіт з технічного обслуговування опор ВЕУ.

Об'єкт дослідження сталеві чотиригранні болтові ґратчасті башти вітрових електричних машин великої та середньої потужності з горизонтальною віссю обертання.

Предмет дослідження конструктивні рішення та експлуатаційні особливості об'єкта дослідження, їх вплив на динамічні характеристики несучої конструкції башти ВЕУ.

Методи досліджень. Статистичні методи обробки випадкових даних; методи чисельного моделювання на основі методу скінчених елементів; експериментальні методи дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів.

Короткий зміст наукових положень і результатів, що отримані автором, полягає в наступному:

- встановлена величина впливу рельєфу місцевості, а також взаємного затінення вітроагрегатів на зміну їхньої продуктивності і рівень надійності несучої конструкції башти;

- при визначенні раціональної висоти башти ВЕУ запропоновано одночасно враховувати зміну вартості баштової конструкції і зміну виробітку вітроагрегату;

- встановлені закономірності зміни частоти власних коливань башти вітроустановки в залежності від її конструктивних особливостей;

- вперше обґрунтована періодичність обтягування болтів у вузлах башти ВЕУ на підставі отриманих залежностей “зовнішній вплив - розболчуваність”.

- вперше експериментально доведена ефективність застосування демпферних опор з похилим розташуванням елементів армування при установці їх у рівні бази баштових конструкцій.

Практичне значення отриманих результатів. Застосування розробленої автором програми Wind .0 для обробки файлів, що генеруються системою керування вітроелектростанцією, в яких міститься статистична інформація щодо параметрів вітрового потоку і результатів роботи вітроагрегатів, дозволяє підвищити якість, ефективність і оперативність обробки зазначеної інформації з метою її аналізу та подальшого прогнозування роботи ВЕУ, а також прогнозування інтенсивності навантажень на башту.

За допомогою розробленої методики аналізу і прогнозування роботи вітроелектростанції були визначені й економічно обґрунтовані способи підвищення продуктивності Новоазовської ВЕС, впровадження яких дозволило збільшити продуктивність агрегатів приблизно в 2 рази.

За розробленою методикою зроблений аналіз реального динамічного поводження запроектованої башти ВЕУ висотою 36 м, який дозволив виявити її слабкі місця – локальні резонанси елементів гратки. З використанням цієї методики проектування башти з заданими динамічними параметрами були визначені способи ліквідації виявлених недоліків і запроектована нова удосконалена конструктивна форма башти вітроагрегату.

Розроблена конструкція пружної опори і запропонований тип її армування, новизна й оригінальність яких заявлена патентом України № .

Отримані результати дозволили розробити рекомендації з організації та порядку проведення робіт з технічного обслуговування опор вітроагрегатів, застосування яких на Новоазовській ВЕС підвищило рівень експлуатаційної надійності ВЕУ.

Особистий внесок здобувача. Наведені в роботі результати досліджень отримані автором самостійно. Особистий внесок автора полягає:– 

у безпосередній участі у проведенні натурних і лабораторних випробувань і досліджень; 

у розробці всіх методик і виконанні чисельних експериментів, які наведені у дисертації;– 

у розробці програми Wind .0 для обробки файлів, що генеруються системою керування вітроелектростанцією;– 

в аналізі і статистичній обробці інформації, що отримана при випробуваннях, чисельних дослідженнях, а також інформації, яка міститься у файлах, що генеруються системою керування вітроелектростанцією;– 

у систематизації і науковому аналізі отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи і матеріали досліджень доповідалися й обговорювалися на: X Міжнародній науково-технічній конференції “Metal Structures Gdansk 2001” (Польща, Гданьск, 2001 р.); Науково-практичній конференції “Донбас 2020: Наука і техніка – виробництву” (Україна, Донецьк, 2002 р.); 2-nd International Conference “Problems of the technical meteorology” (Ukraine, Lviv, 2002); 10-th International Workshop on Atmospheric Icing of the Structures (Czech Republic, Brno, 2002); Науково-практичній конференції “Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будинків, споруд і інженерних мереж” (Україна, Донецьк, 2003 р.); IV Міжнародній конференції “Нетрадиційна енергетика в XXI столітті” (Україна, Гурзуф, 2003 р.); ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Вібрація машин: вимір, зниження, захист” (Україна, Донецьк, 2005 р.); Третій Міжнародній науково-практичній конференції “Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні” (Україна, Львів, 2005 р.); IV Міжнародній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Використання нових матеріалів, конструкцій, технологій при вирішенні екологічних проблем природовикористання й охорони навколишнього середовища” (Україна, Макіївка, 2005 р.).

У повному обсязі закінчена дисертаційна робота доповідалася на розширеному засіданні кафедри металевих конструкцій Донбаської національної академії будівництва і архітектури (червень 2005 р.).

Публікації. За темою роботи опубліковано 19 друкованих праць, що відбивають її основний зміст, у тому числі: розділ монографії, патент України та 17 статей у збірниках наукових робіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 5 розділів, основні результати і висновки, список використаних джерел (233 найменування), 4 додатки. Дисертація викладена на 217 сторінках, у тому числі 148 сторінок основного тексту, 23 сторінки списку використаних джерел, 18 повних сторінок з малюнками і таблицями, 28 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні результати, що отримані автором, показані їх наукова новизна, практичне значення і реалізація.

У розділі 1 аналізуються стан питання і наукові досягнення в галузі вивчення реальної роботи, експлуатаційної надійності і довговічності баштових споруд, зокрема опор ВЕУ, повітряних ліній електропередачі і радіорелейного зв'язку, що обумовлено схожістю конструктивної форми і характером реакції на вітрові впливи. Зроблено огляд науково-технічної і нормативної літератури за трьома напрямками досліджень: особливості проектування й експлуатації вітроелектростанцій; принципи розрахунку і проектування металевих опор ВЕУ; шляхи забезпечення надійності, довговічності й економічності баштових ґратчастих конструкцій.

Загальні підходи до проектування вітроелектростанцій викладені у вітчизняних нормативних документах в галузі вітроенергетики, а також у роботах Перельмутера А.В.,
Микитаренка М.О., Frank H.P. та ін. Питанням прогнозування виробітку і прийняття висоти розташування вітроагрегату присвячені роботи Васька П.П., Бриля А.А., Пекура П.П., Борисова Р.І., Mann J. та ін., однак рекомендації щодо розміщення вітроагрегатів на місцевості здебільшого спираються на загальноприйняті підходи, тобто при їх планово-висотному розташуванні не враховуються орографічні особливості рельєфу, взаємний вплив ВЕУ, подорожчання конструкції башти при збільшенні висоти розташування вітроагрегату.

Вивченню навантажувальних режимів башти ВЕУ присвячені роботи Некрасова Ю.П.,
Van Hulle, Enevoldsen P. та ін. Визначення розрахункових навантажень та їх можливих сполучень викладено в роботах Перельмутера А.В., Микитаренка М.О., а також у закордонних нормативних документах Germanisher Lloyd, стандарті Данії DS 472 та ін., де вказується на необхідність перевірки запроектованої конструкції башти на можливість виникнення резонансних явищ. Загальноприйнятий підхід до динамічного розрахунку баштових споруд (Коренев Б.Г., Клаф Г.,
Пензиен Дж., Бернштейн А.С., Нікітін Н.В., Ажермачьов Г.А. та ін.) полягає в представленні конструкції у вигляді консольного стержня постійної або ступінчасто-перемінної жорсткості. У роботах Городецького А.С., Перельмутера А.В., Сливкера В.І., Лантух-Лященка А.І. вказується на можливість застосування таких програмних продуктів як “Міраж”, “Lira”, “SCAD” для вирішення задач динаміки, які більш детально представляють споруду, що проектується, та дозволяють вивчити як коливання основної системи, так і форми власних коливань, що відповідають найбільшим амплітудам вібрації на окремих елементах.

На дослідження конструктивної форми споруд з урахуванням їх надійності та економічності спрямовані роботи В.В. Бірюльова, А.В. Геммерлінга, В.М. Гордєєва, Є.В. Горохова, М.М. Жербіна, Є.В. Шевченка, В.О. Пермякова, М.П. Кондри та ін., в яких вирішуються задачі оптимізації за масою, об’ємом, вартістю конструкції “в ділі”, геометричною схемою просторових стержневих систем тощо. Між тим, вивчення впливу різних конструктивних параметрів башти (її габаритних розмірів, схеми гратки), а також ситуацій, які виникають під час експлуатації (наприклад, розболчуваність вузлів баштової конструкції), на її динамічне поводження не проводилося.

Проблемам забезпечення надійності і довговічності будівельних конструкцій споруд присвячені роботи Є.В. Горохова, А.В. Перельмутера, А.І. Кікіна, В.П. Корольова, В.Є. Грінберга, А.Г. Соколова та ін. Різні способи стабілізації баштових конструкцій при дії динамічних навантажень і впливів розглянуті в роботах Казакевича М.І., Коренєва Б.Г., Кулябка В.В., Закори О.Л., Ruscheweuh H., BachmannWenkта ін. Деякі прийоми або конкретні результати наукових досягнень, за умови проведення додаткових досліджень, можуть бути застосовані і для конструкцій башт ВЕУ.

За результатами огляду літератури і проведеного аналізу сформульовані мета та задачі досліджень.

У розділі 2 для виявлення чинників, що впливають на продуктивність вітроагрегату, рівень експлуатаційної надійності несучої конструкції башти, а також для вивчення особливостей формування вітрових течій у межах вітрового поля був зроблений аналіз вітростанції, що експлуатується, - Новоазовської ВЕС. Її відмінною рисою є велика встановлена потужність (134 ВЕУ у складі одного вітрополя), що надає можливість оцінити взаємний вплив агрегатів, а також значна площа і розташування на пагорбкуватих ділянках, що дозволяє вивчити вплив рельєфу місцевості.

Відповідно до розробленої методики аналізувалися файли, що генеруються системою керування вітростанцією, в яких міститься метеорологічна інформація та дані щодо роботи кожної вітротурбіни за добу з 10-хвилинним інтервалом осереднення. Для обробки значного масиву даних була розроблена програма Wind 2.0, яка, відповідно до заданих критеріїв відбору, дозволяє швидко здобути необхідну інформацію з існуючої бази даних, з можливістю збереження її в необхідному для користувача форматі.

За результатами зробленого аналізу встановлено, що на вітрову ситуацію в межах вітрополя впливають топографічні особливості місцевості, а також взаємне затінення вітроагрегатів. Це, у свою чергу, впливає на робочий режим ВЕУ, і, як наслідок, на рівень експлуатаційної надійності всієї споруди. Так, наприклад, для умов Новоазовської ВЕС за рахунок впливу рельєфу виробіток вітроелектричних установок змінюється на 6...9а втрати через взаємне затінення сягають 20...23Урахування зазначених чинників дозволило вдосконалити існуючі методики прогнозування роботи як окремого вітроагрегату, що входить до складу вітростанції, так і ВЕС у цілому. Застосування розроблених методик особливо актуально для умов нашої країни. Вони дозволяють врахувати взаємний вплив ВЕУ на відкритих причорноморських ділянках Криму, а також переважаючий вплив рельєфу місцевості в умовах Прикарпаття.

Одним з основних шляхів підвищення продуктивності вітроагрегату є збільшення висотної позначки його розташування. Для визначення раціональної висоти несучої башти була розроблена методика, суть якої полягає у спільному аналізі витрат на реалізацію проекту (рис. ), його експлуатацію й одержання прибутку, що безпосередньо залежить від кількості виробленої електроенергії. За раціональну приймається висота башти, яка призведе до мінімізації періоду окупності об’єкту, або дозволить отримати максимальний виробіток вітроагрегату при незначному збільшені періоду окупності. Розмір витрат може бути визначений з достатнім ступенем імовірності, тому що вони безпосередньо залежать від висоти башти. Кількість виробленої електроенергії буде залежати від висоти розташування вітроагрегату, а також від випадкових кліматичних чинників, точності їх урахування при проектуванні. Це може бути досягнуто використанням розробленої методики визначення прогнозованого виробітку. У результаті з'являється можливість диференційно призначати висоту башт ВЕУ або їх окремих груп з урахуванням кліматичних особливостей ділянки будівництва, мікрорельєфу місцевості та існуючих перешкод повітряним потокам.

Застосування розроблених методик дозволило визначити основні шляхи підвищення продуктивності Новоазовської ВЕС. Визначено раціональну висоту розташування вітроагрегатів типу USW 56-100, яка дорівнює 35...40 м. Подальше збільшення висоти не призведе до істотного зростання кількості виробленої електроенергії, але пов’язано з обов’язковим зростанням витрат на виготовлення, експлуатацію башти та вітроагрегату.

У робочому режимі вітроагрегат є джерелом досить сильних вібрацій, що впливають як на саму машину, так і на несучу башту. Основна увага експлуатуючих організацій спрямована на підтримку рівня надійності роботи вітротурбіни, тоді як належної уваги баштовій конструкції не приділяється. Однак надійність башти визначає надійність споруди в цілому. Її руйнування призведе до значних економічних втрат.

У розділі 3 для перевірки башти ВЕУ раціональної висоти (було прийнято значення 36 м) на можливість виникнення резонансних явищ при експлуатації був виконаний чисельний і експериментальний аналіз її динамічного поводження.

Для чисельного вирішення задач динаміки використовувався універсальний обчислювальний комплекс SCAD, в основу роботи якого покладено метод скінчених елементів. Спочатку, для оцінки ступеня впливу способу представлення вітроагрегату в розрахунковій схемі на зміну частотного поводження споруди були виконані розрахунки, в яких вітроагрегат моделювався трьома різними способами: як додаткова точечна маса в рівні оголовка башти (рис.  а), як маса, розподілена по консолі (рис.  б), як маса, розподілена по консолі з урахуванням розподіленої маси від лопатєй (рис.  в). Для урахування можливого повороту вітроенергетичної машини в процесі роботи її розташування на башті варіювалося і було прийнято 00 і 450.

Ряд форм власних коливань башти ВЕУ відповідає найбільшим амплітудам вібрації на окремих конструктивних елементах (гратках, лопатях), тому аналізувалися три перші форми власних коливань основної схеми (рис. 3), які розглядалися окремо вздовж осей Х та Y.

Рис. 2. Розрахункові схеми башти ВЕУ при

різних варіантах представлення вітроагрегату | Рис. 3. Форми власних

коливань башти ВЕУ

За результатами розрахунків були зроблені висновки, що зміна положення вітроагрегату на башті, яка викликана його розворотом відносно вертикальної осі, істотно не впливає на частоту власних коливань споруди, змінюючи її не більше, ніж на 1%. Представлення вітроагрегату в розрахунковій схемі як маси, розподіленої по консолі, та з урахуванням розподіленої маси лопатєй не призведе до істотної зміни частот власних коливань у порівнянні з варіантом його завдання у вигляді додаткової маси у вузлі. Зміни не перевищать 5%, тоді як зросте трудомісткість побудови розрахункової схеми й аналізу форм власних коливань. У результаті було прийнято рішення при подальших дослідженнях задавати вітроагрегат як додаткову точечну масу на рівні оголовка башти.

Для урахування особливостей, що виникають у процесі експлуатації баштової конструкції, зокрема послаблення болтових з'єднань (розболчуваність), був зроблений аналіз зміни її частотних характеристик при жорсткій і шарнірній умовах примикання елементів гратки до поясів. Одночасно виконувалася оцінка ступеня впливу фундаменту і підґрунтя на зміну частоти власних коливань споруди.

За результатами було визначено, що зміну жорсткості вузлів примикання розкосів до поясів варто враховувати при аналізі коливань за третьою формою. В інших випадках частота власних коливань буде змінюватися не більше ніж на 3%. Урахування спільної роботи башти ВЕУ з фундаментом і підґрунтям змінює (зменшує) значення частот власних коливань споруди в порівнянні з жорсткою умовою її закріплення в фундаменті на величину до 6при коливаннях за першою формою; до 18- за другою; і до 1– за третьою, що вимагає свого відображення при чисельному вивченні динамічного поводження конструкції.

Теоретичні значення частот власних коливань башти ВЕУ склали f1=1,51 Гц; f2=7,39 Гц; f3=14,35 Гц. З урахуванням значень частот змушених коливань (основна частота, обумовлена числом обертів ротора в одиницю часу f *=1,2 Гц, і додаткова, обумовлена числом проходження лопатєй біля башти f **=3,6 Гц) був зроблений висновок, що запроектована конструкція буде задовольняти вимогам щодо неприпустимості виникнення резонансних явищ у процесі її експлуатації.

З метою вивчення дійсного поводження конструкції башти, а також для корегування і розробки обґрунтованих методів розрахунку подібних споруд, було виконано її експериментальне дослідження.

У процесі натурного експерименту реєструвалися як зовнішні впливи (швидкість і напрямок вітрового потоку), так і реакція самої споруди (напруження в елементах конструкції, віброшвидкість) за допомогою універсальної системи моніторингу будівельних конструкцій “УСМК-1” (рис. ). Прийнята частота опитування первинних перетворювачів 64 Гц. Поводження башти досліджувалося при різних експлуатаційних режимах (старт, робота, зупинка і резерв вітроагрегату).

З використанням ряду практичних критеріїв, зокрема критеріїв серій і тренда, з отриманих реалізацій для подальшого аналізу були відібрані ті з них, що задовольняють умовам стаціонарності.

Для оцінки ступеня впливу коливань башти на точність результатів роботи анеморумбометру були проаналізовані графіки автокреляційних функцій і енергетичних спектрів зміни його сигналів, за результатами чого зроблений висновок про несуттєвий вплив зовнішніх факторів.

Для визначення частоти власних коливань башти виконувався спектральний аналіз сигналів за допомогою швидкого перетворення Фур'є (рис. ). Відмінністю енергетичних спектрів, що відповідають різним експлуатаційним режимам ВЕУ, є наявність спектральних максимумів на частотах 1,21 Гц і 3,64 Гц у режимі генерування електроенергії, що обумовлено роботою вітроагрегату.

Рис. 5. Енергетичні спектри напруження у поясах приопорної зони башти
для режиму резерву (а) і робочого (б) режиму вітроагрегату

Відмінності між значеннями частот власних коливань башти, визначеними чисельним і експериментальним шляхом, склали 15% для першої форми коливання; 5% - для другої; до 1% - для третьої.

Взаємний кореляційний аналіз сигналів зміни вітрового напору і рівня напруження в поясах башти дозволив визначити основні динамічні параметри споруди і побудувати його амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) (рис. 6 а).

Під час проведення експериментальних досліджень були виявлені резонансні явища в опорних розкосах у режимі роботи вітроагрегату. Використання методу тензометрії і методу “ручного” резонансу дозволило вивчити їх динамічне поводження. У результаті були визначені частота їх власних коливань та інші динамічні параметри, побудована АЧХ (рис.  б).

Рис. 6. АЧХ коливань башти ВЕУ (а) і опорного розкосу (б)

- коефіцієнт внутрішнього тертя, - логарифмічний декремент коливань,
– коефіцієнт динамічності, f - частота змушених і f0 – власних коливань

Проведені дослідження підтвердили правильність прийнятого підходу до визначення частоти власних коливань споруди на етапі проектування, а також виявили необхідність перевірки башти на виникнення резонансних явищ в елементах гратки.

Для визначення способів ліквідації несприятливих явищ в конструкції, що досліджується, а також розробки методики обґрунтованого призначення конструктивних параметрів башти ВЕУ на етапі проектування у розділі 4 було вивчено вплив основних габаритних розмірів башти (висоти L і ширини в основі B) і схеми її гратки на частоту власних коливань, а також запропоновані конструктивні заходи щодо стабілізації баштових конструкцій при дії динамічних навантажень і впливів.

Для прийнятої схеми 4 гратки (рис. 7) за базову при В  4 м і схеми 6 - при В >  м був зроблений розрахунок ряду башт для вітроагрегату USW 56-100 з різним значенням висоти і ширини в основі, а також визначені частотні параметри різних схем гратки (рис. ).

Рис. 7. Основні схеми гратки баштових конструкцій

Отримані результати показали, що при розширенні бази відбувається не тільки перерозподіл навантаження з поясів на розкоси, але й збільшується жорсткість конструкції, що у свою чергу, призводить до збільшення частоти власних коливань системи (рис.  а). Аналіз поводження елементів гратки (рис.  б) дозволив відзначити значний вплив схеми і ширини В на частоту їх коливань, причому істотну роль відіграє встановлення діафрагм (лінії 6Б, 7Б на рис. 8 б).

Однак, зміна базового варіанту гратки буде призводити до зміни маси і жорсткості башти, що в результаті вплине на частоту власних коливань споруди в цілому. Для урахування цього чинника були визначені поправочні коефіцієнти.

Рис. 8. Вплив габаритних розмірів башти (а) і схеми гратки (б)
на частоту їх власних коливань

Для стабілізації баштових конструкцій був запропонований новий тип демпферної опори (рис. ), що складається з основи 2 і опорної плити 1, що мають металеві елементи у формі зрізаних конусів 4, 3, між котрими розміщуються гумові елементи 5. Замість конусного може використовуватися армування у вигляді зрізаної піраміди. Встановлення демпферних опор можливе між вітроагрегатом і оголовком башти, а також на рівні бази. Експериментальне дослідження ефективності її застосування проводилося на моделі стійки, до бази якої вводилися гумові і гумовоармовані прокладки з різними марками гуми і типами армування. Варіювались типи прокладки і кути її встановлення в базі.

Зроблені дослідження дозволили довести ефективність застосування демпферної опори в рівні бази (коефіцієнт загасання коливань збільшується до 70а також установити найбільш ефективний кут її армування (20…250). Експериментально доведено, що застосування даного способу демпфування коливань одночасно призводить до зміни частоти власних коливань споруди на 10...15Це є досить ефективним способом, який дозволяє знизити рівень вібраційних впливів на фундамент і одночасно виконати частотну настройку башти ВЕУ.

З використанням результатів досліджень була розроблена методика проектування башт ВЕУ, зокрема, призначення габаритних розмірів, схеми гратки, типу демпферної опори, що забезпечать необхідну частоту коливань запроектованої споруди і її конструктивних елементів за умов мінімізації маси і забезпечення необхідного виробітку вітроагрегату.

Використання запропонованої методики дозволило визначити способи ліквідації резонансних явищ в опорних розкосах запроектованої башти вітроагрегату USW 56-100, що було досягнуто за рахунок постановки шпренгелів і діафрагм. Подібне рішення призведе до зміни частоти власних коливань башти не більше, ніж на 8%, а частота коливань розкосів збільшиться в 1,5 рази, що є прийнятним результатом. Для згаданого типу вітроагрегату також була запроектована нова удосконалена башта висотою 36 м зі схемою гратки більшої жорсткості.

З плином часу рівень надійність будь-якої конструкції під дією кліматичних, технологічних та інших чинників знижується. На певному етапі може виявитися, що її подальша безпечна експлуатація неможлива, у результаті чого виникає необхідність у проведенні планових чи аварійних ремонтно-відбудовчих заходів. У розділі 5 обґрунтовані і сформульовані підходи до підвищення експлуатаційної надійності і довговічності опор вітроенергетичних установок. Даний тип конструкцій є досить новим для нашої країни. Вказана мета була досягнута за рахунок аналізу існуючих підходів, які застосовуються при експлуатації інших баштових і ґратчастих конструкцій, та їх адаптації з урахуванням особливостей експлуатації до класу споруд, що досліджуються.

До складу робіт з підтримки справного технічного стану башти ВЕУ і фундаменту входить контроль їх поточного технічного стану (візуальний огляд і технічна діагностика), а також ремонтно-відбудовчі заходи. Найбільш відповідальними вузлами баштової конструкції є оголовок, башмак, стик секцій по висоті, вузли кріплення башти до фундаменту і вітроагрегату до башти.

При технічній діагностиці основним заходом, що найбільш комплексно відображає стан системи “фундамент – башта – ВЕУ”, є аналіз динамічного поводження споруди, тому що зміна положення фундаменту чи самої башти, розболчуваність, розтріскування зварних швів безпосередньо позначаться на динамічному поводженні конструкції в цілому.

Для оцінки швидкості розвитку розболчуваності і її впливу на зміну поводження споруди було виконано експериментальне дослідження в натурних умовах, що полягало в контролі параметрів башти (частоти її власних коливань і величини відхилення оголовку в робочому режимі від положення спокою) з деякою періодичністю. Експеримент виконувався в умовах Новоазовської ВЕС на баштах висотою 18 м. Досліджувалися конструкції, в яких з початку експлуатації обтягування болтів у вузлах не виконувалася зовсім, або було виконано один, два, три і чотири рази.

За отриманими результатами (рис. ) було виявлено, що зниження ступеня затягування болтів у вузлах призводить до зміни динамічного поводження споруди: частота власних коливань зменшується до 5відбувається розвиток нелінійних коливань, а коефіцієнт загасання коливань збільшується в  ,5 рази за рахунок роботи сил сухого тертя у вузлах конструкції. Однак, у даному вигляді демпфування коливань споруди є неприпустимим, тому що воно відбувається одночасно зі збільшенням амплітуди переміщення оголовка башти. Також негативним моментом розболчуваності є збільшення розрахункової довжини поясу, що може призвести до втрати його стійкості.

Рис. 10. Зміна частоти власних коливань башти після другого
обтягування болтів у вузлах (а) і її коефіцієнта загасання (б)

З урахуванням обмеженості величини відхилення оголовка башти значенням, яке гранично припускається нормами, була визначена тривалість до першої (1), другої (2) і всіх наступних (n) обтягувань болтів у вузлах башти (табл. 1).

Таблиця 1

Абсолютні показники періодичності обтягування болтів башти ВЕУ

Показник
періодичності | Тривалість перебування в робочому режимі, годин | Для умов Новоазовської ВЕС

Кількість виробленої електроенергії, кВт | Відсоток від номінального річного виробітку, % | Тривалість,
місяців

1 | 850 | 52000 | 5,52 | 7,4

2 | 1060 | 67000 | 7,11 | 9,5

n | 1610 | 103600 | 11,00 | 14,7

Час перебування вітроагрегатів у режимі генерування електроенергії розподіляється за значеннями по вітрополю нерівномірно, а отже нерівномірно будуть розвиватися розболчуваність і виникати ушкодження від утомленості. Тому був запропонований підхід до визначення груп вітроагрегатів з різною періодичністю обслуговування, який базується на використанні елементів геоінформаційних систем.

Для об'єктивної оцінки поточного технічного стану опори ВЕУ і своєчасного прийняття рішення щодо її експлуатаційної придатності розроблено “Паспорт технічного стану”, який містить у собі інформацію про результати контролю технічного стану об'єкта, а також про виконання ремонтно-відбудовчих робіт.

З метою попередження аварійної ситуації, що може виникнути при експлуатації ВЕУ (наприклад, поява екстремальних поривів вітру, значна величина ожеледних відкладень на лопатях, що призводить до їхнього дисбалансу тощо), а також своєчасного реагування на її виникнення (наприклад, при обриві лопаті) розроблена принципова схема системи безпеки башти ВЕУ. В основу роботи цієї схеми покладений принцип застосування інтелектуальної інтегрованої системи моніторингу динамічного поводження конструкції (рис. ). При постійному відслідкуванні зміни будь-якого динамічного параметру, що є свого роду індикатором поточного технічного стану опори, з'являється можливість швидко відреагувати (відключити ВЕУ) при небезпечному його сполученні з конкретним зовнішнім впливом .

Рис. 11. Логічна схема системи безпеки опори ВЕУ

Застосування запропонованих методик дозволить організувати проведення робіт, які спрямовані на підтримку необхідного рівня експлуатаційної надійності опори вітроелектричної установки, визначитися з порядком і періодичністю їх виконання, а також вчасно реагувати на виникнення аварійних ситуацій у процесі експлуатації опори ВЕУ.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі проведених досліджень виявлений вплив рельєфу місцевості і взаємного затінення вітроагрегатів на формування вітрових течій у межах вітрополя і, як результат, на виробіток електроенергії і ресурс несучих конструкцій башт, що підтверджено результатами аналізу роботи Новоазовської ВЕС.

2. Використання розробленої методики визначення раціональної висоти башти вітроелектроустановки дозволило одержати висоту розміщення вітроагрегату типу USW 56-100, яка для умов Новоазовської ВЕС склала 36 м. Прийняття даного рішення призвело до підвищення продуктивності вітроагрегату в  ,0 рази, що також дозволить скоротити період окупності ВЕУ в  ,5 рази.

3. Проведені чисельні й експериментальні дослідження динамічного поводження башти вітроелектричної установки дозволили визначити характеристики конструкції і розробити методику врахування впливу її конструктивної форми й особливостей експлуатації на динамічні параметри при вирішенні задач подібного класу. Розбіжність результатів чисельних і натурних досліджень склала 15при коливаннях башти, що відповідають першій формі.

4. Експериментально доведена ефективність демпферної опори при установці її на рівні бази баштової конструкції, а також визначено найбільш ефективний кут її армування 20…250, що дозволяє збільшити коефіцієнт загасання коливань споруди до 70а частоту власних коливань змінити на 10...15

5. Розроблено методику удосконалення конструктивної форми башт вітроелектричних установок, використання якої дозволило створити раціональну конструкцію башти для вітроагрегату типу USW 56-100, яка задовольняє вимогам надійності та економічності.

Список опублікованих робіт здобувача по темі дисертації:

1. Горохов Е.В., Казакевич М.И., Назим Я.В., Турбин С.В., Бусько М.В. Гашение колебаний в зоне обреза фундаментов опор ВЛ. - В кн.: Ветровые и гололедные воздействия на воздушные линии электропередачи / Под ред. Е.В. Горохова. – Донецк, 2005. – С. 155 - 166.

2. Горохов Е.В., Турбин С.В., Бусько М.В., Жабский Ю.В. Анализ первых лет работы украинских ветроэлектрических станций // Журнал “Металеві конструкції”. Макіївка 2002 р. том 5, номер 1, 2002. - С. 89-96.

3. Ye.V. Horokhov, S.V. Turbin, Yu.P. Nekrasov, M.V. Busko, V.I. Lykov Prospects of Wind-Power Engineering Development in Ukraine// Proceedings of 2nd International Conference “Problems of the technical meteorology” 10-14 September 2002, Lviv, Ukraine. – Р. 25-30.

4. Горохов Е.В., Бакаев С.Н., Турбин С.В., Бусько М.В., Ягмур А.А., Лыков В.И. ГИС-технологии при анализе и прогнозировании работы ветровой электрической станции // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2002. № 2002-2). С. .

5. Горохов Е.В., Бусько М.В., Турбин С.В., Бакаев С.Н., Жабский Ю.В. Управление динамическим поведением несущих конструкций башен ветроэнергетических установок // Вестник
ДонГАСА. Макеевка. 2003. № 2003-2). т. . - С. .

6. Горохов Е.В., Турбин С.В., Бусько М.В. Определение оптимальной высоты башни ВЭУ // Сб. науч. трудов “Современные строительные конструкции из металла и древесины”. Одесса: ОГАСА. 2003. С. 70-77.

7. Горохов Е.В., Бакаев С.Н., Турбин С.В., Бусько М.В., Гримуд Г.И. Учет влияния НДС элементов электросетевых конструкций на скорость коррозии защитного цинкового покрытия // Материалы научн.-практ. конф. “Защита от коррозии и мониторинг остаточного ресурса промышленных зданий, сооружений и инженерных сетей”. Донецк: УАМК, 2003. -
С. 222-228.

8. Горохов Е.В., Турбин С.В., Бусько М.В., Жабский Ю.В. Методика определения оптимальной высоты башни ВЭУ // Материалы IV Международной конференции. – АР Крым, Гурзуф. 2003. С. 137-141.

9. Горохов Е.В., Бусько М.В., Турбин С.В. Методика прогнозирования выработки ветростанции на примере Новоазовской ВЭС // Матеріали третьої Міжнародної наук.-практ. конф. “Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні”. – Львів: ЛвЦНТЕІ. 2005. С. 178-183.

10. Бусько М.В. Гашение колебаний башенной конструкции ВЭУ при помощи резиноармированных опорных частей // Материалы III-й международной научн.-техн. конф. Научн.-техн. и производственный журнал “Вибрация машин: измерение, снижение, защита”. – Донецк: ДонНТУ. – 2005. – вып. 1. – С. .

11. Горохов Е.В., Бусько М.В., Турбин С.В. Динамический анализ башни ВЭУ USW 56-100 высотой 36 метров // Сб. науч. трудов “Современные строительные конструкции из металла и древесины”. Одесса: ОГАСА. 2005. – часть 1. С. 40-49.

12. Горохов Е.В., Бусько М.В., Турбин С.В., Бакаев С.Н., Митраков В.А. Использование программного аппарата для анализа работы ветровых электрических станций // Вестник
ДонНАСА. Макеевка. 2005. № 2005-3 (51). – С. .

13. Горохов Е.В., Турбин С.В., Бакаев С.Н., Бусько М.В. Исследование ветрового потока над локальными неоднородностями рельефа местности // Вестник ДонГАСА. Макеевка.
2001 г. № 2001-4 (29). С. 18.

14. Горохов Е.В., Турбин С.В., Некрасов Ю.П., Бусько М.В., Жабский Ю.В. Исследования влияния микроклиматических особенностей местности на ветровую нагрузку // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 2003. № 2003-2 (39). т. 2. - С. .

15. Некрасов Ю.П., Бусько М.В., Дементьев Д.А. Сравнительный анализ результатов работы ультразвукового и термо- анемометров // Вестник ДонНАСА. Макеевка. 2005.
№ 2005-3 (51). – С. .

16. Пат. 7329 України, МПК: F  /00. Пружна опора / Горохов Є.В., Турбін С.В., Бусько М.В., Жабський Ю.В.; ДонНАБА (Україна). № ; Заяв. 29.11.2004; Опубл. 15.06.2005. Бюл. №6.

Праці, що додатково відбивають результати досліджень:

17. Горохов Е.В., Турбин С.В., Некрасов Ю.П., Бусько М.В. Перспективы развития ветроэнергетики в Донбассе // Научно-практическая конференция “Донбасс 2020: Наука и техника – производству”. Донецк. 5-6 февраля 2002 г. –С. 370-373 (СD-ROM).

18. Horokhov Ye.V., Turbin S.V., Bakayev S.N., Nekrasov Yu.P., Bus’koDamping Device for Power Transmission Lines // Proceedings of 10 International Workshop on Atmospheric Icing of the Structures. Czech Republic. Brno. 2002. – Session 9. № 4. – Р. 1-4.

19. Horokhov Ye.V., Bakayev S.N., Turbin S.V., Bus’ko M.V. The analysis of Power Transmission Lines Elements Failures Under Dynamic Loads // Proc. of Xth International Sc.-Tech. Conf. “Metal Structures Gdansk 2001” Gdansk (Poland). 2001. Vol. P. 39-46.

Особистий внесок автора в даних публікаціях:

У [, , ] участь у дослідженні умов і аналізі результатів експлуатації вітроелектростанції, у розробці рекомендацій щодо підвищення її продуктивності, у визначенні перспективних напрямків подальшого розвитку вітроенергетичної галузі; у [, , , , , ] безпосередня участь у розробці методик, чисельні дослідження, обробка отриманих результатів та їх аналіз; у [] розробка методів керування динамічним поводженням башти ВЕУ, постановка задач подальших досліджень; у [, , ] розробка методик, чисельні дослідження й безпосередня участь у проведенні експериментальних досліджень динамічного поводження конструкцій, обробка отриманих результатів та їх аналіз; у [] розробка алгоритму програми, участь у її написанні; у [] розробка пружної опори; у [, , , , ,] участь в експериментальних дослідженнях і обробці результатів.

АНОТАЦіЯ

Бусько М.В. Удосконалення конструктивної форми металевих гратчастих башт вітроагрегатів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню особливостей конструктивних рішень башт ВЕУ та умов їхньої експлуатації й охоплює питання, пов’язані з вивченням динамічної поведінки конструкції, засобів її стабілізації, визначенням раціональної висоти розташування вітроагрегату, а також з розробкою методики експлуатації зазначених споруд. Виконані чисельні та експериментальні дослідження дозволили встановити необхідність резонансної перевірки як конструкції в цілому, так і окремо її гратчастих елементів. Запропонована методика прийняття основних конструктивних рішень башт ВЕУ, використання якої дозволить запроектувати конструкцію з необхідною динамічною поведінкою при урахуванні умов мінімізації маси та забезпечення виробітку електроенергії вітроагрегатом. Для забезпечення необхідного рівня експлуатаційної надійності опор вітроелектричних установок протягом всього терміну служби розроблено методики їх технічної діагностики та обслуговування, запропонована принципова схема системи безпеки башти ВЕУ.

Ключові слова: вітроенергетика, вітрова електрична установка, металева гратчаста башта, розрахунок і проектування, експлуатація, надійність.

АННОТАЦИЯ

Бусько М.В. Совершенствование конструктивной формы металлических решетчатых башен ветроагрегатов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2005.

Диссертация посвящена исследованию влияния конструктивной формы башни ветроэлектрической установки, особенностей, возникающих в процессе ее эксплуатации, на изменение динамического поведения сооружения, а также разработке подходов к обеспечению уровня ее эксплуатационной надежности.

Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы,