Способ изготовления башни

 

Использование: для изготовления башен различного назначения, преимущественно для ветроэлектрических установок (ВЭУ). Цель - обеспечение изготовления башни в виде усеченной пирамиды, обладающей равномерными по направлениям приложения несимметричной нагрузки характеристиками прочности на изгиб и кручение. Сущность: в качестве заготовки выбирают цилиндрическую трубу (обечайку), радиус которой является ближайшим к значению, определяемому из соотношения, указанного в описании. На каждом торце трубы чередуют центральные углы, образованные дугой сегмента по нижнему основанию - торцу трубы ϕ_н по нижнему основанию с образованием элементов правильной трапециевидной формы, имеющих в поперечном сечении единый одинаковый с трубой радиус. В процессе соединения частей башни каждый трапециевидный элемент разворачивают выпуклостью к центру окружности, основанием с углом ϕ_н в сторону основания башни и равномерно вписывают точки номинального касания боковых сторон трапециевидных сегментов в описанные окружности, получаемые прямым поперечным сечением башни. Способ имеет высокую универсальность: сокращает время изготовления, уменьшает стоимость и металлоемкость башен. Обеспечивает запас по устойчивости и прочности при восприятии несимметричных ветровых нагрузок, возникающих от объектов неправильной формы, таких как ветроэнергетические установки, контактные сети, канатные дороги и т. д., а также сейсмических нагрузок от землетрясений. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к способам изготовления башен, преимущественно ветроэлектрических установок (ВЭУ), водонапорных, а также к самим башням такого типа, но может использоваться для объектов различного назначения, например для установки водяных резервуаров и других устройств типа мостовых ферм, контактных и канатных сетей.

Известен способ изготовления башни ветродвигателя, реализованный в устройстве [1] Способ включает в себя поэтапное раздельное изготовление силовых стоек (каркаса) и образующих стенки башни однотипных элементов в виде листов, которые соединяют со стойками (каркасом) и вписывают в поперечном сечении, выполняемом в виде правильного многоугольника, в окружность.

Такой способ изготовления имеет ряд недостатков: требует изготовления разнотипных частей отдельно силовых стоек (каркаса) и отдельно образующих стенки элементов в виде листов; трудоемок; не позволяет изготовить башню, равнопрочную по направлениям прихода нагрузок, в том числе изгибающих и крутящих, от ветра; не позволяет провести изготовление башни без потерь в виде части листов, остающихся после деления исходных листовых заготовок; требует длительных сроков прежде всего из-за необходимости подгонки листовых элементов под стойки (каркас), подрезки по месту, выравнивания, депланации листов при их ярусном расположении; затрудняет изготовление башни в виде усеченной пирамиды; сложен технологически и требует разнотипное оборудование и инструменты для изготовления разнотипных элементов, их установки и соединения; стоимость изготовления по такой технологии высока.

Известен способ изготовления резервуара водонапорной башни [2] включающий изготовление элементов, выполненных в виде частей цилиндрического резервуара, которые получают путем деления его диаметральными плоскостями, и состоящими каждая из соосно расположенных частей цилиндрических стенок обечаек (труб), образованных изогнутыми листами, и прикрепленных к ним листовых секторов днища и крыши резервуара. Готовые элементы раскладывают на месте сборки, стягивают до примыкания кромок и сваривают их между собой. Такой способ изготовления башни по выполняемой функции и достигаемому результату является ближайшим к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Прототип обладает следующими недостатками: не позволяет изготовить равнопрочную на изгиб с различных направлений и на кручение башню; не позволяет изготовить башню в виде усеченной пирамиды; недостаточно универсален; металлоемок, т. к. деление цилиндрического резервуара диаметральными плоскостями закладывает равные прочностные характеристики как для основания, так и для верхней части башни, в том числе по радиусу, толщине стенок и т.д.

имеет тенденцию к повышению удельной стоимости в отношении единицы объема башни при изготовлении башен высотой больше 10-15 метров, т.к. для высоких сооружений первостепенной становится устойчивость конструкции, в особенности при комбинированном нагружении: изгиб с кручением, что является характерным случаем для ВЭУ в режиме, например, штормовой ветер с неориентированным относительно ветра ветроколесом.

Цель изобретения обеспечение изготовления башни ВЭУ в виде усеченной пирамиды, обладающей равномерной по направлениям приложения нагрузок, характеристиками прочности на изгиб и кручение, повышение универсальности с позиций функционального назначения башни (эксплуатации, размещения оборудования), облегчения выбора исходных заготовок и материалов, улучшения условий транспортировки, а также уменьшение расхода металла, уменьшение удельной стоимости и времени изготовления.

На фиг. 1 показана цилиндрическая труба-заготовка, вид сбоку (а₁, а₂, б₁, б₂ линии разреза трубы на боковой поверхности); на фиг. 2 вид Б на фиг. 1 (I-IV образующиеся при разрезе трапециевидные сегменты); на фиг. 3 вид В на фиг. 1; на фиг. 4 вид А на фиг. 1; на фиг. 5 сечение Г-Г на фиг. 3; на фиг. 6 развертка трубы-заготовки (или разметка листа перед вальцеванием); на фиг. 7 схема разметки длинномерных сегментов в варианте изготовления башни из двух отсеков; на фиг. 8 башня, поперечное сечение (1 обечайка сегмент, 2 стыковочный фланец, 3 болтовые отверстия, 4 внутренний объем башни).

В качестве заготовки подбирают цилиндрическую трубу (обечайку), радиус которой является ближайшим к значению, определяемому из соотношения: R_ц.тр= sinβ/2· где R_ц.тр. номинальный радиус цилиндрической трубы; R_оп.н. максимальный радиус башни в нижнем сечении (описанной окружности); R_оп.в. максимальный радиус башни в верхнем сечении (описанной окружности); β центральный угол, соответствующий одной грани башни; β360^о/m, где m число граней (сегментов) башни.

Подобранную по радиусу и длине трубу-заготовку делят на четыре сегмента с центральными углами, определяемыми следующей зависимостью:
ϕ_н + ϕ_в=180^о, где ϕ_н центральный угол отделяемого сегмента трубы на одном ее торце, соответствующий стороне сегмента, идущей на образование нижнего основания башни ВЭУ;
ϕ_в центральный угол той же части трубы на другом торце, соответствующий стороне сегмента, идущей на образование верхнего основания башни ВЭУ.

Чередуют ϕ_н и ϕ_в в каждом торце трубы с образованием в проекции элементов правильной трапециевидной формы, имеющих в поперечном сечении единый одинаковый с трубой-заготовкой радиус гиба. В процессе соединения частей башни каждый трапециевидный элемент разворачивают своей выпуклостью к центру окружности, основанием с большим центральным углом ϕ_н в сторону нижнего основания башни ВЭУ, и равномерно вписывают точки номинального бокового касания каждой пары сегментов в окружность заданного радиуса башни R_оп.н. До начала изготовления назначают исходные параметры башни, которая должна быть выполнена с точки зрения экономики, устойчивости и прочности оптимально, т.е. в виде усеченного конуса (правильнее сказать пирамиды) с заданными конкретными радиусами в нижнем и верхнем сечениях, высотой ребер и толщиной стенок конуса.

Конструктивно существенными для башни ВЭУ являются следующие параметры: R_оп.в. радиус описанной окружности башни в верхней части (основании). Этот радиус характеризует прочность башни в месте стыка ее с гондолой и возможность прохода человека в гондолу ВЭУ, транспортирование небольших грузов. Объективно минимальное значение R_оп.в ограничено эргономическими требованиями, исходя из безопасного перемещения человека; R_оп.н радиус описанной окружности в нижнем основании башни ВЭУ. Он характеризует прочность и жесткость конструкции башни с позиции изгиба от ветровых нагрузок и землетрясения.

Затем в качестве заготовки подбирают цилиндрическую трубу или обечайку, радиус которой является ближайшим к значению, определяемому из соотношения:
R_ц.тр= sinβ/2· (1) где R_ц.тр. номинальный радиус цилиндрической трубы; R_оп.н максимальный радиус башни в нижнем сечении; R_оп.в максимальный радиус башни в верхнем сечении; (R_оп.н>R_оп.в);
β центральный угол, соответствующий одной грани башни;
β360/5, (4) где 5 число граней (сегментов) башни в одном коническом (или пирамидальном ярусе).

Подобранную по радиусу и длине трубу в торцовых сечениях делят на четыре сегмента. Вначале размечают трубу под центральными углами, определяемыми следующей зависимостью:
ϕ_н + ϕ_в=180^о, где ϕ_н центральный угол отделяемой части (сегмента) трубы в нижнем торце;
ϕ_в центральный угол той же части (сегмента) трубы в верхнем торце.

Вдоль всей трубы намечают линию, параллельную продольной оси трубы (фиг. 3, линия m-m). На одном торце трубы, например нижнем (левом на фиг. 1), откладывают в разные стороны симметрично относительно намеченной линии m-m по половине угла ϕ_н (фиг. 3 и 4), получая, например, точки а₄ и а₁. На противоположном торце, верхнем (правом на фиг. 1), также симметрично относительно этой линии m-m откладывают по половине угла ϕ_в. Далее на каждом торце чередуют углы ϕ_н и ϕ_в, и за счет разделения цилиндра трубы под этими углами образуют элементы правильной трапециевидной формы, имеющие в поперечном сечении единый одинаковый с трубой радиус гиба (кривизны).

При делении в зависимости от материала труб используют известные устройства для резки металла в виде газовых, плазменных или электрических резательных аппаратов, а также устройств, использующих для резки газожидкостную, жидкостную струю высокого, в несколько сот атмосфер давления, устройств для резки удлиненными кумулятивными зарядами и т.д. Делят (каждую практически без остатка) такое количество труб, чтобы получить количество элементов трапециевидной формы, кратное пяти, имеющих в поперечном сечении единый одинаковый у труб радиус гиба. Например, для изготовления четырех башен требуется пять труб, т.е. 20 элементов трапециевидной формы.

Для соединения частей башни по месту основания башни проводят окружность заданного радиуса, равного заданному радиусу описанной окружности R_оп.н в основании, например, нижнем, или радиусу описанной окружности R_оп.в в верхнем основании, используя для этого заданные величины конструктивных параметров R_вп.в и R_оп.н (с учетом соотношения (1):
R_оп.в= R_вп.в+R_ц.тр х (1-cos ϕ_в/2) (5) Имеется в виду уточненное значение радиуса описанной окружности верхней части башни после привязки к размерам стандартных труб-заготовок или исходное значение радиуса при изготовлении башни из вальцованных листов.

Каждый трапециевидный элемент разворачивают своей выпуклостью к центру окружности (башни), основанием с большим сегментом в сторону основания и равномерно вписывают точки номинального касания каждой пары больших оснований сегментов в окружность заданного радиуса R_оп.н в большем основании башни. В таком положении элементы фиксируют и соединяют, например сваривают вначале элементы между собой, а далее с частями крыши и основания (верхнего и нижнего фланцев). При дальнейшей сборке башни из сегментов используют распространенные технологические приемы. Например, два сегмента башни с подогнанными друг к другу боковыми кромками фиксируют в приспособлении, исключающем коробление при сварке, и сваривают по всей длине последовательно непрерывно (или прерывисто с последующей накладкой непрерывного шва в зависимости от толщины и марки материала). Далее выполняют аналогичные операции до замыкания сегментов и образования тем самым башни.

Настоящий способ изготовления башен, преимущественно для ветроэлектрических установок, позволяет из тел цилиндрической формы (труб, обечаек и т.п.) изготовлять башни новой формы, нового типа.

Объем внутреннего пространства для размещения аппаратуры: контрольного и электросилового оборудования и оператора характеризуется радиусом вписанной окружности в нижнем основании башни:
R_вп.н=R_оп.н-R_ц.тр (1-cos ϕ_н/2) (6)
Например, при R_оп.н= 1,3 м, R_оп.в=0,84 м, R_вп.н=0,88 м, что достаточно для размещения аппаратуры в 1-2 этажа и оператора.

Процесс изготовления позволяет практически исключить потери материала, присущие другим способам, в виде частей цилиндра или листов, остающихся после их деления на части, подгонки под номинал, подрезки по месту.

На фиг. 6 показана развертка трубы-заготовки, из которой видно, что весь материал заготовки идет в дело. На развертке видна прямая траектория реза.

На цилиндрической трубе траектория реза будет спиралевидной (винтовой). На практике труба размечается по шаблону: от осевой линии m-m можно откладывать как текущие по длине значения ϕ_н(l), ϕ_в(l) с построением спиральной траектории реза, или откладывать текущую величину длины l_д дуги, которая определяется как
l_д= R_ц.тр ˙ ϕ (l), где ϕ (l) текущее по длине значение угла ϕ_н(l) или ϕ_в(l), также с построением спиральной траектории реза (на фиг. 1, например, линии а₁б₁, а₂б₂ и др. выглядят прямыми ввиду малой спиралевидности).

Изготовление башни необходимо вести с учетом следующих особенностей: различной длины стандартных серийно производимых труб, используемых в качестве заготовок; требований транспортировки.

Первое требование предполагает изготовление башни из единой заготовки, которой может не быть, так как длина серийно производимой трубы не совпадает с длиной башни, второе возможно более короткие отсеки для удобства транспортировки, учитывая, что башни ВЭУ в большинстве монтируются в труднодоступных и удаленных местах. Например, для доставки ж/д транспортном длина отсеков башни ограничена ≈18 м, а для ВЭУ мощностью 50-150 кВт требуется башня высотой 20- 30 м, которую необходимо изготавливать из двух или более отсеков. В то же время стандартные трубы, поставляемые по ж/д имеют длину 12-18 м. В этом случае по заявляемому способу вначале изготавливают длинномерные трубные заготовки, например из двух труб длиной 12,5 и 16 м, получив необходимую общую длину 28,5 м. Затем размечают заготовку как рассмотрено выше, разрезают ее, образовав длинномерные трапециевидные в плане сегменты. После этого от узкой части сегментов отрезают участки длиной 12,5 м. В результате для отсека длиной 12,5 м используются узкие части сегментов, а для отсека длиной 16 м более широкие их части. В результате широкое нижнее основание меньшего (верхнего) отсека получается равным и геометрически подобным (эквидистантным) меньшему верхнему основанию нижнего отсека башни ВЭУ. Стык отсеков производится путем болтового соединения фланцев, которые приваривают на торцах отсеков.

Схема разрезки длинномерных сегментов для образования двух отсеков показана на фиг. 7. Образованные таким образом отсеки башни (два и более) позволяют выполнить башню ВЭУ из легко транспортируемых отсеков (ярусов) небольшой длины. Например, для ВЭУ мощностью 50-150 кВт достаточно двух отсеков длиной 12-18 м каждый, что вписывается в габарит ж/д транспортировки, а для автотранспортировки трех отсеков длиной 8-12 м каждый.

Технология способа экологически целесообразна необходимо провести всего 4 простых реза каждой трубы для получения обечаек для изготовления элементов башни.

Такой способ позволяет уменьшить трудоемкость изготовления башни. Он позволяет варьировать прочностными характеристиками труб башен, задавая их для каждого яруса (отсека) отдельно и подбирая, помимо радиуса трубы, ее толщину, материал, прочность, которые могут быть самыми разными у каждого яруса, соединяемого с последующим, имеющим ответную состыковываемую часть (вписанную и описанную окружности) достаточно близкого радиуса за счет известных средств, например, сварки, дополнительных силовых поясов и т.п.

Способ избавляет от тенденции к повышению удельной стоимости единицы объема башни. Более того, при повышении высоты башни, в том числе за 10-15-метровую отметку, он экономически и технически наиболее эффективен.

Способ имеет высокую универсальность. Он позволяет сократить время изготовления, уменьшить стоимость изготовления и металлоемкость башен. Обеспечивается запас по устойчивости конструкции башни и по прочности. Как известно, создание башни ВЭУ сопряжено с обеспечением восприятия больших ветровых нагрузок; а также сейсмических нагрузок от землетрясений, в том числе изгибающего момента при ориентированном относительно ветра ветроколесе и крутящего момента при неориентированном колесе. Поэтому создание простой и устойчивой конструкции башни ВЭУ, обладающей максимальной прочностью и технологичностью, актуально.

Грани башни, образуемой в виде объемной силовой конструкции, обладают не только высокой общей, но и высокой местной жесткостью, что обеспечивает безопасную эксплуатацию ВЭУ. Например, в европейских критериях безопасности в качестве расчетного случая (Швеция) задан удар в основание башни транспортным средством. Заявляемый способ позволяет создавать устойчивые конструкции, в том числе и к такому способу нагружения.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАШНИ, включающий образование ее элементов путем деления на части стенок трубчатых цилиндрических заготовок, соединения частей между собой, с частями крыши и основания башни, отличающийся тем, что в качестве заготовки выбирают цилиндрическую трубу радиусом, ближайшим к значению, определяемому из соотношения

где R_ц.тр - номинальный радиус цилиндрической трубы;
R_оп.н - максимальный наружный радиус башни в нижнем сечении;
R_оп.в - максимальный внешний радиус башни в верхнем сечении;
β - центральный угол, соответствующий одной грани башни
m - число граней башни,
причем элементы башни образуют делением трубы по радиусу и длине на четыре сегмента с углами, определяемыми зависимостью
ϕ_н+ϕ_в=180°,
где ϕ_н - центральный угол, образованный дугой сегмента, по нижнему основанию - торцу трубы;
ϕ_в - центральный угол, образованный дугой сегмента по верхнему основанию - торцу трубы,
при этом на каждом торце трубы углы ϕ_н и ϕ_в чередуют с образованием элементов правильной трапециевидной формы, имеющих в поперечном сечении единый одинаковый с трубой радиус, а в процессе соединения частей каждый трапециевидный элемент разворачивают своей выпуклостью к центру окружности основанием с углом ϕ_н в сторону основания башни и равномерно вписывают точку номинального касания боковых сторон трапециевидных сегментов в описанные окружности, получаемые поперечным сечением башни.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длинномерные заготовки изготавливают трубчатыми путем сварки встык двух или более труб, затем из них вырезают длинномерные сегменты, которые делят по длине на части, соответствующие длине отсеков башни, и сваривают из них отсеки, которые состыковывают между собой торцами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8