3. Инерционные нагрузки, связанные с вращением вк

1. Гироскопический момент, действующий со стороны ВК на гондолу. В данном примере примем со_г - 0. Тогда из (2.17) получим

^у, гир ~ 0*

2. Центробежная нагрузка, вызванная дисбалансом масс ВК (см. рис.2.6). Ее нормативное значение подсчитаем по формуле (2.20). Массу ВК определим по данным для ВК рассматриваемого типа. В нашем случае примем т_ВК - 2600 кг.

Определим эксцентриситет центра масс ВК (см. подразд. 2.1.1), полагая

его максимально возможным [3]:

<? = 0.25% D = 0.0025 • 18 = 0.045 м.

При угловой частоте вращения ВК со_вк~ 10.5 рад/с по формуле (2.20)

Р“ = 2600- 0.045 -10.5²- 13.15 кН.

Соответствующее расчетное значение этой силы получим умножением на коэффициент надежности по нагрузке у г — 1.4:

РР = 1.4-13.15 = 18.4 кН.

Ее проекции на оси z_p и у_р зависят от положения центра масс при вращении ВК (2.21). Для расчета башни и фундамента на прочность и устойчивость необходимо выбрать наихудший из возможных вариантов (см. рис.2.6);

1. при*У_ж/-0 И<У_М?=180°

рР_м= О, рР_ц = ± 18.4 кН;

2. при o)_BKt = 90° и = 270°

^=±18.4кН, />4,= 0;

3. при — 45° и <n_BKt ^ 225°

Ру^рц= ^=±13.1 кН

и т. д. Здесь положительный знак соответствует первому значению угла ,

отрицательный-второму.

В зависимости от выбранного варианта при переносе нагрузки в точку О (см. рис. 2.2) получим различные моменты относительно осей у и г с плечом

l_BK, которое для конкретного типа ВЭУ определяется расположением масс

оборудования, размещаемого в гондоле (см. рис. 1.2). Для рассматриваемой ВЭУ 1_ВК- 1.8 м.

Тогда, например, в первом варианте положения центра масс при переносе силы Р£_ч в точку О получим момент = ± 18.4 * 1.8 = ±33.1 кН - м.

При лом знак “плюс” момента соответствует силе Р£ц, направленной в отрицательном направлении оси z, и наоборот.

Во втором варианте получим момент А// - ± 18.4 • 1.8 = ± 33.1 кН*м. В этом случае знак “плюс” момента будет соответствовать силе =18.4 кН,

направленной в положительном направлении оси у, и наоборот.

В третьем варианте при положительных направлениях сил получим

• 23.6 кН*м, — 23.6 кН- м.

Эти варианты усилий также занесены в табл. 3.1.

4. Другие нагрузки на гондолу вэу

На гондолу, кроме указанных нагрузок от ВК, будет действовать собственный вес ВК, который учтем в собственном весе гондолы.

Собственный вес гондолы с ВК. Определим его по формулам, аналогичным (2 .1) и (2.2). Примем массу гондолы с ВК для ВЭУ-150 равной

т_г = 5000 кг .

Тогда (приближенно считаем 9.81 Па = 10 Па)

Р"_г= 50 кН, /£= 1.05-50 = 52.5 кН

Центр тяжести гондолы должен быть определен при детальном проектировании механизмов, размещаемых в гондоле (см. рис.1.2), и элементов ее конструкции. Эта работа выполняется в КБ машиностроительного типа, проектирующем гондолу. Обычно для проектирования башни и фундамента положение равнодействующей силы веса гондолы по отношению к оси башни

известно. В наших расчетах принято, что он равен нулю. Поэтому момент Му _г

от собственного веса гондолы с учетом ВК (см. табл.3.1) также равен нулю.

Снеговая нагрузка на гондолу. Подсчитаем ее в соответствии с указаниями разд. 5 СНиП [1], полагая, что рассматриваемая ВЭУ находится в третьем снеговом районе (см. карту-приложение к СНиП [1]).

Нормативное значение снегового давления определим по формуле (5) СНиП [ 1 ], где ~ ! 00 кгс/м² и д - I. Полагая* что площадь проекции гондолы на горизонтальную плоскость равна 1.5 '4=6 м , найдем нормативное значение полной снеговой нагрузки на гондолу:

Р“ =100 * 1 -6 ■- 600 кгс^б кН.

Jm j Си Г%

Расчетное значение этой силы получим умножением на коэффициент надежности у г — 1.4 :

= 1.4 -6 = 8.4 кН.

Суммируя эту нагрузку с расчетным собственным весом гондолы, получим

Р/ = 52.5 +8.4 = 60.9 кН.

Эксцентриситет этой силы по отношению к оси башни в нашем примере будем также считать равным пулю.

Ветровая нагрузка на торец гондолы будет подсчитана в разд. 3.6. Расчетные значения всех составляющих на1рузок на гондолу для расчетного варианта А1 приведены к точке О (см. рис. 2.2 и рис. 2.7) и представлены в табл.3.1.

5. Нагрузки на башню

Подсчет нагрузок на башню выполняется с учетом ее конструкции. Рассмотрим вариант, когда башня имеет вид стальной трубы, состоящей из трех секций (см. рис.2.7). Верхнее сечение трубы, расположенное по высоте на метр ниже втулки ВК, имеет диаметр срединной поверхности 1.2 м, нижнее - 3 м {tgP-P~ 0.03). В первом приближении считаем, что толщина трубы /=10 мм.

Для расчета башни все нагрузки на гондолу, приведенные к точке О (см рис. 2.2), надо привести к центру тяжести верхнего сечения башни (см. точку O_t на рис. 2.7).

Башня состоит из секций, поэтому действующие на гондолу нагрузки приводятся и к центрам тяжести сечений, где с помощью болтов стыкуются секции башни, и к центру тяжести нижнего сечения, где башня с помощью анкерных болтов крепится к фундаменту ( см. рис. 2.7).

Расчетные значения сосредоточенных усилий во всех указанных сечениях приведены (табл.3.2) только для расчетного варианта А1. В

составляющих Р/ для указанных сечений учтен и собственный вес секций

башни, подсчитанный ниже.

Собственный вес секций башни. Определим нормативные значения сил тяжести каждой секции башни отдельно, принимая удельный вес стали

равным 78.50 кН/ м . Тогда при объеме 2-й секции, равном 2тг1^ /₍, где R—

средний радиус секции, Г, - толщина стенки трубы секции, /,■ - длина секции, получим:

сила тяжести верхней секции (R₃ = 0.75 м)

■

Р₂^Н_>6з = 78.50 -(2 ■ 3.14 • 0.75- 0.01)- 9 = 33.275 кН;

сила тяжести средней секции (R₂ ~ 1.05 м)

Р₂^н_б2 = 78.50 *(2 *3.14 *1.05 • 0.01)-10 = 51.765 кН;

сила тяжести нижней секции (R] = 1.35 м)

Р“_б1= 78.50 *(2 *3.14* 1.35- 0.01) • 10 = 66.55 кН.

Полная сила тяжести башни

P_Z^H₆ = (33.275+51.765+66.55) = 151.6 кН.

Соответствующие расчетные значения получим умножением на коэффициент надежности по нагрузке, равный для сил тяжести 1.05:

Р^р_б3= 34.94 кН, Р^р_б2 = 54.35 кН, Р₂^р_б1 = 69.88 кИ.

Расчетное значение суммарной силы тяжести башни

Р^р₆ = 159.2 кН

Ветровая нагрузка, действующая непосредственно на башню, в табл.3.2 не учтена . Она подсчитана в следующем разделе.

З.б. Ветровая нагрузка на башню

Расчетный вариант А1 (“Рабочий режим”). Ветровую нагрузку на башню определим в соответствии с требованиями действующих СНиП [1].

Для ветрового района 1 ,а , где будет расположена ВЭУ, по табл. 5 СНиП [ 1 ] находим нормативное значение ветрового давления w₀ на высоте z = Юм:

w₀ ~ 0.17 кПа.

В табл.3.3 приведены вычисления нормативных значений статической составляющей ветрового давления w_m -w₀k с для высоты z соответственно

30, 20, 10 и < 5 м. Коэффициент к взят из табл.6 СНиП [1]. Для определения аэродинамического коэффициента с для башни в виде цилиндра использована методика, приведенная в приложении 4 к СНиП [1] для схемы 14, где ^{с =} с_х ~ кс_х,гс *

Коэффициент к находим из табл. 1 схемы 13 по значению Л_е,

определяемому по Л — I / Ь.

При заданных параметрах ВЭУ : / = 30 ж, b = D_cp = 2.1 м, Л= 30/2.1 ~ 14.3

Л_е~2Л- 28.6, к = 0.81.

Величина с_{х а0} определяется по графику для схемы 14 по числу Рейнольдса

Re/ 10⁵ =0.S&D_Cp^jw_o к(1₅)уj

и по отношению А / D_cp. Поскольку D_c„= 2.1 м, w₀ ~ 170 Па, у/= 1.4, к{30) =

=1.375 (табл.6 СНиП [1]), получим

/ 10⁵ - 33.4*

При Re / 10⁵ = 33.4 и А / D_cp- 0.001/2.1 = 4.76-10 ⁴ по графику для

схемы 14 находим г ^ = 0.7 и _с ⁼ 0.81 - 0.7 = 0.57.

В столбце 5 (см. табл. 3.3) приведены нормативные значения удельных по длине трубы статических составляющих ветровой нагрузки

где D(z) - диаметр трубы на высоте z.

В столбце 6 приведены соответствующие значения расчетной ветровой нагрузки (с учетом пульсационной составляющей), подсчитанные по формуле

q^p(z) = q^c(z) -(\ + к_э)у_/у (3.2)

которая аналогична (2.14) после подстановки в нее (2.12) и у *= 1.4.

Определение величины к_э для расчетного варианта А1 было рассмотрено

при определении ветровой нагрузки на ВК. Различие того расчета с данным состоит в том, что при определении величины е (для нахождения динамического коэффициента ) там использовалось значение w₀~ 122.5 Па, соответствующее расчетной ( по мощности ) скорости ветра У_р= 14 м/с.

При расчете ветровой нагрузки на башню по СНиП [1] величину w₀ находим по табл.5 СНиП [1] для данного ветрового района (в данном случае 170 Па). Тогда получим е = 0.0089.

Коэффициент динамичности £ (см. рис.2 СНиП [1]), в связи с полученным незначительным изменением £, также изменится незначительно.

Как и при расчете нагрузки на ВК, принимаем * 1.4. При этом по-прежнему будем иметь к_э= 0.75 и ( 1 + к_э )*1.Ф= 2.45. Тогда

q^p(z) = 2A5q^c(z). (3.3)

Эпюра расчетного ветрового давления на башню показана на рис. 3.1. Там же показаны равнодействующие ветрового давления на участках башни от 0 до 5 м, от 5 до 10 м, от 10 до 20 м, от 20 до 29 м и равнодействующая ветровой нагрузки на площадь 8_г проекции торца гондолы на вертикальную

плоскость (приближенно принято: 1.5 -1.5 = 2.25 м ). Значения равнодей­

ствующих расчетного ветрового давления, равные соответствующим площадям эпюры, приведены далее в табл.3.5.

Расчетный вариант А2 (“Буря”). Ветровая нагрузка рассчитывается при максимальной для заданного района скорости ветра V_6yp = 60 м/с, которой соответствует нормативное значение статической составляющей ветрового давления на уровне z— 10 м

w₀ - 0.625*60² = 2.25 кПа.

Нормативные значения статической составляющей ветрового давления w_m для z, соответствующие высотам 30, 20, 10 и < 5 м и вычисленные по формуле (6) СНиП [1], приведены в табл.3.4.

Таблица 3.4

Z, м	к, местность А	w0k, кПа	wm> кПа	qc(z)y кПа (для А2)	qp(z), кПа (для А2)
1	2	3	4	5	6
<5	0.75	1.6875	0.9620	2.741	3.84
10	1	2.25	1.2925	3.078	4.31
20	1.25	2.8125	1.6031	2.886	4.04
30	1.375	3.0937	1.7634	2.116	2.96

Для определения аэродинамического коэффициента с - с_х использована

та же методика, что и при расчетной скорости ветра (см. схему 14 в приложении 4 к СНиП [1] ). Поскольку w₀ = 2.25 кПа для варианта А2 больше w0=122,5 Па для варианта А1 , то Re! 10 > 32 ( см. график для с_х>о0 схемы 14) и

значения с_х<х)- 0.7 и с_х= 0.57 останутся без изменения.

В столбцах 5 и 6 табл.3.4 соответственно приведены нормативные значения удельных по длине башни величин (3.1) и расчетных величин (3.2) при к_э= 0 (пульсационные составляющие не учитываются) и у г —1.4. Эпюра

расчетного ветрового давления и положение равнодействующих будут такими же, как в расчетном варианте А1 (см. рис.3.1). Значения равнодействующих для варианта А2 приведены в той же табл., что и для варианта А1 (см. табл. 3.5).

Расчетный вариант АЗ ( “Сейсм” ). Здесь ветровое давление на башню для ветрового района 1,а рассчитывается без учета динамической (пульсационной) составляющей.

Нормативное значение ветрового давления w₀ для ветрового района 1 ,а будет таким же«как в эксплуатационном случае А1. Поэтому (см. схему 14 в приложении 4 к СНиП [1] ) остаются без изменения аэродинамический коэффициент с=с*=0.57, нормативные значения статической составляющей ветровой нагрузки w_m для различных высот z и нормативные значения удельных статических составляющих ветровой нагрузки q (z) (см. табл. 3.3).

Изменится только столбец 6 табл.3.3. Вместо него будем иметь столбец 7, в котором расчетные значения ветровой нагрузки получены по формуле

<f(z) = l A q (z), (3.4)

а не по формуле (3.3), которая учитывает и пульсационную составляющую ветровой нагрузки.

Эпюра ветрового давления для расчетного варианта АЗ будет иметь тот же вид, что и в предыдущих вариантах (см. рис. 3.1). Значения равнодействующих также приведены в табл..3.5.