NÁVRH MOBILNÍ VĚŽE PRO SAVONIŮV VĚTRNÝ GENERÁTOR O MALÉM VÝKONU

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

NÁVRH MOBILNÍ VĚŽE PRO SAVONIŮV VĚTRNÝ GENERÁTOR O MALÉM VÝKONU DESIGN OF MOBILE TOWER FOR WIND GENERATOR WITH LOW POWER OUTPUT

DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS

AUTOR PRÁCE

MARTIN ZIMMERMAN

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2007

Ing. DANIEL KOUTNÝ

Abstrakt

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá konstrukčním návrhem mobilní věže pro větrnou elektrárnu s vertikální osou rotace. Věž je navržena pro maximální výšku 10m, ve které bude větrná elektrárna provozována. K tomuto předpokladu se váží rozměry věže i charakter modelu namáhání konstrukce užitý při návrhu. Diplomová práce je členěna do několika oblastí. V jednotlivých částech je detailněji rozpracována konstrukce věže včetně příslušenství, konstrukce přívěsu včetně příslušenství a osvětlení, rozbor a návrh ukotvení celého systému a v neposlední řadě ověření konstrukce za pomoci metody konečných prvků.

KLÍČOVÁ SLOVA alternativní zdroje energie, mobilní věž, metoda konečných prvků, Savoniova turbína

ABSTRACT This diploma thesis concerns with constructional design of mobile tower for wind power plant with vertical axis. Tower is designed for maximum height of 10 meters, which also will be operating height. Dimension of tower and disposition of stress in model construction correspond to this condition. Thesis is divided into several parts. In each part is particularly described tower construction including accessory, construction of trailer including accessory and lights, analysis and design of embedment of whole construction and last but not least verification of construction by the means of Finite Element Method.

KEY WORDS alternative power source, mobile tower, Finite Element Method, Savonius wind turbine

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ZIMMERMAN, M. Návrh mobilní věže pro Savoniův větrný generátor o malém výkonu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2006. 116 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Daniel Koutný.

strana

7

Abstrakt – zadní strana

strana

8

Čestné prohlášení

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně, za použití uvedené literatury a pod odborným vedením pana Ing. Daniela Koutného.

V Brně dne:

……………

………………………… Martin Zimmerman

strana

9

Čestné prohlášení – zadní strana

strana

10

Obsah

ÚVOD 15 1 VĚŽE SOUČASNÝCH VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN 16 1.1 Věže velkých větrných elektráren 16 1.2 Stožáry malých a středně velkých větrných elektráren 18 2 MOŽNOSTI UPEVNĚNÍ SAVONIOVA ROTORU 20 3 NÁVRH ŘEŠENÍ MOBILNÍ VĚŽE PRO SAVONIŮV ROTOR 21 3.1 Montovaný stožár z trubkových segmentů 21 3.1.1 Posouzení vhodnosti montovaného stožáru 22 3.2 Teleskopický hydraulický stožár 22 3.2.1 Jednočinné lineární hydraulické motory 22 3.2.2 Dvojčinné lineární hydraulické motory 23 3.2.3 Zhodnocení vhodnosti teleskopického hydraulického stožáru 23 3.3 Teleskopická příhradová věž 23 3.3.1 Vyhodnocení vhodnosti varianty 24 4 KONSTRUKCE MOBILNÍ VĚŽE 25 4.1 Části věže 25 4.1.1 Stupeň č. 1 25 4.1.2 Stupeň č. 2 27 4.1.3 Stupeň č. 3 28 4.2 Manipulace s věží 30 4.2.1 Vztyčení věže 30 4.2.2 Vysouvání stupňů věže 31 4.3 Závěr kapitoly 32 5 MATEMATICKÝ MODEL ZATÍŽENÍ V ULOŽENÍ VĚŽE A PODVOZKU 33 5.1 Výpočet délky ramene pro sílu v laně 33 5.2 Výpočet tažné síly v laně 34 5.2.1 Vyjádření složek síly v laně v osách x a y 35 5.3 Vyjádření reakčních sil v ložiscích v kloubovém uložení 36 5.4 Závěr kapitoly 36 6 KLOUBOVÉ ULOŽENÍ VĚŽE 38 6.1 Definování podmínek provozu ložiska 38 6.2 Valivá ložiska 38 6.2.1 Posouzení vhodnosti valivých ložisek 39 6.3 Kluzná ložiska 39 6.3.1 Samomazná kluzná ložiska 39 6.3.2 Posouzení vhodnosti kluzných ložisek 39 6.4 Navržení samomazného ložiska pro mobilní věž 40 6.4.1 Navržení konkrétního typu ložiska 40 6.4.2 Kontrola samomazného ložiska na otlačení 41 6.5 Navržení ložiskového tělesa 41 6.6 Závěr kapitoly 42 7 VÝPOČET NAMÁHÁNÍ VĚŽE VĚTREM 43 7.1 Rozlišení zastíněných a nezastíněných prvků 44 7.2 Síla vyvozená na nezastíněných prvcích věže 45 7.3 Síla vyvozená na zastíněných prvcích 46 7.4 Výsledná síla vyvozená větrem na mobilní věž 47 7.5 Zatížení věže ve směru úhlopříčky podstavy věže 47

strana

11

Obsah

7.6 Závěr kapitoly 48 7.6.1 Velikosti sil působících na segmenty 48 8 PŘÍVĚS 49 8.1 Konstrukce přívěsu 49 8.1.1 Části přívěsu 49 8.2 Úložné uzamykatelné prostory 51 8.3 Ochrana rámu přívěsu proti korozi 52 8.3.1 Žárové zinkování 52 8.3.2 Antikorozní nátěry 53 8.4 Náprava přívěsu 53 8.4.1 Vzhled a jednotlivé součásti nápravy 54 8.4.2 Systém tlumení a odpružení nápravy 54 8.4.3 Umístění nápravy na přívěsu 55 8.5 Osvětlení a elektroinstalace 55 8.6 Závěr kapitoly 56 9 ROZŠÍŘENÍ ZÁKLADNY MOBILNÍ VĚŽE 57 9.1 Přední vysouvací nohy 57 9.1.1 Zajištění předních otočných ramen 57 9.2 Zadní vysouvací nohy 58 9.2.1 Zajištění zadních výsuvných ramen 58 9.3 Závěr kapitoly 59 10 LANA POUŽITÁ NA KONSTRUKCI MOBILNÍ VĚŽE 60 10.1 Lano použité pro vztyčení věže 60 10.2 Lano použité pro vysouvání věže 60 10.3 Kotvicí lana 60 11 KOTVENÍ 61 11.1 Zatížení kotvení 61 11.2 Kotvení do měkkého podloží 62 11.3 Kotvení do pevného podloží 63 11.3.1 Mechanické kotvení 63 11.3.2 Chemické kotvení 65 11.4 Návrh spojení kotvicí patky s kotvicím lanem 67 11.5 Závěr kapitoly 68 12 VYUŽITÍ METODY KONEČNÝCH PRVKŮ PŘI ŘEŠENÍ ZADANÉHO PROBLÉMU 69 12.1 Popis metody konečných prvků 69 12.2 Použité prvky pro vytvoření konečnoprvkové sítě na modelu 70 12.2.1 Popis prvku Beam189 70 12.2.2 Popis prvku Link10 71 12.2.3 Popis prvku Mesh200 72 12.2.4 Popis prvku Solid186 73 12.3 Postup vytváření modelu v programu Ansys 74 12.3.1 Postup při tvorbě modelu věže 76 12.3.2 Postup při tvorbě zadní desky s čepem 77 12.3.3 Postup modelování desky se Savoniovým rotorem 79 12.3.4 Postup modelování kotevních lan 81 12.3.5 Řešení systému vysouvacích lan uvnitř věže 81 12.3.6 Řešení problému vůlí mezi jednotlivými stupni 82

strana

12

Obsah

12.3.7 Vytvoření systému kladek uvnitř věže 12.4 Závěr kapitoly 13 ANSYS – OKRAJOVÉ PODMÍNKY 13.1 Zatížení konstrukce 13.2 Vazební podmínky pro model věže 13.2.1 Zavazbení čepů v ložiscích 13.2.2Vazby aplikované na spodní část věže 13.2.3 Simulace ukotvení lan vůči zemi 13.3 Závěr kapitoly 14 ANSYS – POUŽITÉ MATERIÁLY 14.1 Vlastnosti použitých materiálů 14.1.1 Využití mat. č. 1 na modelu 14.1.2 Využití mat. č. 2 na modelu 14.1.3 Využití mat. č. 3 na modelu 14.1.4 Využití mat. č. 4 na modelu 14.2 Závěr kapitoly 15 ANSYS – VÝSLEDKY VÝPOČTŮ 15.1 Výskyt napěťových maxim 15.2 Zátěžný stav č. 1 15.2.1 Prezentace výsledků statického výpočtu 15.2.2 Analýza výsledků statického výpočtu 15.2.3 Kontrola vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability 15.2.4 Analýza výsledků vzpěrné stability 15.3 Zátěžný stav č. 2 15.3.1 Prezentace výsledků statického výpočtu 15.3.2 Analýza výsledků statického výpočtu 15.3.3 Kontrola vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability 15.3.4 Analýza výsledků vzpěrné stability 15.4 Zátěžný stav č. 3 15.4.1 Prezentace výsledků statického výpočtu 15.4.2 Analýza výsledků statického výpočtu 15.4.3 Kontrola vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability 15.4.4 Analýza výsledků vzpěrné stability 15.5 Ověření kotvicích lan ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM VÝKRESOVÉ DOKUMENTACE

85 86 87 87 89 89 89 90 90 91 91 91 91 91 92 92 93 93 93 93 95 96 96 97 97 98 99 99 100 100 101 102 103 103 105 107 109 112 114 115 116

strana

13

Obsah

strana

14

Úvod

ÚVOD Cílem této diplomové páce je vytvoření konstrukčního návrhu mobilní věže pro větrnou elektrárnu s vertikální osou rotace typu Savonius. Mobilní věž by měla sloužit jako součást testovacího zařízení rotorů větrných generátorů. Je však možná i celá řada jiných využití této věže. Elektrická energie získaná z větrné elektrárny by také mohla sloužit jako energie potřebná pro provoz měřících zařízení na odlehlých místech, kde není přístupná elektrická síť. Využitím této věže v kombinaci s větrnou elektrárnou by mohlo dojít k částečnému nahrazení současných zdrojů elektrické energie, které jsou založeny na spalování fosilních paliv, popřípadě čerpání elektrické energie z baterií obsahujících těžké kovy a jiné, životnímu prostředí nebezpečné látky. Došlo by tak k intenzivnějšímu využití energie z obnovitelných zdrojů, které tvoří nezanedbatelnou součást opatření ke splnění požadavků Kyota k Rámcové úmluvě OSN o klimatické změně. Vstupem do Evropské unie se Česká republika mimo jiné zavázala k tomu, že bude zvyšovat množství elektrické energie získané z obnovitelných zdrojů. Jedním z těchto zdrojů je proudění větru, které se mění pomocí větrných elektráren na elektrickou energii posléze dodávanou do sítě. Globálním cílem v rámci EU je dosažení 12% podílu elektrické energie z obnovitelných zdrojů z hrubé spotřeby tuzemské energie do roku 2010. Konstrukce věže by měla být provedena tak, aby svou přítomností, pokud možno, nezatěžovala okolní životní prostředí. Věž by měla při maximálním vysunutí dosahovat výšky 10 metrů. Požadavkem je, aby byla konstrukce kompaktní a tím umožňovala snadný transport tohoto zařízení. Důraz je kladen na snadnou obsluhu věže a ruční montáž za použití jednoduchých zařízení. Výhoda větrné elektrárny typu Savonius spočívá v její poměrně nízké citlivosti na turbulentní proudění. Proto je možno její rotor umístit v poměrně nízké výšce nad zemí.

strana

15

Věže současných větrných elektráren

1

1 VĚŽE SOUČASNÝCH VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN U současných větrných elektráren se používá mnoho druhů stožárů a věží. Jednotlivé konstrukce se liší podle typu větrné elektrárny a podle hmotnosti ústrojí, které by měla věž elektrárny nést. V současné době můžeme rozlišovat velké elektrárny, středně velké elektrárny a malé elektrárny.

Obr. 1-1 Velké větrné elektrárny v Dánsku [7] 1.1

1.1 Věže velkých větrných elektráren U vysokých větrných elektráren, spíše než o stožárech, mluvíme o věžích, na kterých jsou umístěny gondoly větrných elektráren. Věže větrných elektráren, které jsou zatěžovány mnohatunovou hmotností gondoly a jsou vystaveny povětrnostním vlivům, jsou velmi namáhané strojní součásti. Musejí odolávat provozním podmínkám jako například kmitání celého zařízení, které je generováno obtékáním lopatky větrné elektrárny proudem vzduchu. Věže jsou proto navrhovány na určitou dobu životnosti. Takto navržené věže pro větrné elektrárny se po překročení stanovené doby životnosti už dále nemohou používat pro účely, pro které byly navrženy. [7] Výška věže je rozhodující faktor ovlivňující množství získané energie z větru. Proto se také setkáváme s tím, že jsou větrné elektrárny stavěny na vyvýšených místech, kde není pravděpodobné, že by zástavba popřípadě samotný ráz krajiny tvořily turbulentní víry, které by nepříznivě ovlivňovaly funkci větrné elektrárny. Konstrukce věží se také mění podle toho, na jaké části pevniny je větrná elektrárna vybudována. Věže pro větrné elektrárny umístěné např. na pobřeží jsou relativně nízké. Nicméně i tato relativně nízká konstrukce věže je v těchto přímořských oblastech dostačující. Pro elektrárny, které jsou vystavěny ve vnitrozemí, je naopak potřeba umístit gondolu větrné elektrárny poměrně vysoko. Ne zřídka se setkáváme s věžemi, jejichž výška přesahuje 80m. Důvody pro stavbu takto vysokých věží jsou prosté. Umístěním rotoru větrné elektrárny do takových výšek je snaha zabránit, aby větrná elektrárna pracovala při turbulentním proudění, které vzniká na zemském povrchu, když vzduch obtéká terénní nerovnosti. Výrobci věží pro větrné elektrárny strana

16


nabízejí pro jeden typ rotoru několik věží s různou výškou. [7] U méně nákladných větrných elektráren s výkonem přibližně do 500 kW jsou povětšinou konstruovány věže s vnějším přístupem ke gondole větrné elektrárny a k veškerému jejímu technickému zařízení. Tato varianta se používá u nízkých a relativně úzkých věží, u kterých by byl přístup skrze vnitřní prostor věže komplikovaný. U nákladných větrných elektráren je přístup ke strojovně větrné elektrárny zajištěn žebříkem, který je veden uvnitř věže a je přichycen ke stěnám. U věží, které dosahují výšky přes 80m, je uvnitř věže podle předpisů vybudována výtahová klec, která se například využívá i při stavbě výškových budov nebo je uvnitř věže přímo vestavěn výtah, který usnadňuje přístup ke strojovně větrné elektrárny. Věží elektrárny je také svedena veškerá kabeláž sloužící pro odvod elektrické energie z generátoru elektrárny ke spotřebiteli.

Obr. 1-2 Vnitřní prostory věže větrné elektrárny [7]

Ocelové věže jsou tvořeny několika segmenty, které jsou k sobě připevněny pomocí přírub nacházejících se na koncích jednotlivých segmentů. K zajištění polohy jednotlivých segmentů a tedy i přírub se používají šroubové spoje. Dalším způsobem jak spojovat části věže je svařování. Segmenty jsou zhotoveny z plátů plechu, které jsou pomocí technologie skružování tvarovány do potřebného tvaru a poté svařovány.

Obr. 1-3 Skružování segmentů věže větrné elektrárny [15]

strana

17


Tloušťka stěn segmentů činí přibližně 20 až 40 mm. Svarové spoje spojující jednotlivé plechové pláty jsou testovány a kontrolovány. Je snaha touto kontrolou předejít nehodám způsobených zhotovením nekvalitního svaru. Věže, jejichž výška přesahuje 100m, jsou svařovány po celé délce. Odpadá tak nutnost použití šroubových spojů. U těchto věží je tedy nahrazen tvarový spoj, který je reprezentován šroubovým spojem, materiálovým spojením, které je reprezentováno svarovým spojem. Nicméně v současné době jsou věže pro větrné elektrárny, jejichž výška přesahuje 100 metrů ojedinělé, a tak i způsob jejich konstrukce není doposud unifikován a jedná se tedy spíše o prototypy. V současné době je možné setkat se i s věžemi větrných elektráren, které jsou zhotoveny z železobetonu. Je možnost stavět betonové věže i z železobetonových prefabrikátů. Prefabrikáty jsou na sebe přesně uloženy. Skrze otvory procházejícími jednotlivými díly je provlečeno ocelové lano, které je vysoce předepnuto, a reakční síla vzniklá v lanech předpětím stlačuje jednotlivé díly k sobě a tak zajišťuje jejich soudržnost. [7] Příklady výšky věží větrných elektráren vztažených na výkon větrné elektrárny a průměr rotoru: 40 až 65 m - používá se pro větrné elektrárny s výkonem od 500 do 600 kW s průměrem rotoru přibližně 40 m 65 až 114 m - používá se pro větrné elektrárny s výkonem od 1,5 MW do 2 MW s průměrem rotoru přibližně 70 m 120 až 130 m - používá se pro větrné elektrárny s výkonem od 4,5 MW do 5 MW s průměrem rotoru přibližně 112 až 126 m 1.2

1.2 Stožáry malých a středně velkých větrných elektráren Pod pojmem malé větrné elektrárny rozumíme elektrárny s výškou stožáru přibližně do 25 m. Tyto elektrárny mají také malý výkon. Stejně jako u velkých větrných elektráren, tak i u malých větrných elektráren na sobě závisí výška stožáru a množství energie, které je možno získat. [13] Výkon získaný malou větrnou elektrárnou je většinou zužitkován na dobíjení akumulátoru, popřípadě může být malá větrná elektrárna napojena na odporovou zátěž, kterou je možno využít jako zdroj tepla pro ohřev užitkové vody nebo vody v centrálním vytápěcím systému. [12] Středně velké větrné elektrárny, jejichž výkon je větší jak 20 kW, se používají pro dodávky do veřejné sítě. Výkon těchto elektráren je již dosti vysoký na to, aby získaná energie byla přímo využita v domácnosti. [6]

Obr. 1-4 3D model gondoly malé větrné elektrárny [9] strana

18


Stožáry malých větrných elektráren mají velmi jednoduchou konstrukci. Ve většině případů je stožár u těchto typů větrných elektráren tvořen jedním sloupem o požadované délce. Tento sloup je z části zapuštěn v betonovém základu, který je umístěn v zemi a částečně tak zajišťuje stabilitu větrné elektrárny. Pro zajištění potřebné stability jsou po délce stožáru rozestaveny jisticí kroužky. Podle výšky stožáru volíme, kolik je pro zajištění dostatečné stability stožáru potřeba jisticích kroužků. [12] Tyto kroužky jsou opatřeny oky. K okům je před vztyčením stožáru připevněn jeden konec kotvicího lana. Oko na druhém konci lana je připevněno buď k dalšímu betonovému základu nebo ke kotvě. Kotvicí lana bývají po obvodu jisticího kroužku rozmístěna většinou po 120°, aby spolehlivě zabránila jakémukoliv vychýlení stožáru z ideální polohy. V praxi je také možno se setkat s příhradovými stožáry. Z transportních důvodů jsou dělené na několik částí a spojují se až na místě instalace. Tyto stožáry se používají jak pro malé větrné elektrárny, tak pro středně velké větrné elektrárny. Konstrukce rámu je tvořena ocelovým svařencem z tenkostěnných uzavřených profilů. Jednotlivé části jsou na místě instalace spojeny šrouby. Stabilita tohoto typu stožáru je zajištěna betonovým základem, do kterého je zapuštěna část základny příhradové konstrukce. Odpadá tedy nutnost instalace kotevních lan.

Obr. 1-5 Druhy stožárů malých větrných elektráren [12]

Základním problémem, který je nutno řešit při návrhu jakéhokoliv stožáru, jsou vlastní frekvence celého systému. [6] Tyto frekvence musí být vhodnou konstrukcí a kotvením vyloučeny. Pokud by se stožár ocitl v oblasti vlastních frekvencí, začal by kmitat vlastním tvarem, který by příslušel dané frekvenci. Jelikož při kmitání ve vlastních frekvencích je registrována velká amplituda výkmitu, mohlo by dojít k destruktivnímu porušení celé stožárové konstrukce větrné elektrárny.

strana

19

Možnosti upevnění Savoniova rotoru

2

2 MOŽNOSTI UPEVNĚNÍ SAVONIOVA ROTORU Savoniův rotor je velice kompaktní. Tato kompaktnost umožňuje dělat jednodušší stožáry, než by tomu bylo například u malých třílistých větrných elektráren. Savoniův rotor je složen ze dvou vodorovně umístěných kruhových kotoučů, mezi nimiž jsou svisle postaveny dvě polokruhovitě zahnuté lopatky. Lopatky jsou v prostřední části kruhových kotoučů protisměrně přesazeny přibližně o 20% průměru rotoru. Toto přesazení lopatek rotoru zapříčiní, že část větru ze zadní strany momentálně pasivní lopatky je přesměrována na přední stranu aktivní lopatky. [1]

Obr. 2-1 Průtok vzduchu Savoniovým rotorem [8]

Obr. 2-2 Upevnění Savoniova rotoru [10]

Vzhledem ke snadné konstrukci rotoru je možné upnout Savoniův rotor pomocí rámového držáku na prakticky jakýkoliv typ sloupu. Savoniův rotor se umisťuje do poměrně malých výšek nad zemí. Při umisťování rotoru nízko nad zemí se nepoužívají jako u malých a středně velkých větrných elektráren kotvicí lana. Stabilita stožáru spolu s rotorem je zajištěna betonovým základem, do kterého je z části zasazen samotný stožár. Je také možné stožár přichytit k betonovému základu pomocí příruby a šroubů. Typy stožárů jsou velmi podobné stožárům pro malé větrné elektrárny. Používají se kruhové, popřípadě obdélníkové sloupy nebo příhradové konstrukce. U stožárů je možno umístit rotor na vrchol, nebo pomocí rámového držáku přichytit rotor na boční stranu stožáru v jakékoli výšce. U příhradových konstrukcí se rotor umisťuje buď na vrchol konstrukce, nebo při užití několikastupňového Savoniova rotoru je možnost umístit rotor do prostoru uvnitř příhradové konstrukce.

strana

20

Návrrh řešení mobilní m věže e pro Savon niův rotor

3 NÁ ÁVRH ŘE EŠENÍ MOBILNÍ M Í VĚŽE PRO P SAVONIŮV R ROTOR

3

Existuje někollik konstrukkčních variaant stožárů a věží pro Savoniův rrotor. Je pro oto nutnéé prostudoovat konstrrukci jednootlivých vaariant a poosoudit jejiich vhodno ost vzhleedem k zaadaným poodmínkám. Zvážením m výhod a nevýhood možný ých konstrukčních řešení ř bude vybrána nejvhodnější n í varianta a ta bude aaplikována na probllém.

3.1 Montovan M ný stožár z trubkových segm mentů

3.1

Tennto typ stoožáru je tvvořen někollika segmen nty, které se smontujjí do podoby stožááru až na místě instaalace. Částti stožáru jsou j většinnou kruhovvého průřezzu. Jednotlivé segm menty jsou vyrobeny v z plechů meetodou skružžování. Sm montovatelno ost jednootlivých čásstí stožáru zajišťují z přííruby na ob bou koncíchh segmentu.. Příruby jsou spojeeny šrouby, které tvoří rozebíratelnný tvarový spoj.

Obr. 3-1 3 Více segm mentový stožáár

Obr. O 3-2 Jednoo segmentový stožár [23]

Staabilitu stožááru zajišťujee železobetoonový záklaad, ke kterém mu je spodnní část stožááru pomoocí přírubyy přišroubovvána, nebo je tento sp podní segm ment částečnně zasazen do betonnového záklladu. Dalšíhho zlepšení stability sto ožáru je moožno dosáhnnout kotvicím mi lany,, které jsou jedním konncem připevvněny ke sttožáru a druuhý konec jje upevněn na kotvěě. Kotva je pevně sppojena se zemí. Kotv vicí lana jssou většinoou pravidellně rozm místěna po obvodu o stožžáru, aby doošlo k zabráánění vychýýlení stožárru z vertikální polohhy. Součástí kotvicíchh lan jsou také prvky y, které dovvolí obsluzze stožáru při p monttáži vypnouut kotvicí lanna a případěě řídit velik kost předpětíí v lanech.

strana a

21

Návrh řešení mobilní věže pro Savoniův rotor 3.1.1

3.1.1 Posouzení vhodnosti montovaného stožáru Vzhledem ke skutečnosti, že je nutno stožár instalovat na pevný základ, je značně omezen požadavek mobility. Mobilitu ztěžují také segmenty stožáru, které jsou dosti rozměrné a mají nezanedbatelnou váhu. Pro samotnou montáž stožáru je potřeba manipulační mechanismus pro vyzdvižení jednotlivých segmentů a jejich složení. Potřebná by byla i plošina pro mechaniky, kteří by šrouby spojovali jednotlivé části sloupu. Tato skutečnost odporuje dalšímu požadavku v zadání, navrhnout konstrukci stožáru s ohledem pro snadnou ruční montáž a demontáž za použití jednoduchých zařízení. Tento druh řešení posuzuji vůči zadání diplomové práce jako nevyhovující, a proto nebude při řešení diplomové páce uvažován.

3.2

3.2 Teleskopický hydraulický stožár Jedná se o typ stožáru, jehož výšku je možno regulovat podle potřeby uživatele. Jednotlivé segmenty stožáru jsou do sebe vsazeny a je zajištěno jejich teleskopické vysouvání. Části, ze kterých je stožár zkonstruován, jsou duté a uvnitř stožáru se nalézá teleskopický hydraulický válec. V odborné literatuře jsou mnohdy hydraulické válce označovány jako lineární hydraulické motory. Horní část hydraulického válce je pevně spojena s vrchní částí teleskopického stožáru. Podle různých specifik je možno rozdělit lineární hydraulické motory na jednočinné a dvojčinné s jednostrannou nebo s oboustrannou (průběžnou) pístnicí, dále na přímočaré hydromotory s plunžrem a teleskopické přímočaré hydromotory. Při použití této konstrukce pro věž větrné elektrárny by bylo vhodné uvažovat teleskopický dvojčinný lineární hydraulický motor.

Obr. 3-3 Druhy hydraulických přímočarých motorů [2] 3.2.1

3.2.1 Jednočinné lineární hydraulické motory Pracovní pohyb jednočinného hydraulického pístu je vyvozen přivedením tlakové kapaliny pod píst. Opačný pohyb je realizován působením vnějšího zatížení nebo pružiny. Rychlost pracovního zdvihu je možné ovládat množstvím přivedené tlakové kapaliny z hydrogenerátoru. [2] Při vratném pohybu je možnost ovládat rychlost

strana

22

Návrh řešení mobilní věže pro Savoniův rotor

pohybu pomocí škrcení ventilu, kterým regulujeme průtok oleje z pracovního prostoru hydraulického pístu do nádrže tlakové kapaliny. 3.2.2 Dvojčinné lineární hydraulické motory U dvojčinných lineárních hydraulických motorů jsou pohyby pístu v jednom i v druhém směru realizovány tak, že se pod píst nebo nad píst přivádí tlaková kapalina. Dodávku tlakové kapaliny zajišťují hydrogenerátory. Tyto hydrogenerátory mohou být poháněny například elektromotory nebo spalovacími motory. U hydromotorů s jednostrannou pístnicí je plocha pod pístem větší než plocha nad pístem. Tento rozdíl je tvořen průřezem pístnice. Jedná se o tzv. hydromotorech s diferenciálním pístem. Pokud je uvažováno, že pod píst i nad píst bude přiváděno stejné množství tlakové kapaliny, tak je zřejmé, že pístnice se bude rychleji zasouvat než vysouvat. Další možností konstrukce dvojčinného lineárního hydraulického motoru je motor s oboustrannou pístnicí. [2] U tohoto druhu pístnice jsou plochy nad i pod pístem stejné a tato skutečnost zajišťuje stejnou rychlost pohybu v obou směrech při stejném průtoku oleje nad, popřípadě pod píst.

3.2.2

3.2.3 Zhodnocení vhodnosti teleskopického hydraulického stožáru Výhodou této možné varianty řešení mobilního stožáru je možnost teleskopické konstrukce. Tato konstrukce stožáru umožňuje umístit rotor větrné elektrárny do libovolné výšky. Nevýhodou tohoto typu zařízení je poměrně vysoká hmotnost hydraulického motoru. Pro jeho funkci je nezbytný hydrogenerátor, který navyšuje celkovou váhu mechanismu a snižuje tak jeho mobilitu. Pro pohon hydrogenerátoru je nutný motor, který uvede hydrogenerátor do chodu. Vzhledem k celkové váze mechanismu, která má bezesporu vliv i na mobilitu celého zařízení, hodnotím tuto variantu jako nevhodnou pro řešení zadaného problému a při dalším řešení zadaného problému nebudu tuto variantu uvažovat.

3.2.3

3.3 Teleskopická příhradová věž

3.3

Věž je tvořena několika segmenty, které jsou do sebe zasazeny, a je zajištěno jejich teleskopické vysouvání. Jednotlivé segmenty věže zároveň plní funkci vedení pro další segmenty. Na určené místo je věž přivezena ve složené poloze. Pro zajištění mobility tohoto zařízení je možné umístit celou konstrukci na samostatný podvozek, který bude možno připojit pomocí spojovacího zařízení na tažné zařízení automobilu. Předpokladem je, že veškerá manipulace s věží bude probíhat pomocí lanových systémů. V jejich prospěch mluví především nízká hmotnost, jednoduchá ovladatelnost a možnost ovládat tyto systémy manuálně. Při manuálním ovládání lanových systémů věže odpadá nutnost použití prvků, které by ke svému provozu vyžadovaly elektrickou energii, a tudíž i zdroje této energie. Věž bude ovládána dvěma lanovými navijáky. Jeden z navijáků bude obsluhovat vztyčování věže do vertikální polohy a bude připevněn na rámu přívěsu. Po vztyčení se věž mechanicky zajistí a bude tudíž možné lano odlehčit. Druhý z navijáků bude připevněn přímo k věži a obstará teleskopické vysouvání. Vzhledem k různým požadavkům a různým hodnotám zatížení v navíjených lanech bude použito pro každou činnost jiného navijáku. Výhodou konstrukce je relativně nízká hmotnost a při správném návrhu konstrukce i velmi dobrá tuhost. Další z výhod při použití příhradové konstrukce spočívá v

strana

23

Návrh řešení mobilní věže pro Savoniův rotor

relativně malé ploše, na kterou budou při provozu působit poryvy větru. Tím také dochází ke snižování zatížení, které je přenášeno do kotvicí soustavy, jejímž úkolem je udržet věž v požadované poloze. Stabilita věže je zajištěna několika prvky. V první řadě se jedná o opěrné výsuvné nohy, které budou umístěny na výsuvných i otočných ramenech připevněných k rámu podvozku. Za pomoci těchto noh dojde k rozšíření základny věže a budou vyrovnávat případné terénní nerovnosti. Dalším prvkem, který se bude starat o stabilitu věže v rozloženém stavu, budou kotvicí lana. Nejvyšší stupeň věže bude opatřen několika oky, která budou sloužit k upevnění lan k věži. Kotevní kolíky budou svařeny z pásové oceli. Tento způsob kotvení je vhodný pro měkké podklady, jakými je například zemina. Pokud bude potřeba ukotvit věž na tvrdém podkladu, jako je například kámen nebo beton, pak budou kotvicí lana připevněna k podloží pomocí chemické nebo mechanické kotvy. Kotvicí lano bude také opatřeno napínacími oboustrannými šrouby, kterými bude možno dle potřeby, v jistém omezeném rozsahu, měnit předpětí v lanech. Savoniův rotor bude pevně přichycen k desce, která bude umístěna na nejvyšším stupni věže. Instalace Savoniova rotoru bude probíhat tak, že se u složené věže, která se bude nacházet v horizontální poloze, otočí upínací deska podle kloubových závěsů do horizontální polohy a zajistí se. Tato operace umožní uložit Savoniův rotor na tuto desku a bez problémů jej připevnit k věži. Po upevnění rotoru dojde k odjištění desky a ta se i s rotorem sklopí tak, že osa rotoru bude totožná s osou věže a opět se deska zajistí proti pohybu. Vztyčování věže už bude probíhat s rotorem umístěným na jeho konci.

Obr. 3-4 Teleskopická příhradová věž 3.3.1

3.3.1 Vyhodnocení vhodnosti varianty Věž opatřená podvozkem vyhovuje požadavku mobily, který je uveden v zadání diplomové práce. Použitím lan a lanových bubnů, které obstarají téměř veškerou manipulaci s věží, se splní i požadavek na snadnou montáž a demontáž zařízení včetně uvedení do provozu. Navržená varianta splňuje všechny podmínky zadání, a proto se jeví jako vhodné řešení diplomové práce.

strana

24

Konstrukce mobilní věže

4 KONSTRUKCE MOBILNÍ VĚŽE

4

V půdorysu je patrné, že věž má čtvercový průřez. Na počátku řešení byla také uvažována varianta s trojúhelníkovým průřezem. Tato ale byla posléze vyloučena vzhledem ke komplikacím, jež nastaly při navrhování systému, kterým by bylo obsluhováno vysouvání stupňů věže.

4.1 Části věže

4.1

Věž je tvořena třemi stupni, z nichž každý je vytvořen jako svařovaná příhradová konstrukce. Rozměry všech tří stupňů jsou upraveny tak, aby bylo možno vsadit jednotlivé stupně do sebe a aby se při maximálním vysunutí deska, na kterou se umístí větrná elektrárna, nacházela ve výšce 10m nad zemí. Konstrukce věže je řešena tak, aby se jednotlivé stupně teleskopicky vysouvaly, což má za následek především kompaktnější rozměry celé konstrukce při transportu ve složeném stavu. 4.1.1 Stupeň č. 1 První stupeň lze považovat za základní pilíř mobilní věže. Jedná se o stupeň nejmasivnější, protože je vystaven největšímu namáhání. Podílí se také největší měrou na celkové hmotnosti věže. Hmotnost prvního stupně věže včetně příslušenství, jakým je např. naviják, kladky, držáky kladek atd. je cca. 127kg.

4.1.1

Obr. 4-1 Orientace profilů na věži

První stupeň je navržen jako svařovaná příhradová konstrukce. Stavebními prvky této příhradové konstrukce jsou válcované L profily. Základ tvoří čtyři hlavní stojny. Tyto jsou orientovány tak, aby mezi sebou uzavíraly čtvercový prostor, jak je zobrazeno na obr. 4-1. Stojny prvního stupně věže dlouhé 4,1m jsou spojeny z vnější strany výztuhami. Výztuhy mají také průřez profilu L. Výztuhy mimo spojení jednotlivých stojen zvyšují tuhost celé konstrukce. Orientace výztuh byla volena tak, aby nevznikaly prostory, ve kterých by mohlo dojít ke kumulaci nečistot a dešťové vody, a bylo tak zabráněno vzniku případných ložisek koroze.

strana

25


Na zadní straně prvního stupně věže je pomocí osmi šroubů připevněna deska s čepem, podle jehož osy dochází k překlápění věže z horizontální polohy do vertikální a zpět. Pro přichycení desky s čepem na konstrukci věže musel být po stranách dvou zadních stojen přivařen pás oceli. Vzhledem k faktu, že vnitřní část stojen plní funkci kluzných ploch, není možno zadní desku připevnit přímo k nim. Deska s čepem tvoří spojovací mezistupeň mezi samotnou věží a přívěsem. K přesnému ustavení polohy věže vůči přívěsu je deska s čepem opatřena oválnými otvory, kterými procházejí spojovací šrouby. K přesnému ustavení obou komponent dochází při kompletaci celého zařízení. Spojení přívěsu s věží pomocí desky s čepem je zobrazeno na obr. 42. Čep je k desce přivařen. Dalšími prvky, které zvyšují tuhost desky, jsou žebra, která na několika místech podpírají čep. Koncové části čepu jsou opracovány a tepelně upraveny tak, aby snesly namáhání od věže a zároveň vyhovovaly požadavkům výrobce kluzných ložisek, ve kterých budou čepy uloženy.

Obr. 4-2 Ustavení desky s čepem na věž

Na druhé straně věže vzhledem k desce s čepem se nachází prostor pro upevnění ručního šnekového navijáku. Deska pro upevnění navijáku opět není přímo upevněna k věži. Na dvě přední stojny, byly navařeny pomocné patky, ke kterým je deska pro naviják připevněna šrouby. Situace je vyobrazena na obr. 4-1. Spodní zadní strana prvního stupně je opatřena okem, ke kterému je pomocí karabiny připojeno lano. Tímto je ovládáno vztyčení věže z vodorovné polohy do polohy svislé, a zároveň slouží k brzdění celé konstrukce věže při sklápění do výchozí polohy. Situace je zobrazena na obr. 4-1. Na horní části prvního stupně věže nad navijákem je umístěna kladka, která je vložena mezi dvě bočnice. S těmito bočnicemi je kladka otočně spojena pomocí čepu. Obr. 4-3 znázorňuje jednu z bočnic opatřenou třemi prvky, které jsou k ní přivařeny těsně nad okrajem kladky. Účelem těchto prvků je zabránit vypadnutí lana v okamžiku, kdy není napnuté, z drážky kladky. Na vrchních příčných výztuhách jsou v rozích prvního stupně věže umístěny silentbloky zamezující vzniku rázu při dosednutí jednoho stupně na druhý při skládání věže a bránící kolizi jednotlivých stupňů viz obr. 4-3. strana

26


Na vrchní část věže byly umístěny také dvě oka pro přichycení lana, která se starají o vysouvání třetího stupně věže.

Obr. 4-3 Zajištění vysouvacího lana

4.1.2 Stupeň č. 2 Základ konstrukce druhého stupně tvoří čtyři hlavní stojny s délkou 4m se stejnou orientací jako stojny u prvního stupně. Tyto jsou spojeny pomocí výztuh tvořených pásovou ocelí a nacházejí se uvnitř druhého stupně. Jedná se opět o svařovanou příhradovou konstrukci, jejíž hmotnost včetně příslušenství činí cca. 69kg. Uvnitř věže se mezi jednotlivými výztuhami nacházejí plastové segmenty, které plní funkci kluzných ploch. Konkrétně se jedná o plast typu POM, který byl zvolen pro své dobré vlastnosti. Tento typ plastu vykazuje vynikající kluzné vlastnosti a zároveň vysokou stálost vůči otěru. Dalšími příznivými vlastnostmi jsou vysoká teplotní tvarová stálost, nízká nasákavost a vysoká tvrdost. Nevýhodou tohoto plastu je poměrně špatná lepitelnost. Hrany těchto kluzných ploch jsou zkoseny, aby při skládání věže nedošlo ke vzpříčení jednotlivých stupňů. Plastové kluzáky jsou zobrazeny na obr. 4-4. Kluzné plochy jsou připevněny k ocelovým profilům pomocí lepidla. Problém lepení byl konzultován s odborníky z firmy Loctite. Pro přichycení plastových kluzáků je použit Terokal 150, který slouží jako primer na POM pod dvousložkové lepidlo Terokal 9225. Lepený spoj vyžaduje jistou dobu na vytvrzení. Ve spodní části věže se nachází dvojice kladek. Kladky jsou upevněny ke konstrukci pomocí čepů. Čep je zajištěn pojistným kroužkem. Pro správné navedení lana do prostoru mezi stupni věže slouží plastové kluzáky. Prostor mezi jednotlivými stupni, do kterého musí být navedeno lano, je velmi malý. Při použití normalizovaných kladek dle normy ČSN 27 1820 „Kladky a bubny pro ocelová lana“ jsou obruby, které slouží ke správnému vedení lana na kladce, natolik veliké, že pokud by se kladka umístila tak, aby bylo zajištěno správné navedení lana do prostoru mezi stupni, tak by došlo ke kolizi obruby kladky s dalším stupněm věže. Proto bylo potřeba najít jiný prvek, který by se staral o přesné navedení lana do mezery mezi stupni věže. Řešení bylo nalezeno v plastovém kluzáku, který je

4.1.2

strana

27


umístěn nad kladkou. Situace je zobrazena na obr. 4-4. Pro tvorbu plastových kluzáků byl použit materiál POM.

Obr. 4-4 Kluzné plochy pro vedení věže a plastový kluzák pro vedení lana

Horní část věže je opatřena dosedacími plochami pro silentbloky, které jsou umístěny na prvním stupni věže. Tyto dosedací plochy jsou přivařeny přímo ke stojnám. K dalšímu vybavení patří silentbloky na vrchní části věže, na které při skládání dosedá první stupeň. 4.1.3

4.1.3 Stupeň č. 3 Základ konstrukce je tvořen čtyřmi hlavními stojnami o délce 4m. Spojení stojen je zajištěno pomocí výztuh z pásové oceli. Výztuhy jsou přivařeny z vnitřní strany věže tak, aby mezi stupni opět vznikl potřebný prostor pro vedení zdvíhacího lana. Hmotnost posledního stupně věže činí cca. 62 kg.

Obr. 4-5 Deska pro ustavení Savoniovy elektrárny

strana

28


Spodní část stupně je opatřena dvojicí kladek. Vzhledem k již zmíněnému problému, bylo opět použito plastových kluzáků, které se starají o přesné navedení lana do prostoru mezi stupně věže. Tak jako u předchozích stupňů je i zde oblast připojení kladek zpevněna použitím masivnějších profilů výztuh. Vrchní část třetího stupně je opatřena v každém rohu kotvícím bodem složeným z ocelového oka a pera. Jedná se o nakupovaný díl o známé únosnosti. Konce tohoto pera jsou přivařeny na konstrukci věže. Rozmístění kotvících bodů bylo voleno rovnoměrně po obvodu věže tak, aby bylo zabráněno nežádoucí torzi věže při jejím zatížení. Připevnění kotvících bodů je zobrazeno na obr. 4-5.

Obr. 4-6 Možnost instalace elektrárny ze země

Další velmi důležitou součástí třetího stupně je deska, která slouží k uchycení rotoru Savoniovy elektrárny. Jak je z obr. 4-5 patrno, deska je k třetímu stupni přichycena pomocí čtyř čepů. Každý z čepů je zajištěn pojistným kroužkem. Při instalaci elektrárny dojde k vyjmutí spodních čepů a ke sklopení desky do horizontální polohy. V této poloze se deska zajistí pomocí ramene. Rameno se zapře o patky, které jsou navařeny uvnitř třetího stupně věže. Po zapření se deska nachází v horizontální poloze ve výšce 1,4m nad zemí. Tímto byl sledován záměr instalace větrné elektrárny na zemi bez použití manipulační techniky, viz obr. 4-6. Po ustavení a připevnění elektrárny se deska i s elektrárnou mírně nadzvedne, dojde k odjištění ramene a sklopení do výchozí polohy, kde se deska zajistí zbývajícími dvěma čepy. Z obr. 4-5 je patrno, že spodní strana ok umístěných na desce je opatřena dosedací plochou. Po spuštění desky do výchozí polohy dojde tak k jejímu dosednutí na konstrukci věže po celé délce bočních výztuh. Záměrem bylo rozložit tlak vyvozený tíhou elektrárny na co největší plochu a snížit tak zatížení ok a čepů.

strana

29


4.2

4.2 Manipulace s věží Od počátku řešení diplomové práce byla snaha přistoupit k problému manipulace s věží tak, aby veškerá manipulace byla zvládnuta manuální prací obsluhy bez použití jiných zdrojů energie. Byla snaha o to, aby obsluha při transportu věže nemusela zvlášť transportovat i agregát, který by obstarával potřebnou energii např. pro elektromotory, kterými by se konstrukce dala také ovládat. Výhoda ovládání věže pomocí lan oproti jiným metodám, jako je například řízení věže pomocí elektromotoru nebo hydraulických motorů spočívá v malé hmotnosti celého ústrojí, které se podílí na ovládání věže. Navíc při volbě ručních navijáků není nevyžadován externí zdroj energie. Věž se obsluhuje pomocí dvou šnekových ručních lanových navijáků od firmy Pfaff. Vzhledem k faktu, že pro každý úkon bylo zapotřebí jiné síly v laně, byly zvoleny dva různé typy navijáků. Pro vztyčení věže z polohy horizontální do polohy vertikální, je nutné v laně vybudit sílu cca. 11 500N. Naopak pro vysunutí jednotlivých stupňů s rotorem větrné elektrárny umístěným na desce je potřeba pouze síla o velikosti cca. 1 300N.

4.2.1

4.2.1 Vztyčení věže Změna polohy věže z polohy horizontální do vertikální se řídí pomocí navijáku, který je umístěn na konstrukci podvozku. Z navijáku vede lano přes sérii kladek ke konci věže, kde je pevně přichyceno viz obr. 4-7. Použitý naviják je distribuován i vyráběn firmou Pfaff a nese typové označení 0253000. Naviják je výrobcem dodáván spolu s ocelovým lanem o průměru 10mm.

Obr. 4-7 Vedení lana na podvozku

Naviják je opatřen šnekovým převodem, který je samosvorný a zabraňuje tak nechtěnému poklesu břemene v okamžiku, kdy na klice navijáku není vyvíjena síla. Naviják je vybaven také zátěžovou brzdou, která napomáhá obsluze při spouštění

strana

30


břemene. Při plné zátěži navijáku je výrobcem udávána síla na konci kliky 160N. Jde o sílu na konci plně vysunuté kliky. Velikost ramene kliky je možno v jistém rozsahu regulovat s tím, že při zmenšení ramene kliky je potřeba větší síly k ovládání navijáku. Naviják je ustaven na ocelové desce tloušťky 5 mm, která je na třech stranách po celé délce přivařena k rámu podvozku. K desce je naviják připevněn pomocí čtyř šroubů. Rozměry šroubů byly voleny dle doporučení výrobce. 4.2.2 Vysouvání stupňů věže Vysouvání stupňů věže je opět realizováno pomocí navijáku. Jedná se také o ruční šnekový naviják od firmy Pfaff. Vzhledem k tomu, že naviják bude zvedat podstatně menší břemeno, byl zvolen jiný typ navijáku s označením 0242004.

4.2.2

Obr. 4-8 Vedení lana v mobilní věži

Systém vysouvání je realizován pomocí dvou lan, ale řízen je pouze jedním navijákem. Jak jsou lana ve věži rozložena a vedena, je schematicky zobrazeno na obr. 4-9. Při vhodné volbě počtu kladek a jejich rozmístění zvedá naviják pouze polovinu váhy břemene. Díky tomuto faktu je možno použít naviják pro menší zatížení, který má samozřejmě i nižší hmotnost. Navržený naviják je výrobcem dodáván spolu s ocelovým lanem o průměru 5mm. Stejného průměru bylo využito i pro druhé lano, které se stará o vysouvání třetího stupně. Detaily vedení lan ve věži jsou na obr. 4-8. Naviják je opatřen šnekovým převodem a zátěžovou brzdou. I u tohoto typu je možno regulovat délku ramene dle potřeby obsluhy. Pro maximální délku je síla potřebná na konci kliky rovna 92N Naviják je ustaven na ocelovou desku, která je pomocí šroubů připevněna ke konstrukci věže. Deska musela být opatřena patkami tak, aby mohla být umístěna nad výztuhou, která v tom místě prochází. K desce je naviják připevněn čtyřmi šrouby, jejichž velikosti byly voleny dle doporučení výrobce.

strana

31


Obr. 4-9 Vedení lana v mobilní věži - schéma

4.3

4.3 Závěr kapitoly Věž je složena ze tří segmentů, kde každý je vytvořen jako svařovaná příhradová konstrukce. Teleskopické vysouvání stupňů věže má za důsledek kompaktní rozměry celého zařízení během transportu. Bylo zjištěno, že hmotnost prvního stupně je 127 , hmotnost druhého stupně činí 69 a hmotnost třetího stupně je 62 . Výhodou je možnost instalace větrné elektrárny ze země. Obsluha věže je řešena dvěma ručními lanovými navijáky. Jedním navijákem je obsluhováno překlápění věže z horizontální polohy do vertikální. Tento je umístěn na rámu podvozku. Teleskopické vysouvání věže je realizováno dvěma lany a ovládáno jedním navijákem umístěným na prvním stupni věže.

strana

32

Matematický model zatížení v uložení věže a podvozku

5 MATEMATICKÝ MODEL ZATÍŽENÍ V ULOŽENÍ VĚŽE A PODVOZKU

5

Pro správné navržení ložisek pro řešené uložení je potřeba znát průběh zatížení v místě uložení. S náklonem věže dochází ke změně velikosti ramene, na kterém působí síla v laně. V průběhu překlápění z horizontální polohy do polohy vertikální dochází také ke změně velikosti i směru síly, která zatěžuje ložiska.

5.1 Výpočet délky ramene pro sílu v laně

5.1

V úvodu výpočtu jsou známy hodnoty délek ramen b, c a velikost úhlu α. Pro zjištění velikosti výšky v bodě A vyznačené v trojúhelníku a reprezentující rameno, na němž působí síla v laně, je nutné použít kosinovou větu. 2

. cos

Úpravou kosinové věty je získán vztah pro výpočet velikosti úhlu γ při vrcholu C.

kde: a b c

γ

2 [mm] - strana v trojúhelníku reprezentující napnuté lano [mm] - strana v trojúhelníku reprezentující vzdálenost mezi kloubem a bodem dotyku lana a kladky [mm] - strana v trojúhelníku reprezentující vzdálenost mezi kloubem a koncem věže [°] - úhel při vrcholu C . sin

kde: v

[mm] - délka ramene pro sílu v laně

Velikost úhlu γ je závislá na velikosti úhlu náklonu věže δ, proto i délka ramene pro sílu v laně se v průběhu vztyčování věže mění. Poloha úhlu δ zobrazena na obr. 5-3.

Obr. 5-1 Schéma navedení lana na kladku strana

33


A - kloubové uložení věže na podvozku B - konec věže C - bod dotyku lana s kladkou (pro zjednodušení výpočtu se neuvažuje změna polohy bodu v průběhu stavění věže 5.2

5.2 Výpočet tažné síly v laně Pro vztyčení věže z horizontální do vertikální polohy je potřeba vybudit v laně tažnou sílu, která na uvedeném rameni vytvoří moment, jenž je větší, než součet momentů vytvořených vlastní tíhou věže, větrné elektrárny a ztrátových momentů. Síla v laně je také závislá na úhlu náklonu věže δ, a proto se její velikost i směr v průběhu vztyčování věže mění. Schéma rozložení sil je zobrazeno na obr. 5-2. Sílu v laně je možno vyjádřit ze vztahu pro momentovou rovnováhu: . pak síla v laně:

. . cos

.

. . . cos

. . . cos

kde: F1 F2 F3 F4

[N] - síla vyvozená hmotností větrné elektrárny [N] - síla vyvozená hmotností horní části věže [N] - síla vyvozená hmotností spodní části věže [N] - síla vyvozená v laně δ [°] - odklon věže od vodorovné roviny l1; l2; l3; l4 [mm] - ramena, na kterých působí příslušné síly vzhledem k ose otáčení Změna velikosti síly je podmíněna změnou velikosti průmětů ramen, na kterých síly působí, do horizontální roviny.

Obr. 5-2 Schéma rozložení sil na věži

strana

34


5.2.1 Vyjádření složek síly v laně v osách x a y Pro pozdější výpočet složek reakčních sil v ložiscích je nutné sílu v laně rozložit do složek v osách x a y.

5.2.1

. cos . sin kde: F4X F4Y F4

θ

[N] [N] [N] [°]

- síla vyvozená v laně ve směru osy x - síla vyvozená v laně ve směru osy y - síla vyvozená v laně - úhel odklonu lana od vodorovné roviny

Při změně náklonu věže dochází ke změně velikosti a natočení vektoru síly F4, proto se při manipulaci s věží spojitě mění i velikosti složek této síly. Určení úhlu odklonu lana θ od vodorovné roviny

Obr. 5-3 Zobrazení úhlů uvažovaných ve výpočtu

V okamžiku, kdy se věž nachází v horizontální poloze, je úhel odklonu lana θ od vodorovné roviny roven úhlu β, který reprezentuje úhel sevřený mezi lanem a konstrukcí věže. Pokud však dojde k natočení věže o úhel δ, pak dojde i ke změně hodnoty úhlu θ. Vzájemnou závislost úhlů je možno vyjádřit vztahem. Nejdříve je nutné si z původního trojúhelníku vyjádřit úhel β: 2

. cos

2 Závislost mezi úhly je následující: kde: β

δ θ

[°] [°] [°]

- úhel sevřený mezi lanem a konstrukcí věže - odklon věže od vodorovné roviny - úhel odklonu lana od vodorovné roviny

strana

35


5.3

5.3 Vyjádření reakčních sil v ložiscích v kloubovém uložení Maximální síla v uložení se bude vyskytovat v momentě, kdy všechny složky ve vzorci dosahují svých maximálních hodnot. Celková reakční síla v jednom ze dvou uložení: ; ;

;

2

Jednotlivé složky síly jsou pak vyjádřeny následovně: ;

;

kde: FRa;b [N] FRXa;b [N] FRYa;b [N] 5.4

2 2

- reakční síla na jednom z čepů A, B - složka síly FRa;b v ose x - složka síly FRa;b v ose y

5.4 Závěr kapitoly Při změně polohy věže z vertikální do horizontální dochází ke změně velikosti síly v laně potřebné pro tuto operaci. Tato změna byla popsána soustavou rovnic. Se změnou náklonu věže je také spjata změna velikosti a směru vektoru síly, která zatěžuje ložiska. Průběh sil je stručně zdokumentován v tab. 5-1, grafu 5-1 a grafu 52. Tab. 5-1 Změna sil v uložení

Reakční Reakční Reakční Náklon Síla v laně věže síla na čepu síla v ose X síla v ose Y [N] [°] [N] [N] [N] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

strana

36

6577,8 5928,8 5251,1 4547,5 3821,9 3080,7 2334,3 1608,3 1018,5 1316,0

4651,7 4502,9 4230,5 3842,3 3350,0 2768,5 2115,9 1413,4 687,6 0,0

4650,7 3856,7 3110,9 2432,3 1839,7 1351,3 985,8 767,3 751,3 1316,0

11447,0 10340,4 9191,0 8002,3 6781,3 5537,4 4283,0 3032,4 1779,4 0,0

Síla v laně v ose X [N]

Síla v laně v ose Y [N]

9303,4 9005,8 8461,0 7684,6 6699,9 5537,0 4231,8 2826,9 1375,1 0,0

6669,3 5081,3 3589,8 2232,6 1047,4 70,6 -660,4 -1097,4 -1129,3 0,0

Mate ematický model m zatíže ení v uložen ní věže a po odvozku

100 90 80

náklon věže [[°]]

70 60 50 40 30 20 10 0 0

1000

2000

3000 4000 4 síla na čepu [N]

50 000

600 00

7000

Graf 5-1 Síla na čeepu v závislosti na náklonu věže

14000 12000

síla v laně [N]

10000 8000 6000 4000 2000 0 0

20 0

40 60 ú úhel náklonu u věže[°]

80

100

Graf 5-2 Síla v lanně v závislosti na náklonu věěže

strana a

37

Výpočet namáhání věže větrem

6

6 KLOUBOVÉ ULOŽENÍ VĚŽE Otočné uložení věže na podvozku bude realizováno pomocí ložisek a ložiskových těles. Je proto nutné zvolit vhodný typ ložiska, které by plnilo svoji funkci při známých pracovních podmínkách.

6.1

6.1 Definování podmínek provozu ložiska Před započetím návrhu ložiska je potřeba shrnout podmínky, kterým bude ložisko v provozu vystaveno. Jedná se o dosti netypický způsob zatížení, a proto i následný návrh bude vzhledem k těmto podmínkám upraven. Ložiska budou v drtivé většině času vystavena statickému namáhání. Tomuto typu namáhání odpovídají dvě polohy. První variantou je horizontální poloha věže. V takové situaci jsou ložiska namáhána statickou silou, která je vyvozena samotnou hmotností věže a tato síla se rozděluje mezi dvě ložiska a podporu, která je umístěna v zadní části přívěsu a podpírá druhý konec složené věže. V druhé variantě se věž nachází ve vertikální poloze. I v této poloze jsou ložiska namáhána staticky a zachycují tíhovou sílu celé konstrukce věže včetně vybavení, jakým je větrná elektrárna, kotvící lana atd. V tomto okamžiku je veškeré zatížení zachycováno pouze ložisky. Čep se bude v ložisku pohybovat jen velmi zřídka. Pohyb čepu v ložisku se nedá označit jako otáčení, ale spíše jako kývavý pohyb. Ve chvíli, kdy bude přecházet věž z jednoho výše popsaného stavu do druhého, dojde k pootočení čepu v ložisku o 90°. Tato změna stavu bude navíc probíhat při velmi nízkých kluzných rychlostech.

6.2

6.2 Valivá ložiska Základním rozdělením valivých ložisek podle směru sil, které mohou zachytávat, je rozdělení na ložiska axiální a ložiska radiální. Dále je možno tento typ ložisek dělit dle tvaru valivých tělísek na ložiska kuličková, kuželíková, válečková, soudečková, jehlová atd. Valivá tělíska obíhají v oběžných drahách kroužků a jejich stejnoměrný rozestup je zajištěn ložiskovou klecí. U kuličkových ložisek dochází teoreticky ke styku valivého tělíska a kroužku v jednom bodě. U ostatních typů valivých ložisek je kontakt mezi kroužkem a valivým tělískem čárový.

Obr. 6-1 Typy valivých ložisek [19]

strana

38

Kloubové uložení věže

6.2.1 Posouzení vhodnosti valivých ložisek Při dlouhodobém statickém namáhání jsou kroužky ložiska vystaveny bodovému zatížení od valivých tělísek. To vede k vytvoření důlků v oběžné dráze a ke znehodnocení ložiska. Vzhledem k charakteru namáhání, kterému budou ložiska dlouhodobě vystavena, bylo usouzeno, že valivá ložiska nejsou vhodným řešením problému otočného uložení věže.

6.2.1

6.3 Kluzná ložiska

6.3

U kluzných ložisek dochází ke styku dvou konformních povrchů, čepu a ložiskové pánve, z čehož vyplývá lepší rozložení tlaku v ložisku, než je tomu u ložisek valivých. Dle základních měřítek můžeme kluzná ložiska rozdělit na radiální nebo axiální. Dle dalšího parametru je lze dělit na ložiska hydrostatická, hydrodynamická nebo na ložiska samomazná. 6.3.1 Samomazná kluzná ložiska Samomazná ložiska jsou, jak už z názvu plyne, ložiska, která ke své funkci nutně nevyžadují mazivo. Při mazání dochází ke zlepšení kluzných vlastností, nicméně ložiska jsou konstruována tak, aby vykazovala dobré kluzné vlastnosti i bez přívodu maziva. Ložiska tohoto typu jsou vhodná pro menší, střední ale i vysoká zatížení při nízkých kluzných rychlostech. Osvědčí se hlavně při kývavém pohybu čepu. Jedná se o ložiska, kde na vrstvu základního materiálu je nanesena vrstva pórovitého kovového materiálu, jehož póry jsou vyplněny nekovovým materiálem. Pórovitý materiál nanesený na základní nosič je nejčastěji reprezentován slinutým bronzem. Jako plnidla se velmi často používá polytetrafluoretylen (PTFE) v kombinaci s grafitem, různými druhy polymerů popřípadě v kombinaci s olovem.

6.3.1

Obr. 6-2 Kluzná samomazná ložiska [18]

6.3.2 Posouzení vhodnosti kluzných ložisek U kluzných ložisek, na rozdíl od ložisek valivých, je zatížení vystavena větší plocha, a proto tlak, kterým je ložisko namáháno, je menší. Tento fakt spolu s bezúdržbovým provozem samomazného ložiska činí kluzná samomazná ložiska vhodným řešením problému otočného uložení věže.

6.3.2

strana

39


6.4

6.4 Navržení samomazného ložiska pro mobilní věž Vzhledem k charakteru namáhání, kterému budou ložiska použitá v kloubovém uložení věže vystavena, bylo rozhodnuto, že nejlepším řešením bude použití samomazných ložisek. Na rozdíl od klasických kluzných ložisek však samomazná ložiska nevyžadují přívod maziva a při správném utěsnění prostoru, kde dochází ke styku ložiska a čepu, nevyžadují žádnou údržbu. Existuje několik způsobů návrhu samomazných ložisek. Všechny prostudované způsoby návrhu jsou založeny na tom, že čep se bude v pouzdře ložiska dlouhodobě otáčet jistou kluznou rychlostí. Žádná z těchto skutečností se však nevyskytuje v řešeném problému, a proto se návrh ložiska pro kloubové uložení věže omezí pouze na kontrolu ložiska na otlačení. Vstupní hodnoty průběhu zatížení v ložisku budou převzaty z kapitoly 5, která se zabývala vytvořením matematického modelu zatížení v ložiscích po čas překlápění věže z polohy horizontální do polohy vertikální.

6.4.1

6.4.1 Navržení konkrétního typu ložiska Pro uložení věže byla navržena ložiska do výrobce GBB Bering Technology. Hlavní rozměry ložiska se odvíjely od velikosti čepů na zadní desce věže, které budou v ložiscích uloženy. Dovolený statický i dynamický tlak, kterým je možno ložiska namáhat, byl přebrán přímo z katalogu výrobce pro zvolený typ ložiska. Z katalogu výrobce bylo vybráno ložisko s typovým označením DHTM. Toto je výrobcem doporučeno pro provoz bez přívodu maziva a pro oscilační pohyby čepu v ložisku. Navržený typ ložiska neobsahuje olovo, a tudíž splňuje podmínky směrnice ELV č. 2000/53/EC. V mikroskopickém řezu samomaznou vrstvou ložiska na obr. 6-3 je možno rozeznat tři základní složky. Bodem číslo jedna je vyznačena kluzná vrstva, která se stará o snížení tření mezi čepem a pánví ložiska. Tato vrstva je složena z PTFE a plnidla. Druhou vrstvu v pořadí tvoří slinutý bronz. Slinutý bronz vytvoří pórovitou vrstvu, jejíž póry jsou vyplněny PTFE a plnidlem. Třetí v pořadí je podklad pro kluznou vrstvu. U zvoleného typu ložiska tvoří podklad pro kluznou vrstvu ocelový nosič.

Obr. 6-3 Řez samomaznou vrstvou ložiska [18]

strana

40

Kloubové uložení věže

Základní technické údaje zvoleného ložiska 30 30 250 140 0,2 kde: dl ll pDs pDd f

[mm] [mm] [MPa] [MPa] [-]

- průměr ložiska - délka ložiska - přípustné statické zatížení - přípustné dynamické zatížení - součinitel tření

6.4.2 Kontrola samomazného ložiska na otlačení Tlak v ložisku se vypočte dle vzorce: . kde: p Fmax

6577,8 30 . 30

6.4.2

7,3

[MPa] - tlakové zatížení ložiska [N] - maximální síla zatěžující ložisko

Síla Fmax je přebrána z kapitoly 5, kde byl řešen průběh reakčních sil na čepu při vztyčování věže. Ze seznamu hodnot byla vybrána největší síla a byla aplikována v rovnici pro zjištění tlaku v ložisku. Aby navržené ložisko vyhovovalo, pak musí být splněna podmínka: 7,3

140

Z porovnání je patrno, že ložisko z hlediska únosnosti vyhovuje, a je tedy možné navržený typ ložiska použít.

6.5 Navržení ložiskového tělesa

6.5

Po navržení samomazného ložiska bylo potřeba navrhnout i ložiskové těleso, do kterého přijde ložisko uložit. Upínací část ložiskového tělesa byla navržena tak, aby se dala třemi šrouby připevnit k podvozku věže. Těleso se skládá ze spodní desky. Na této spočívá ocelová tyč, uvnitř které byl zhotoven přesný otvor pro nalisování ložiska. Tolerance otvoru pro ložisko včetně drsnosti byly převzaty z katalogu výrobce ložiska. V přední části pouzdra pro ložisko byla zhotovena drážka pro pryžové těsnění. Toto těsnění má za úkol oddělit prostor, ve kterém se nachází ložisko a čep od okolního prostředí, a zabránit vnikání nečistot. Obdobný úkol plní na druhé straně pouzdra pro ložisko misková manžeta od firmy RUBENA a.s. Jedná se o misku z tuhé pryže. Ložiskové pouzdro je v místě kontaktu se spodní deskou přivařeno a o zvýšení celkové tuhosti soustavy se starají tři žebra, která jsou

strana

41


přivařena jak k desce, tak k ložiskovému pouzdru. Ložiskové pouzdro včetně částečného řezu je zobrazeno na obr. 6-4.

Obr. 6-4 Ložiskové těleso 6.6

6.6 Závěr kapitoly Ložisko je v drtivé většině času namáháno statickým zatížením. Vzhledem k charakteru namáhání bylo zvoleno samomazné ložisko od firmy GBB Bering Technology. Rozměry byly odvozeny od rozměrů čepů, jež budou v ložiscích uloženy. Součástí návrhu byl kontrolní výpočet na otlačení. Dalším řešeným prvkem bylo ložiskové těleso.

strana

42


7 VÝPOČET NAMÁHÁNÍ VĚŽE VĚTREM

7

Pro správné navržení konstrukce věže je potřeba také znát, jak je daná konstrukce namáhána. Při řešení věže pro větrnou elektrárnu je nasnadě, že navrhovaná konstrukce bude umístěna na volném prostranství, bude vystavena poryvům větru, a proto je nezbytné uvažovat zatížení větrem. V současné době neexistují normy, které by definovaly, jakým způsobem se má u navrhování mobilních věží postupovat. Při řešení diplomové práce byla využita jistá podobnost mezi zvolenou variantou mobilní věže a věží jeřábu. Pro zjištění namáhání vyvozeného větrem proto bylo užito normy, která se touto problematikou zabývá u jeřábových konstrukcí. Jedná se o normu ČSN 27 0103 „Navrhování ocelových konstrukcí“. Pro zjištění namáhání konstrukce mobilní věže větrem byly převzaty z normy jen určité pasáže. Výběr těchto pasáží byl podmíněn různým chováním konstrukcí za provozu. Řešená věž je složena z profilů, které jsou svařeny. Při výpočtu namáhání konstrukce větrem se počítá zatěžující síla pro každý prvek zvlášť. Ve výsledku se sečtou síly v jednom směru a tím je určena výsledná zatěžující síla, která reprezentuje namáhání větrem. Vzhledem k tomu, že věž není souměrná ze všech stran, je nutné počítat zatížení pro různé směry proudění větru. V diplomové práci jsou uvažovány tři směry působení větru. Jedním je působení větru na věž zepředu, druhým je působení větru z boku a třetím variantou je namáhání konstrukce ve směru úhlopříčky, jak je zobrazeno na obr. 7-1.

Obr. 7-1 Hlavní směry působení větru na konstrukci věže

Při působení větru na přední stranu věže se při výpočtu normové síly větru F2ω zahrnují dvě přední stojny u každého stupně, přední výztuhy na všech stupních a také všechny výztuhy na zadní straně věže, které nejsou stíněny výztuhami na přední straně věže. Pro stíněné prvky je zaveden speciální vztah. Při maximálním vysunutí věže jsou jednotlivé stupně přesazeny o délku jednoho metru. Pro zjednodušení je ve výpočtu uvažováno s takovým rozložením věže, kdy následující stupeň bude začínat tam, kde končí stupeň předchozí. Není zde tedy

strana

43


uvažováno přesazení stupňů a celková výška věže se zvětší z původních 10m na 12m. 7.1

7.1 Rozlišení zastíněných a nezastíněných prvků Za nezastíněný je považován ten prvek, který je vystaven přímému působení větru. Zastíněný prvek je takový, před nímž proti směru působení větru leží těleso se stejným průmětem v ploše kolmé k proudu větru. Při obtékání nezastíněného prvku, dojde za tímto prvkem k narušení toku větru a vzniku turbulencí. Takto roztříštěný tok větru dále naráží na překážku, která je zastíněna. Vzhledem k narušenému toku je síla na zastíněné prvky několikrát menší než na prvky nezastíněné, nicméně tvoří nezanedbatelnou část celkové síly. K lepšímu pochopení pojmů zastíněný a nezastíněný prvek je určen obr. 7-2. Na obr. 7-2 je zobrazena spodní část prvního stupně věže. Jednotlivé svařené prvky věže jsou odlišeny třemi barvami. Červená barva označuje prvky, které jsou vystaveny přímému působení větrného toku. Jedná se o prvky nezastíněné. Zelenou barvou jsou zvýrazněny prvky zastíněné. Prvky neuvažované ve výpočtu pro daný směr působení větru jsou značeny šedě.

Obr. 7-2 Znázornění nezastíněných a zastíněných prvků

strana

44


7.2 Síla vyvozená na nezastíněných prvcích věže

7.2

Pro výpočet zatěžující síly na jeden nestíněný prvek věže je použit následující vzorec: . kde: F2ω

ω1 ξω A

[N] [Pa] [-] [m2]

.

- normová síla větru na nezastíněný prvek - normový tlak větru na ocelovou konstrukci - tvarový součinitel - plocha vytvořená průmětem profilu do roviny kolmé na tok větru

Hodnoty tvarového součinitele ξω jsou voleny z tabulky uvedené v normě. Jedná se o součinitel, který zohledňuje při výpočtu tvar prvků obtékaných proudem vzduchu. Pokud je například konstrukce tvořena profily s kruhovým průřezem, tak vítr obtéká tuto překážku daleko snadněji, než je tomu například u profilů I nebo L. Pro správné zvolení součinitele ξω je důležité zjistit si hodnotu součinitele b ξ . [4]

kde: bξ L H

[-] - součinitel poměru obtékané výšky a délky profilu [mm] - délka profilu, která je vystavena působení větru [mm] - výška profilu, která je vystavena působení větru

Obr. 7-3 Obtékání profilů

Dále je potřeba zjistit velikost plochy, která vznikne promítnutím profilu do roviny kolmé na tok větru. . 10 Pro výpočet síly působící na jeden prvek je nutné znát i velikost normového tlaku na ocelovou konstrukci. Hodnoty součinitele ω1 jsou tabelovány. Ke správnému určení je potřeba znát maximální výšku nad terénem, které dosáhne věž po sestavení. strana

45


V zadání diplomové práce je stanovena maximální výška věže 10m. Této hodnotě odpovídá velikost normového tlaku 800 . 7.3

7.3 Síla vyvozená na zastíněných prvcích Tlak větru na zastíněný prvek je určen tak, že se účinek na předcházející prvek násobí součinitelem zastínění ϕ. Součinitel zastínění je závislý na součiniteli vyplnění α předešlého prvku a na poměru e/h. [4]

Obr. 7-4 Vyznačení rozměrů e a h

Pro výpočet zatěžující síly na jeden zastíněný prvek věže je použita následující rovnice: . . . kde: Fω1

ω1 ξω A ϕ

[N] [Pa] [-] [m2] [-]

- normová síla větru na zastíněný prvek - normový tlak větru na ocelovou konstrukci - tvarový součinitel - plocha vytvořená průmětem profilu do roviny kolmé na tok větru - součinitel zastínění

Součinitel zastínění je tabelován a pro jeho odečtení z tabulky je potřeba znát hodnoty součinitelů α a e/h. ∑ kde: α ΣA

[-] [m2]

A0

[m2]

strana

46

- součinitel vyplnění - součet ploch průmětů všech nezastíněných prvků v daném směru působení větru - celková plocha věže daná jejím obrysem


Jak je z obr. 7-4 patrno, poměr e/h vyjadřuje poměr stran věže. Vzhledem k tomu, že věž byla konstruována tak, aby její průřez byl čtvercový, pak poměr e/h = 1 pro všechny segmenty věže. Pro jednotlivé velikosti součinitelů pak obdržíme z tabulky následující hodnoty součinitelů zastínění. 0,25 0,33 kde: ϕ1P; ϕ2P; ϕ3P [-]

ϕ1B; ϕ2B; ϕ3B [-]

- součinitele zastínění pro první, druhý a třetí stupeň věže při proudění větru na přední stranu věže - součinitel zastínění pro první, druhý a třetí stupeň věže při proudění větru na boční stranu věže

Dosazením do vzorce pro Fω1 a součtem všech zatěžujících sil na jednotlivé profily obdržíme výslednou sílu v daném směru pro zastíněné profily.

7.4 Výsledná síla vyvozená větrem na mobilní věž

7.4

Výslednou sílu pro směr zepředu popřípadě z boku zjistíme tak, že pro příslušné směry sečteme velikosti sil na nezastíněné i zastíněné prvky na všech stupních věže.

7.5 Zatížení věže ve směru úhlopříčky podstavy věže

7.5

Doposud byly řešeny pouze síly působící kolmo na stěny věže, ať už se jednalo o síly působící na přední, nebo boční stranu věže. Norma, podle které byly tyto síly vyjádřeny, myslí také na případ, kdy vítr fouká na hranu věže a tok větru je ve směru úhlopříčky podstavy věže. V tomto případě norma udává, že síla působící na ocelovou konstrukci ve směru úhlopříčky je 1,2krát větší než síla působící kolmo na jednu stěnu. Nutno podotknout, že norma počítá s ocelovými konstrukcemi, které jsou souměrné, a síla na všechny stěny ocelové konstrukce je stejná. Pro užití na zadaném problému, kde se velikosti sil od působení větru zepředu a z boku liší, byla vybrána větší z těchto sil a počítáme tedy s horší variantou a tím se pohybujeme na bezpečné straně ve výpočtu. Koeficient 1,2 zahrnutý ve vzorci do jisté míry zohledňuje nárůst plochy, na kterou vítr působí a také poodkrytí prvků, které byly při namáhání buď čistě zepředu nebo z boku zastíněny a pro foukání větru ve směru úhlopříčky nejsou zcela zastíněny. Pak vzorec pro výpočet síly 1,2. kde: FU FP FB

[N] [N] [N]

,

- síla působící na věž ve směru úhlopříčky - síla působící na věž zepředu - síla působící na věž z boku

strana

47


7.6

7.6 Závěr kapitoly Za použití normy ČSN 27 0103 bylo zjištěno působení větru na ocelovou konstrukci věže. Do následujícího řešení budou přebrány hodnoty velikostí sil na jednotlivé segmenty věže z přední strany, z boční strany a také ve směru úhlopříčky. Tyto hodnoty budou figurovat jako část vstupních hodnot zatížení pro program Ansys.

7.6.1

7.6.1 Velikosti sil působících na segmenty 1462,67 1446,25 1411,87 1362,13 pak

1,2. kde: F1P F1B F2P F2B F3P F3B

strana

48

[N] [N] [N] [N] [N] [N]

,

1462,67 1411,87 1362,13 4236,66 1446,25 1411,87 1362,13 4220,24 1,2. 1,2 4236,66 5084,00

- síla působící na první segment věže zepředu - síla působící na první segment věže z boku - síla působící na druhý segment věže zepředu - síla působící na druhý segment věže z boku - síla působící na třetí segment věže zepředu - síla působící na třetí segment věže z boku

Přívěs

8 PŘÍVĚS

8

8.1 Konstrukce přívěsu

8.1

Přívěs je tvořen svařovanou rámovou konstrukcí z tenkostěnných uzavřených profilů, které podléhají normě EN 10219. Profily jsou na trhu k dispozici v délkách 6m a 12m. Do finálního tvaru je potřeba profily upravit dle výkresové dokumentace. 8.1.1 Části přívěsu Základní rám podvozku je tvořen dvěma bočnicemi a několika příčnými výztuhami, které bočnice spojují. Základ bočnic tvoří obdelníkový tenkostěnný uzavřený profil, ze kterého je v přední části vyříznut trojúhelníkový segment. Konce bočnic jsou přihnuty do středu vozíku. Úprava bočnice podvozku je zobrazena na obr. 8-1. Po přihnutí konců dojde ke spojení nově vzniklých ploch svařením. Jedná se o běžný, v průmyslové praxi, používaný postup. Tento postup je výrobci přívěsů využíván proto, aby došlo v místě ohybu ke zvýšení tuhosti konstrukce.

8.1.1

Obr. 8-1 Úprava bočnice podvozku

V přední části přívěsu se nachází oje, které je opět pomocí svarů připevněno k základnímu rámu přívěsu. Oje je opatřeno spojovacím zařízením, které umožňuje za pomoci tažného zařízení umístěného na automobilu spojit automobil s přívěsem. K oji je šrouby také připevněno opěrné kolečko. To usnadňuje manipulaci s vozíkem ve chvíli, kdy chce uživatel připojit přívěs na tažné zařízení u automobilu. Po ustavení přívěsu se uvolní čelisti svírající tělo kolečka a dojde k jeho vytažení směrem vzhůru. Tímto se zabrání kontaktu kolečka s povrchem vozovky v době, kdy je vozidlo i přívěs v pohybu. V současné době jsou na trhu k dispozici i kolečka, která mohou zůstat za jistých podmínek v kontaktu s vozovkou i při pohybu automobilu a přívěsu. Bylo nutné dodržet pravidlo, které říká, že není přípustné zhotovovat do základního rámu přívěsu otvory v prostoru mezi spojovacím zařízením a nápravou. Proto i pro připevnění kolečka byl na konstrukci přivařen speciálně profil, který souží pouze k připevnění kolečka na konstrukci přívěsu. Oje včetně příslušenství je zobrazeno na obr. 8-2.

strana

49

Přívěs

Základní rám přívěsu je v přední části opatřen zakládacími patkami. Tyto patky slouží k založení příčné výztuhy. Funkce této výztuhy spočívá v zabránění sklopení věže z polohy vertikální do polohy horizontální. Po překlopení věže z jedné polohy do druhé dojde k založení výztuhy a tak k zajištění polohy věže. Po založení výztuhy není potřeba udržovat lano starající se o vztyčení věže napnuté. Zakládací patky nejsou svařeny v jednolitý celek opět z důvodu zabránění kumulace např. dešťové vody a vzniku korozního prostředí. Samotná výztuha je pak zajištěna dvojicí čepů, které přesně fixují její polohu. Pojištění čepů bylo provedeno pomocí zdvojených pružinových závlaček. Řešení výztuhy je zobrazeno na obr. 8-3.

Obr. 8-2 Oje přívěsu včetně příslušenství

V prostřední části základního rámu přívěsu se nachází portál pro upevnění věže. Jedná se o soustavu několika svařených ocelových profilů, na jejichž horní části je připravena plocha pro uchycení ložiskových těles. Pomocí ložiskových těles je věž otočně spojena s přívěsem. Profily jsou orientovány tak, aby po vztyčení věže došlo k rozdělení sil do jednotlivých směrů a došlo tak i k rozdělení zatížení. Z rozboru sil, kterými bude zatěžováno ložiskové těleso, je patrno, že při změně polohy věže bude dominantně zatížena šikmá výztuha, která vede od ložiskového tělesa směrem k zadní části přívěsu. Portál včetně ložiskového tělesa a věže je zobrazen na obr. 8-4.

Obr. 8-3 Zajištění polohy věže

strana

50

Přívěs

Pod výše zmiňovaným portálem se nachází systém tří kladek, které mají za úkol přesné navedení lana, obstarávajícího natáčení věže do vertikální polohy, na buben navijáku. Kladky byly navrženy dle příslušné normy tak, aby při několikanásobném ohybu lana nedošlo k jeho poškození. Jedna z kladek je opatřena bočnicemi, které slouží k přesnému navedení lana na kladku. Na obr. 8-4 je zobrazena soustava kladek včetně lana, které je navedeno na buben navijáku.

Obr. 8-4 Portál pro upevnění věže

Zadní část přívěsu je opatřena podpěrou. Tato podpěra má za úkol udržovat věž v horizontální poloze. V této poloze je stavěcí lano povoleno a celá váha věže spočívá na čepech v ložiskových tělesech a na zmiňované podpěře. Způsob, jakým je věž při transportu podepřena, je zobrazen na obr. 3-4.

8.2 Úložné uzamykatelné prostory

8.2

Přívěs je opatřen dvojicí uzamykatelných skříní. Ocelová skříň byla navržena jako svařovaná plechová konstrukce. Obě skříně jsou opatřeny antikorozním nátěrem. Do vnitřních prostor skříně bylo umístěno pryžové těsnění, které má zabránit vnikání nečistot a vlhkosti. Dvířka jsou opatřena nerezovým zámkem s typizovaným klíčem, pomocí něhož je možno uzamknout skříně a zabránit tak zcizení jejich obsahu. Ve skříních se může nacházet vybavení potřebné pro provoz mobilní věže. Vybavením skříní by se mohly např. stát zakládací klíny pod kola přívěsu, plastové desky pod výsuvné nohy, kotvící lana včetně příslušenství, jednoduché ruční nástroje pro údržbu věže atd. Ocelové skříně jsou k rámu přívěsu přivařeny. Umístění skříní na přívěsu je zachyceno na obr. 8-5 a obr. 8-10.

strana

51

Přívěs

Obr. 8-5 Zadní podpěra a uzamykatelné prostory 8.3

8.3 Ochrana rámu přívěsu proti korozi Při návrhu přívěsu je potřeba věnovat pozornost ochraně konstrukce proti korozi. Nabízí se hned několik způsobů protikorozní ochrany rámu přívěsu.

8.3.1

8.3.1 Žárové zinkování Jednou z velmi častých úprav povrchu profilů, ze kterých jsou vyráběny přívěsy na současném trhu, je žárové zinkování. Mezi nesporné výhody této metody spadá dlouhá životnost povlaku. Norma ČSN EN ISO 14713 udává úbytky zinkové vrstvy v závislosti na korozním prostředí. Pro klimatické prostředí České republiky je udáván roční úbytek zinkové vrstvy 0,002mm za rok. Žárové zinkování se dá velmi snadno použít ve výrobě kontinuální i v kusové výrobě.

Obr. 8-6 Řez povlakem vytvořeným při žárovém zinkování [22]

strana

52

Přívěs

Výhodou je nanesení zinkového povlaku v jeden okamžik na všechny plochy, které přijdou do kontaktu s lázní. Nesporná je také výborná přilnavost zinku na kovově čisté povrchy při vnoření součásti do lázně. Ochranná vrstva vykazuje také velmi dobré mechanické vlastnosti a odolnost proti porušení povlaku i proti otěru. Samotný zinek je dosti měkký, nicméně rozhraní mezi čistým zinkem a podkladovým materiálem je dostatečně tvrdé, aby zabránilo již zmíněnému otěru vrstvy nebo případnému proražení. [14] 8.3.2 Antikorozní nátěry Dalším, v průmyslové praxi velmi častým, způsobem ochrany kovových povrchů před vznikem koroze jsou antikorozní nátěry. Jejich problematikou se v současné době zabývá velké množství firem. Skupiny těchto nátěrů se dělí na základní nátěr, vrchní barvy a jednovrstvé nátěry. Základní nátěr je určen k přímému nanesení na kovovou součást. Vrchní barva je určena pro nanášení na základní nátěr, který zprostředkuje přechod při spojení vrstvy vrchní barvy a plochy ošetřované součásti. Jednovrstvé nátěry v sobě spojují vlastnosti jak základních nátěrů, tak i vrchní barvy. Výrobce udává, že pro ochranu součásti před korozním prostředím je postačující provést nanesení jedné až dvou vrstev nátěru na požadované plochy. Při instalaci ošetřovaného prvku do extrémně korozního prostředí je nutné dle výrobce nátěry opakovat vícekrát.

8.3.2

8.4 Náprava přívěsu

8.4

Na trhu se vyskytuje několik druhů náprav pro přívěsné vozíky. Jednotlivé nápravy se liší konstrukcí, způsobem tlumení a odpružení atd. Pro řešení zadaného problému byla jako nevhodnější zvolena náprava s pryžovými tlumícími členy. V porovnání s ostatními druhy se jedná o nápravu konstrukčně jednoduchou s nenáročnou údržbou a příznivou hmotností.

Obr. 8-7 Osa s pryžovými tlumícími členy [11]

Náprava vozíku je v návrhu zahrnuta jako nakupovaný díl. V současné době se na trhu vyskytují nápravy o nosnosti od 750kg do 1800kg na jednu nápravu. V případě

strana

53

Přívěs

nutnosti přepravy těžších břemen je možno opatřit vozík tandemovými nápravami. Touto operací je dosaženo zvětšení nosnosti vozíku. Pro řešený přívěs byla navržena nebrzděná náprava s nosností do 750kg. 8.4.1

8.4.1 Vzhled a jednotlivé součásti nápravy Jednou z částí nápravy je šestiúhelníkový plášť, který je opatřen patkami pro připevnění nápravy k rámu přívěsu. Rozteče děr pro připojení nápravy k rámu jsou odstupňovány v řadách od 750mm do 1600mm po několika desítkách milimetrů. Ve vnějším šestiúhelníkovém plášti se nachází vnitřní kovová část nápravy. Její tvar je přibližně trojúhelníkový s tím, že jednotlivé spojnice vrcholů trojúhelníku jsou propadlé směrem dovnitř. Také vrcholy tohoto trojúhelníkového členu jsou zaoblené. Ve vnějším plášti nápravy se tyto trojúhelníkové prvky vyskytují dva, na každý z těchto prvků jsou pevně přichycena ramena a bubny pro kola. Prostor mezi vnějším pláštěm a vnitřním trojúhelníkovým prvkem je vyplněn třemi pryžovými válci, které jsou nataženy vždy do poloviny nápravy. Tímto výrobce zajistil nezávislé odpružení každého kola. Výrobce také udává tři základní polohy natočení ramene. V případě, kdy není vozík zatížen nákladem, by mělo být rameno skloněno o 25° směrem dolů vzhledem k vodorovné rovině. Při plném zatížení vozíku nákladem se nachází osa ve vodorovné pozici. Horní mezní hodnota odklonu osy od vodorovné roviny, tentokrát směrem vzhůru, o 20° reprezentuje situaci, kdy plně naložený vozík překovává terénní nerovnost. Jednotlivé polohy ramene, jak byly popsány, jsou zobrazeny na obr. 8-8.

Obr. 8-8 Průřez osou při různých pracovních stavech [11] 8.4.2

8.4.2 Systém tlumení a odpružení nápravy Aby při přepravě užitečného nákladu umístěného na přívěsném vozíku nedocházelo po čas přepravy k přenášení rázů z kol do celé soustavy, auto a přívěsný vozík, je náprava vozíku tlumena. Funkci tlumiče, ale zároveň i pružiny vykonávají v nápravách, které jsou v současné době distribuovány na trhu, pryžové válce. Tyto válce se, jak z předchozího popisu vyplývá, nacházejí v prostorách mezi vnějším ocelovým pláštěm a trojúhelníkovým ocelovým jádrem. Při najetí kola na terénní

strana

54

Přívěs

nerovnost je náraz přes rameno a ocelové jádro přenesen do nápravy. Zde dojde k pootočení jádra a ke stlačení pružných pryžových členů. Je využito poznatku, že pryž nepodléhá plastické deformaci a po odlehčení zatížení je schopna se vrátit do původního stavu a tvaru. Energie, která je přenesena od kola do nápravy při překonávání překážky, disipuje v pryžových válcích a je využita na jejich deformaci. Tímto mechanismem je zajištěno zatlumení rázů přenášených od kol. Stlačená pryž má samozřejmě tendenci vrátit se do původního stavu i tvaru a tak dochází k odpružení kol vozíku. Tímto je zajištěn dostatečný přítlak kola na vozovku a je tak zamezeno jeho odskočení od vozovky. 8.4.3 Umístění nápravy na přívěsu Umístění nápravy představoval další problém, který musel být vyřešen. Výrobce tažných zařízení garantuje funkčnost svých produktů až do zátěže 100kg. Je proto nutné umístit nápravu přívěsu tak, aby nemohlo dojít k situaci, kdy tažné zařízení bude namáháno větší silou, než jaká je výrobcem stanovena. Řešením je umístit nápravu do blízkosti těžiště celé konstrukce a tak drtivou většinu zatížení přenést na nápravu. Náprava je umístěna mírně za těžištěm tak, aby nemohlo dojít při najetí přívěsu na terénní nerovnost k nadzdvihnutí zadní nápravy automobilu. V současné době je možné využívat funkce 3D parametrických modelářů, které jsou schopny při zadaných materiálových charakteristikách vypočítat velmi přesně polohu těžiště konstrukce. Bylo tedy potřeba po celou dobu vytváření konstrukce pamatovat na to, aby každému prvku byla přiřazena hustota. Výstupem je pak poloha těžiště v zadaném souřadnicovém systému. Po zjištění informací o poloze těžiště byla osa umístěna ve vzdálenosti 3340mm od čela oje. Poloha osy na přívěsu viz obr. 8-4.

8.4.3

8.5 Osvětlení a elektroinstalace

8.5

Pro osvětlení přívěsu byla použita v zadní části sdružená světla, jimž vyhláška předepisuje minimální výšku nad vozovkou 400mm. Ze signalizačních zařízení je přívěs v přední části vybaven dvojicí bílých odrazek kruhového tvaru. Výška umístění předních odrazek je totožná s výškou umístění sdružených světel. Poslední signalizační prvky na přívěsu tvoří postranní oranžové odrazky, které jsou po délce přívěsu pravidelně rozmístěny. Rozložení jednotlivých světel je patrno z obr. 8-9. Osvětlení bylo navrženo dle vyhlášky FMD č. 90/1975 Sb.

Obr. 8-9 Rozložení světel v zadní části přívěsu strana

55

Přívěs

Elektroinstalace přívěsu je tvořena sedmi pólovou zástrčkou a příslušnou kabeláží. Zástrčka včetně kabeláže se řadí mezi nakupované součásti. Vedení a připevnění kabeláže k přívěsu je patrno z obr. 8-11.

Obr. 8-10 Vedení kabelů ke světlům

Obr. 8-11 Připevnění kabeláže k přívěsu 8.6

8.6 Závěr kapitoly V kapitole byla shrnuta konstrukce přívěsu včetně aspektů, na které byl při vytváření konstrukce přívěsu kladen důraz např. odolnost konstrukce proti korozi, dostatečná tuhost rámu přívěsu atd. Rám přívěsu je tvořen svařenými tenkostěnnými profily, jejichž povrch byl upraven tak, aby tyto profily odolávaly korozi. Přívěs je opatřen portálem pro upevnění věže i systémem kladek, jimiž je vedeno lano, které se stará o natáčení věže z horizontální do vertikální polohy a obráceně. Dalšími prvky přívěsu jsou zařízení pro stabilizaci polohy věže ve vztyčené poloze. Přívěs je opatřen úložnými uzamykatelnými prostory, ve kterých je možno uschovat potřebné nářadí. Hmotnost přívěsu bez nápravy činí 360 . Přívěs je také opatřen osvětlením a signalizačními prvky dle vyhlášky FMD č. 90/1975 Sb. a příslušnou kabeláží

strana

56

Rozšíření základny mobilní věže

9 ROZŠÍŘENÍ ZÁKLADNY MOBILNÍ VĚŽE

9

Rozšíření základny mobilní věže představuje jeden ze způsobů, jakým je v projektu zajištěna stabilita celé konstrukce při provozu. Rozšíření základny je realizováno pomocí výsuvných noh, které jsou umístěny na otočných nebo výsuvných ramenech. Akční rádius výsuvných noh je zobrazen na obr. 9-1.

Obr. 9-1 Akční rádius výsuvných noh

Výsuvné nohy fungují na jednoduchém principu. Klika je spojena se samosvorným šroubem. Šroub je otočně spojen s vnějším pláštěm výsuvné nohy. K vnitřnímu plášti je přivařena matice. Spodní část výsuvné nohy je opatřena dosedací plochou, která se zapře do podloží. Při otáčení klikou dochází k posouvání matice a tím i k vysouvání nohy.

9.1 Přední vysouvací nohy

9.1

Výsuvné nohy jsou v přední části přívěsu umístěny na otočných ramenech. Materiál výsuvných noh umožňuje jejich přímé navaření k otočným ramenům. Ramena v přední části jsou ke konstrukci přívěsu otočně připevněna pomocí čepu, který je zajištěn závlačkou. Situace je zobrazena na obr. 9-2. 9.1.1 Zajištění předních otočných ramen Při natočení předních ramen do požadované pozice je nutné, aby ve chvíli, kdy celá váha zařízení spočívá na těchto nohách, nedošlo k jejich dalšímu pootočení v čepech. Je proto potřeba otočné nohy v požadované poloze zajistit tak, aby se už nemohly pohnout. Bylo přijato řešení, které pracuje na obdobném principu jako Hirthovy kroužky. Hirthovy kroužky se používají u obráběcích strojů. Jde o dva ocelové kroužky, na nichž je vyrobeno ozubení. Ozubení však není vyrobeno po obvodu jako např. u ozubených kol, ale na plochých částech kroužku. Pokud se takto dva opracované kroužky přiloží k sobě, ozubení do sebe navzájem zapadne a dojde tak k zajištění otočené polohy např. nástrojové hlavy u revolverových soustruhů. Hotové Hirthovy

9.1.1

strana

57


kroužky jsou velmi nákladná záležitost, vzhledem k požadavkům na přesnost a povrchovou úpravu zubů, a proto v konstrukci bude použita pouze obdoba těchto prvků. Situace je zobrazena na obr. 9-2.

Obr. 9-2 Zajištění předních otočných ramen

Při natočení ramen do požadované polohy dojde k vysunutí výsuvných noh. V okamžiku, kdy bude konstrukce věže nadzvedávána, dojde k zaklesnutí ozubení na kroužcích a tak bude zamezeno dalšímu natočení ramene, až do okamžiku, kdy bude otočné rameno opět odlehčeno. 9.2

9.2 Zadní vysouvací nohy Zadní nohy se také podílejí na zajištění stability konstrukce. Manipulace s těmito nohami je ale řešena jinak. Zadní vysouvací nohy jsou přivařeny k ramenům, která se dají vysunout ze zadní části přívěsu, konkrétně z hlavních dílů základního rámu přívěsu. Umístění noh na vozíku je vyobrazeno na obr. 9-5.

9.2.1

9.2.1 Zajištění zadních výsuvných ramen Zajištění zadních noh je provedeno pomocí pružinových pístků. Byly použity pružinové pístky od firmy ELESA+GANTER CZ s.r.o., s typovým označením GN 618, které jsou vhodné k přivaření na ocelové konstrukce. Princip funkce pístku je jednoduchý. V základním rámu přívěsu je zhotoven otvor. Do tohoto otvoru se umístí pístek a dojde k přivaření pláště pístku k rámu přívěsu. Rameno nohy je umístěno uvnitř rámu a je opařeno několika otvory ve výšce, ve které se nachází konec pístku. Pokud chce uživatel nastavit rameno do požadované polohy, stačí pístek povytáhnout zatažením za plastovou hlavici. Po nastavení požadované délky vysunutí ramene obsluha pístek uvolní. Tento pak zapadne do otvoru ve výsuvném rameni a poloha je zajištěna. Názorně je pak celá situace vyobrazena na obr. 9-4.

strana

58


Obr. 9-3 Pozice zadních výsuvných noh

Obr. 9-4 Zajištění zadních výsuvných ramen

9.3 Závěr kapitoly

9.3

Dalším konstrukčním prvkem podílejícím se na zlepšení stability konstrukce jsou výsuvné nohy. Tyto jsou umístěny na otočných, popřípadě výsuvných ramenech. Výsuvné nohy pracují na jednoduchém principu posuvového samosvorného šroubu. Při návrhu byl také řešen problém zajištění ať už výsuvných, nebo otočných ramen. U otočných ramen bylo nalezeno řešení v podobě obdoby Hirthových kroužků. Výsuvná ramena jsou zajištěna pružinovými pístky.

strana

59

Lana použitá na konstrukci mobilní věže

10

10 LANA POUŽITÁ NA KONSTRUKCI MOBILNÍ VĚŽE Vzhledem k požadavku nízké hmotnosti celé konstrukce byla pro manipulaci s věží zvolena ocelová lana. Při manipulaci s věží jsou použity dva typy lan. Jedno je použito na její vztyčení z horizontální do vertikální polohy a druhým je zajištěno teleskopické vysouvání. Další druh ocelového lana je použit na ukotvení věže k podloží.

10.1

10.1 Lano použité pro vztyčení věže Volba lana pro vztyčení věže byla ovlivněna doporučením výrobce ručního navijáku, na který se příslušné lano navíjí. V katalogu je uvedeno více navijáků, které jsou odstupňované podle nosnosti, a pro každý typ navijáku je výrobcem stanoven vhodný průměr lana. Navržený naviják je možno pořídit i s lanem. Pro popsanou funkci byl navržen naviják od firmy Pfaff s typovým označením 0253000. 10 . Pro tento je doporučen průměr lana

10.2

10.2 Lano použité pro vysouvání věže Volba lana pro vysouvání věže byla opět řízena doporučením výrobce použitého navijáku. Pro zvolený naviják s typovým označením 0242004 o nosnosti do 250kg je doporučeno lano o průměru 5 . Stejného průměru bylo použito i u druhého lana, které obstarává vysouvání věže a není vedeno přímo na buben navijáku. Rozbor umístění lan ve věži je proveden v kapitole 4.2.2.

10.3

10.3 Kotvicí lana Pro kotvicí lana není možno přímo stanovit průměr lan, protože není známa velikost maximální síly, kterou budou lana namáhána. Známé je pouze zatížení věže větrem, které se částečně přenese do kotvicích lan. U návrhu je proto nutné postupovat iteračním způsobem. Tento způsob spočívá v navržení lana určitého typu a průměru. Toto je pak zaneseno do výpočtu v konečnoprvkovém programu Ansys. Po vyřešení problému je možno vyjádřit síly zatěžující kotvicí lana a zpětně ověřit jestli tyto síly jsou menší než minimální síla při přetržení lana. Pokud lano nevyhovuje, je potřeba upravit vstupní podmínky výpočtu a provést celý cyklus znova. Pro kotvení byla navržena lana 6 x 7 – FC, pevnostní třídy 1770 o průměru 6 . Po zjištění velikosti sil namáhajících lana bude možno vyjádřit bezpečnost vzhledem k přetržení ocelového lana. Hodnota minimální síly při přetržení lana je přebrána z normy ČSN EN 12385-4 „Ocelová a drátěná lana – bezpečnost“. [5] Ověření vhodnosti navržených lan je provedeno v kapitole 15.5.

strana

60

Kotvení

11 KOTVENÍ

11

Kotvení je prostředek, pomocí něhož by mělo dojít k zabránění nepřípustnému vychýlení věže z ideální vertikální pozice při poryvech větru. Součástí kotvicího zařízení jsou kotvicí lana, prostředky určené pro napínání lan a kotevní systémy zaručující spojení kotevních lan s různými typy podloží. Při řešení diplomové práce byly uvažovány dva typy podloží, a to podloží měkké a pevné.

11.1 Zatížení kotvení

11.1

Zatížení jednotlivých kotev bylo přebráno z výpočtů, které byly provedeny v programu Ansys. Po vypočtení všech tří variant zatížení byly vybrány koncové uzly kotvicích lan, které simulovaly kotvicí body. Pomocí příkazu PRRSOL byly získány hodnoty reakčních sil pro jednotlivé kotvicí body. Tyto síly byly rozepsány do složek v osách x, y a z. Rozmístění kotvicích bodů v prostoru včetně zavedeného souřadnicového systému je zobrazeno na obr. 11-1.

Obr. 11-1 Rozmístění kotevních bodů

Výpočtem byla získána soustava sil, ze které bylo nutné vybrat tu, která nejvíce zatěžuje kotvicí bod. Bylo proto potřeba najít hodnotící kritérium, dle kterého by se dalo označit namáhání konkrétní kotvy jako to nejméně příznivé. Jako kritérium byl nakonec zvolen vektorový součet jednotlivých složek pro daný směr i kotvu. V tab. 11-1 jsou uvedeny upravené hodnoty sil z programu Ansys. Úpravou je zde myšleno přepsání znamének u sil ve směru jednotlivých os tak, aby se ze sil reakčních staly síly zatěžující. Je patrno, že největší zatížení kotvicích bodů je při zátěžném stavu č. 3 na kotvě č. 1. Touto hodnotou se bude řídit návrh kotvení pro mobilní věž.

strana

61

Kotvení

Tab. 11-1 Zatížení kotvicích bodů

směr působení větru zepředu zátěžný stav č. 1 z boku zátěžný stav č. 2 ve směru úhlopříčky zátěžný stav č. 3 11.2

kotva č. 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

složka síly ve směru osy X [N] -825,2 810,7 0 0 -808,6 -15,5 -15,5 -818,7 -1 432,7 -13,2 -13,2 -13,2

složka síly ve směru osy Y [N] -840,7 -826,2 -15,5 -15,5 -793,2 0 0 803,2 -1 432,7 -13,2 -13,2 -13,2

složka síly ve směru osy Z [N] 2 466,6 2 423,0 -13,3 -13,3 2 370,4 -13,3 -13,3 2 400,6 4 252,8 -13,3 13,3 13,3

vektorový součet složek [N] 2 733,5 2 685,3 20,4 20,4 2 627,1 20,4 20,4 2 660,5 4 710,8 22,9 22,9 22,9

11.2 Kotvení do měkkého podloží Reprezentantem měkkého podloží je například zemina. Jedná se o systém, jehož mechanické vlastnosti se značně mění se změnou počasí. Proto i kotvení do takto nestálého podloží s sebou nese jisté obtíže. Dalším limitujícím faktorem je skutečnost, že kotvené zařízení je uváděno jako mobilní, nikoli jako stacionární. Proto i technika kotvení se musí přizpůsobit požadavku mobility. Z technické praxe je znám způsob kotvení do zeminy. Do země je vpraven betonový pilot, nebo je zhotoven v zemi betonový základ a k tomuto je pak kotveno. Nicméně ani jeden z těchto příkladů nevyhovuje zadanému požadavku mobility. Je proto třeba hledat jiné řešení. Navrženým řešením je ocelový kotvicí kolík o dostatečné délce, který by byl na jednom konci opatřen okem, k němuž by se připevnilo kotvicí lano, viz obr. 11-2. Druhý konec kotvicího kolíku by byl zahrocen, aby zlepšil pronikání kolíku zeminou a tím snížil i sílu potřebnou k zapuštění kolíku v zemině. Pro dostatečné nadimenzování kotvy je potřeba provést měření, jejichž výsledky by demonstrovaly únosnost navržené kotvy při změně mechanických vlastností měkkého podloží.

Obr. 11-2 Kotva do měkkého podloží

strana

62

Kotvení

11.3 Kotvení do pevného podloží

11.3

Mezi pevná podloží se řadí např. beton, asfalt, různé typy dlaždic, popřípadě kámen. Je zřejmé, že do těchto typů podloží bude kotvení probíhat jinak za použití jiných prostředků než při kotvení do měkkého podloží. Zachována zůstanou kotvicí lana i napínací prostředky, kterými se v lanech vyvodí potřebné předpětí a také prvky, jimiž se spojí konec lana s věží. Oko na opačném konci lana bude prostřednictvím karabiny přichyceno ke kotvicí patce. Ta bude opatřena otvory, kterými budou procházet kotvicí prvky, a tyto se s patkou spojí pomocí matic. Počet potřebných kotvicích prvků se bude lišit podle toho, na jakém principu bude kotvicí prvek fungovat a od jakého výrobce bude pocházet. Jednotliví výrobci používají různé materiály, a proto také zveřejňují různé hodnoty dovoleného maximálního zatížení kotvicího prvku. V současné době, kdy internet tvoří nedílnou součást podnikání firem, tyto na svých webových stránkách nabízejí vlastní programy řešící problematiku kotvení za použití sortimentu, který daná firma nabízí. Uživatel takového programu je pouze vyzván k tomu, aby v programu zadal okrajové podmínky, jakými jsou například velikosti zátěžných sil, materiál podkladu, pórovitost podkladu, rozmístění a množství kotvicích prvků atd. Po spuštění a dokončení výpočtu je zákazník informován o tom, jaké rozměry kotvicích prvků by měl použít. Po prozkoumání trhu zabývajícím se kotvením do pevného podloží je zřejmé, že nejčastějším způsobem je kotvení mechanické a kotvení chemické. 11.3.1 Mechanické kotvení Jak už je z názvu patrno, zajištění kotvy v podloží je provedeno mechanicky. Způsobů provedení mechanických kotev existuje nepřeberné množství, stejně tak jako jejich tvarů, rozměrů i výrobců. Princip mechanického kotvení se převážně zakládá na vpravení kotvy do předem zhotoveného otvoru v podkladu a v následném rozepření popřípadě vzpříčení některých částí kotvy. Únosnost takových spojení je velmi vysoká a je limitována převážně kvalitou podloží, ve kterém je kotva zapuštěna. Při vpravení kotvy do nekvalitního podloží je možné uvolnění a následné vytržení i s kusem podloží.

11.3.1

Obr. 11-3 Mechanická kotva HILTI [20] strana

63

Kotvení

Mechanická kotva se skládá z několika částí. Jádro kotvy je tvořeno ocelovým trnem na jednom konci opatřeném kuželovým rozšířením a na druhém konci závitem. Kolem ocelového trnu se nachází plášť, který je ve spodní části na několika místech naříznut. Dále je v sadě přiložena pružná vydutá podložka, která zabraňuje samovolnému povolení šroubového spoje, a matice. Při dotahování matice momentovým klíčem dojde k tomu, že kuželový konec ocelového trnu vějířovitě roztáhne spodní konec pláště, který takto zajistí kotvu proti vytažení. Instalace mechanické kotvy Instalace mechanické kotvy se provádí v několika krocích. Aby nedošlo k uvolnění kotvy, je potřeba se řídit doporučením výrobce. 1. Nejdříve je nutné v podkladovém materiálu zhotovit otvor. Vzhledem ke specifickým rozměrům kotvy je potřeba použít vrtáky doporučené výrobcem. Mělo by se tak zabránit přílišné vůli, která by mohla vzniknout mezi kotvou a podkladovým materiálem. Dále je pak potřeba dodržet doporučenou hloubku vrtání. 2. Po vyvrtání otvoru o rozměrech stanovených výrobcem je nutné zbavit díru všech nečistot, aby bylo možno kotvu zasunout až na dno. Čištění po vrtání se většinou provádí stlačeným vzduchem. 3. V dalším kroku proběhne osazení kotvy. Ta se pomocí usazovacího nástroje vpraví do otvoru zhotoveného v podloží. 4. Závěrečnou operací instalace kotvy je její aktivace. Část těla kotvy vyčnívá nad povrch spolu se závitem. Přes vyčnívající část se převleče kotvicí patka, dojde k nasazení podložky s maticí a utažení pomocí momentového klíče. Výrobce u každého druhu uvádí utahovací moment pro aktivaci kotvy. Při aktivaci dojde ke vtažení vnitřní části kotvy směrem vzhůru. Kuželové osazení trnu rozevře plášť kotvy a zajistí pevné uchycení v podloží. Návrh mechanické kotvy Pro tento případ byla zvolena mechanická kotva od firmy HILTI s.r.o. s typovým označením HSL – G. Pro návrh byl použit firmou distribuovaný program PROFIS Anchor 1.9.0 určený přímo pro výpočet mechanického kotvení. Veličiny vstupující do výpočtu kotva: HSL – 3 – G – M8 1 432,7 4 252,8 kotvení do trhlinového betonu V příloze č. 7 je umístěn výstupní protokol k navrženému mechanickému kotvení.

strana

64

Kotvení

Obr. 11-4 Prostředí programu PROFIS Anchor 1.9.0

11.3.2 Chemické kotvení Chemické kotvení reprezentuje další průmyslově užívaný kotvicí systém. Připevnění k podloží je zajištěno chemickou reakcí. Jako spojovací materiál, který vyplní prostor mezi kotvou a podložím, slouží pryskyřice. Ta je rozdělena do dvou složek. Sypká složka je uložena v malé skleněné ampuli. Tato se pak nachází uvnitř větší skleněné ampule a prostor mezi nimi je vyplněn druhou, tentokrát už tekutou složkou pryskyřice. Takto oddělené složky se v ampuli vsunou do vyvrtané díry. Při zasouvání ocelové kotvy dojde k destrukci ampulí a k promíchání jejich obsahů. Po smíchání složek proběhne chemická reakce, která má za následek vytvrzení pryskyřice kolem kotvy. Skleněné střepy vzniklé destrukcí ampule slouží jako výplň. Chemickou kotvu není možno zatížit hned po instalaci. Je třeba jistý čas ponechat kotvu bez zatížení tak, aby došlo k vytvrzení v celém objemu pryskyřice. Doba potřebná pro vytvrzení závisí na několika faktorech, k nimž se řadí např. okolní teplota nebo vlhkost. Při snížené teplotě, nebo naopak zvýšené vlhkosti dochází k prodloužení doby potřebné k vytvrzení. Samotná kotva je galvanicky pozinkována nebo je vyrobena z nerezové oceli. Mezi výhody použití chemické kotvy bezesporu patří skutečnost, že po instalaci v jejím okolí nepůsobí rozpěrný tlak jako u kotvení mechanického. Je proto možno zmenšit vzdálenosti mezi kotvami při použití více kotev. Také minimální vzdálenost kotvy od okraje podloží je menší než u kotev mechanických.

11.3.2

strana

65

Kotvení

Instalace chemické kotvy Instalaci chemické kotvy lze také rozdělit na několik kroků, které musí být z hlediska bezpečné a kvalitní montáže kotvy dodrženy.

Obr. 11-5 Instalace chemické kotvy [21]

1. Obdobně jako u kotvy mechanické je potřeba vytvořit do podloží, ke kterému bude kotveno, díru. Je nutné zhotovit otvor o požadované velikosti. Pokud by byla díra pro kotvu příliš malá, mohly by se vyskytnout problémy při její instalaci. V případě otvoru o větším průměru, než udává výrobce, by mohlo dojít k tomu, že pryskyřice nevyplní celý prostor kolem kotvy. 2. Po vrtání je potřeba odstranit veškeré nečistoty. Pryskyřice se do díry se vpravuje ve skleněných ampulích a při ponechání hrubých nečistot v díře by mohlo dojít při instalaci ampule k jejímu předčasnému proražení a vytečení obsahu. Prachové částice se odstraňují proto, aby při nyní už úmyslném proražení ampule, se pryskyřice navázala na materiál podloží, nikoli na prachový film, který se při vrtání vytvoří na stěnách díry. 3. Instalování ampule s pryskyřicí. 4. Instalace kotvy spočívá v zasunutí kotvy do předem vyvrtané díry. Při zasouvání dojde k destrukci skleněných ampulí a ke smíchání obou složek pryskyřice. V okamžiku, kdy dojde ke sloučení složek, nastane chemická reakce, a dojde k vytvrzení pryskyřice. Střepy vzniklé destrukcí obou ampulí poslouží jako výplň v prostoru mezi kotvou a podložím. 5. Po instalaci kotvy je potřeba očistit okolí a odstranit případné výronky pryskyřice dříve, než dojde k jejímu úplnému vytvrzení. Tato operace zajistí, aby kotvicí patka dosedla při instalaci přímo na podloží. 6. Instalace kotevní patky představuje poslední operaci. Patka se osadí na předem zabudované kotvy a pomocí momentového klíče se připevní k podloží.

strana

66

Kotvení

Návrh chemické kotvy Pro chemické kotvení byla vybrána kotva od firmy Fischer GmbH s typovým označením FHB. Pro navržení chemického kotvení byl využit program Compufix 7.3, který je distribuován firmou Fischer a určen pro výpočet chemických kotev.

Obr. 11-6 Prostředí programu Compufix 7.3

Veličiny vstupující do výpočtu Kotva: FHB dyn 12 x 100 / 25 1 432,7 4 252,8 kotvení do trhlinového betonu V příloze č. 8 je umístěn výstupní protokol k navrženému chemickému kotvení.

11.4 Návrh spojení kotvicí patky s kotvicím lanem

11.4

Vzhledem k tomu, že mezi kotvicí patkou a kotvicí lano se vřadí mezičlen, jehož úlohou bude vypnout kotevní lano, jeví se jako nejvýhodnější spojení jednotlivých členů pomocí C karabin. Jedná se o standardně dodávané prvky o dostačující únosnosti dostupné na domácím trhu vyráběné převážně z nerezové oceli. Návrh spojení kotvicí patky a kotvicího lana je vyobrazen na obr. 11-7. Napínání lana je řešeno napínacím šroubem, který se sestává z těla a dvou ok se závity. Při otáčení tělem šroubu dochází k přibližování nebo oddalování středů ok a tím i k napínání nebo povolování kotvicích lan.

strana

67

Kotvení

Obr. 11-7 Propojení kotevního lana a kotvicí patky 11.5

11.5 Závěr kapitoly Při návrhu způsobu kotvení byly uvažovány dva typy podloží. Výsledkem detailního rozboru kotvení do pevného podloží je návrh chemické a mechanické kotvy včetně výstupních protokolů umístěných v příloze. Mezi kotvicí patku a lano byl vložen člen starající se, v jistém rozsahu, o vypnutí kotvicího lana.

strana

68

Využití metody konečných prvků při řešení zadaného problému

12 VYUŽITÍ METODY KONEČNÝCH PRVKŮ PŘI ŘEŠENÍ ZADANÉHO PROBLÉMU

12

Součástí diplomové práce mimo návrhu konstrukce mobilní věže pro větrnou elektrárnu je i kontrolní výpočet zvolených součástí. Pro splnění tohoto bodu zadání bylo využito metody konečných prvků. Zrod metody konečných prvků je možno datovat do období čtyřicátých let dvacátého století. Vznikla jako inženýrská metoda pro řešení problémů v mnoha technických odvětvích jako např. v leteckém nebo stavebním inženýrství. S nástupem číslicových počítačů došlo k zefektivnění využití numerických metod. Základní myšlenkou bylo rozdělit spojitý problém na několik subproblémů. Existuje zde předpoklad, že problém bude řešen na konečném množství prvků, které budou mít konečné rozměry. Analytické řešení naopak vychází z předpokladu rovnováhy na elementu o nekonečně malých rozměrech.

12.1 Popis metody konečných prvků

12.1

Deformační varianta MKP vychází z Lagrangeova variačního principu. Ten je definován následovně: „Mezi všemi funkcemi posuvů, které zachovávají spojitost tělesa a splňují geometrické okrajové podmínky, se realizují ty, které udílejí celkové potenciální energii П stacionární hodnotu.“ [3] Lze dokázat, že zmíněná stacionární hodnota existuje, je jednoznačná a reprezentována minimem П. П je možno vyjádřit jako rozdíl energie napjatosti tělesa a potenciálu vnějšího zatížení. [3] kde: W – energie napjatosti tělesa 1 2 P – potenciál vnějšího zatížení . .

. . Ω

. .

Ω

V uvedených rovnicích vystupují sloupcové matice posuvů , , přetvoření , , , , , napětí , , , , objemového zatížení , , plošného zatížení , ,

,

Základní myšlenkou je rozdělit spojitý problém tzv. jej diskretizovat. Obecně však П závisí na spojitých funkcích u, v, w, kde každá reprezentuje nekonečné množství hodnot v nekonečně mnoha bodech řešené oblasti. Aby bylo možno zadaný problém řešit numericky, je potřeba každou z funkcí vyjádřit v závislosti na konečném množství parametrů. V MKP se aproximační funkce posuvů vyjadřují přibližně jako

strana

69


suma předem daných, známých funkcí , , , označovaných jako bázové funkce. Tyto bázové funkce jsou násobeny neznámými koeficienty: .

;

.

;

.

Dosazením aproximace do rovnice pro celkovou potenciální energii se přejde od vyjádření funkcionálu Π (u,v,w), který je závislý na funkcích, k vyjádření Π (a1,a2,a3,…), které závisí na konečném počtu parametrů. Podmínka stacionární hodnoty Π pak vede na soustavu rovnic, pomocí kterých je možno určit tyto neznámé parametry: Π Π

,

,…,

,

,… ,

Řešením soustavy rovnic jsou získány parametry a1, …, cn. Díky těmto parametrům je získána i aproximace hledaných funkcí posuvů. Uvedený obrat je společný více numerickým metodám, pro MKP je typický způsob konstrukce bázových funkcí, které jsou definovány vždy jen na malé podoblasti řešeného tělesa. [3] 12.2

12.2 Použité prvky pro vytvoření konečnoprvkové sítě na modelu

12.2.1

12.2.1 Popis prvku Beam189 Jedná se o 3D kvadratický nosníkový prvek. Prvek Beam189 je element vhodný pro modelování štíhlých, středně štíhlých a silných prvků v příhradových konstrukcích. Prvek je schopen při řešení zahrnout i ohybové namáhání s vlivem smyku. Beam189 je kvadratický prvek s třemi uzly. Dva ze tří uzlů jsou umístěny na začátku a na konci prvku. Poslední uzel se nachází uprostřed prvku. Beam189 má šest nebo sedm stupňů volnosti v každém uzlu. Počet stupňů volnosti závisí na hodnotě KEYOPT(1). Pokud se hodnota KEYOPT(1) rovná 0, tak v každém uzlu je šest stupňů volnosti. Do uvedených šesti stupňů volnosti jsou zahrnuty posuvy UX, UY, UZ a také rotace ROTX, ROTY a ROTZ. Pokud je hodnota KEYOPT(1) rovna 1, pak je v každém uzlu sedm stupňů volnosti. Sedmý stupeň volnosti je možno zjednodušeně chápat jako zkroucení prutu. Tento prvek je vhodný pro namáhání tahem, tlakem, krutem ale i ohybem. Prvku Beam189 je možno přiřadit průřez a tím i definovat průřezové charakteristiky. V jednom modelu se mohou vyskytnout a kombinovat nosníkové prvky různých průřezů. [17]

strana

70


Vstupní informace Geometrie, rozmístění uzlů a orientace souřadnicového systému jsou vyobrazeny na obr. 12-1. Beam189 je definován uzly I, J a K v globálním souřadnicovém systému. Při použití průřezů nesouměrných podle obou os se musí zadat také poloha uzlu L, který zajišťuje správnou orientaci průřezu prvku v prostoru. Je možno zadat prvek bez definování orientačního uzlu L. V takovém případě je osa elementu x orientována z uzlu I směrem k uzlu J a osa y je implicitně nastavena tak, aby byla paralelní s rovinou x - y globálního souřadného systému. Při zadání orientačního uzlu L dojde k vytvoření roviny body I, J a L, která obsahuje osy x a y prvku. [17]

Obr. 12-1 Schéma prvku Beam189

Aplikace Beam189 Prvek Beam189 se vloží do modelu tak, že se aplikuje na již vytvořenou geometrii. V tomto případě je zmiňovanou geometrií úsečka vytvořená mezi dvěma body. Nastavení tvaru a rozměrů průřezu se provádí v položce Sections náležející prvkům Beam, nebo dvojicí příkazů SECTYPE a SECDATA, pomocí kterých nejdříve definujeme tvar průřezu a posléze jeho rozměry a další parametry spojené např. s vytvářením konečnoprvkové sítě na zvoleném průřezu. Program Ansys také umožňuje nastavit zužování průřezu po délce úsečky, na kterou je prvek aplikován. Každý průřez má přiřazeno pořadové číslo, které při použití více průřezů tyto od sebe odlišuje. [17] Využití prvku na řešeném modelu Prvek byl v modelu využit na vytvoření konstrukce věže. Jednotlivé rozměry válcovaných profilů byly nastaveny v položce Sections. 12.2.2 Popis prvku Link10 Link10 je lineární prutový prvek s jedinečným rysem, který se využívá ve 3D prostoru. Tímto rysem je bilineární matice tuhosti, která má za následek, že prvek je možné zatížit jen osově, a to pouze tahově nebo pouze tlakově. V nastavení prvku je možno volit mezi variantami. Při volbě pouze tahového namáhání je tuhost prvku odstraněna v okamžiku, kdy tahové zatížení přejde do tlakového. V takovém případě se prvek chová jako lano. Tento popsaný rys je vhodný např. při modelování kotevních lan, kde je možno celé lano namodelovat jako jeden prvek.

12.2.2

strana

71


Link10 má tři stupně volnosti v každém uzlu. Jedná se o posuvy v osách x, y a z. Link10 také nevykazuje žádnou tuhost v ohybu. Naopak jsou přístupné funkce tlakového zpevnění a ve výpočtu je možno uvažovat i velké posuvy koncových uzlů. [17] Vstupní informace Poloha uzlů, geometrie a souřadnicový systém tohoto prvku je zobrazen na obr. 122. Prvek je definován na spojnici dvou uzlů. Nutností je nastavit průřez popřípadě počáteční napětí. Na prvek se aplikují pouze izotropní materiály. Osa x prvku je orientována z uzlu I k uzlu J. Zatížení se aplikuje na uzly. Prvek je také možno zatížit teplotně nastavením teplot pro jednotlivé uzly. [17]

Obr. 12-2 Schéma prvku Link10 [17]

Využití prvku na řešeném modelu Popisovaný prvek je v modelu použit na simulaci kotvicích lan, která zajišťují stabilitu věže, a také na vytvoření systému vysouvacích lan uvnitř věže. 12.2.3

12.2.3 Popis prvku Mesh200 Mesh200 je prvek, pomocí kterého se dá vytvořit pouze konečnoprvková síť, která nijak nepřispívá při řešení daného problému. Stručně řečeno Ansys při řešení prvky Mesh200 neuvažuje. I tak má tento prvek značné možnosti využití. [17] Vstupní informace Prvek je definován mezi jednotlivými uzly. Pro prvek Mesh200 je rozsah uzlů, mezi kterými může být definován, od dvou po dvacet. Popisovaný prvek nemá žádné stupně volnosti. Není také možné na něj aplikovat materiálové vlastnosti, reálné konstanty nebo zatížení. V nastavení je pomocí operátoru KEYOPT(1), který se dá měnit v rozsahu 0 až 11, možno nastavit, kolika uzly bude vytvořený prvek definován a jestli se bude nacházet ve 2D nebo 3D. Pomocí operátoru KEYOPT(2) se nastavuje testování tvaru prvku. [17] Aplikace Mesh 200 Tento prvek může být využit pro následující operace: vícestupňové vytváření konečnoprvkové sítě. Jako příklad je možno použít příkaz vytažení. Pomocí tohoto příkazu lze vytažením roviny ve vhodném

strana

72


směru vytvořit těleso. Pokud však je základní plocha, která bude následně vytahována, opatřena konečnoprvkovou sítí Mesh200, pak při vhodném nastavení parametrů u příkazu vytažení lze vytáhnout spolu s plochou i konečnoprvkovou síť vytvoření jednodimenzionální sítě ve 2D nebo 3D prostoru s použitím nebo bez použití středových uzlů vytváření konečnoprvkové sítě na plochách nebo na tělesech v 3D prostoru za použití trojúhelníků, čtyřúhelníků, tetraedrů nebo kvádrů s použitím nebo bez použití středových uzlů Mesh200 může být aplikován i ve spojení s jinými typy prvků, které programové prostředí systému Ansys nabízí. Bylo zmíněno, že Mesh200 nijak neovlivňuje řešení problému, je proto možné, poté co síť složená z těchto prvků splní svůj účel, ji odstranit nebo ponechat. [17]

Obr. 12-3 Schéma prvku Mesh200 [17]

Využití prvku na řešeném modelu Prvek byl v řešeném modelu využit k vytvoření sítě na ploše desky umístěné na zadní části věže, a také k vytvoření konečnoprvkové sítě na čepu, podle něhož se věž vztyčuje do vertikální polohy. Další využití pro tento prvek se našlo při vytváření konečnoprvkové sítě na ploše desky, na kterou je upevněna Savoniova větrná elektrárna. Účelem bylo vytvoření mapované sítě na všech tělesech. 12.2.4 Popis prvku Solid186 Jedná se o kvadratický prvek, jehož poloha v 3D prostoru je vymezena dvaceti uzly. Každý z uzlů má tři stupně volnosti. Jedná se o posuvy UX, UY, UZ. Prvek podporuje mnoho vlastností, jako je například plasticita, hyperelasticita, creep, tlakové zpevnění atd. Tento prvek se využívá např. při simulování deformace téměř nestlačitelných elastoplastických materiálů i plně nestlačitelných hyperelastických materiálů. [17]

12.2.4

Solid186 se dá aplikovat ve dvou modifikacích: Structural Solid – prvku je přiřazena jedna materiálová charakteristika Layered Solid – užívá se například na modelování součástí, které vznikají vrstvením různých materiálů; prvek lze rozdělit až na 250 vrstev s různými materiálovými vlastnostmi; prvek vhodný k modelování kompozitů Při řešení diplomové práce je použit prvek v modifikaci Structural Solid. strana

73


Vstupní informace Popisovaný prvek je vhodný k vytvoření nepravidelné konečnoprvkové sítě. Geometrie, poloha uzlů a souřadný systém prvku jsou nastíněny na obr. 11-4. Základní tvar prvku představuje šestistěn. Pomocí sjednocování jednotlivých uzlů lze dosáhnout dalších tří geometrických variant tohoto prvku. Mezi ně patří hranol, pyramida a tetraedr. Prvek také podporuje anizotropní materiály. Je možné ho zatížit tlakem, který se aplikuje na jeho jednotlivé plochy. Je možno simulovat i přetlak v objemu prvku. K dalším z možných vstupů je zadání teplotního zatížení v uzlech prvku. [17]

Obr. 12-4 Schéma prvku Solid168 [17]

Využití prvku na řešeném modelu Prvek byl využit k vytvoření konečnoprvkové sítě v objemu desky na zadní straně věže i v objemu čepu, který je k této desce připevněn. Dále byl prvek použit při tvorbě sítě v objemu simulujícím Savoniovu elektrárnu a připojené desce, na kterou je elektrárna usazena. Díky předchozí aplikaci prvku Mesh200 byla vytvořena mapovaná síť. 12.3

12.3 Postup vytváření modelu v programu Ansys V předcházejících kapitolách bylo popsáno, pomocí jakých prvků byl v prostředí programu Ansys vytvářen model věže a na jaké části modelu se aplikovaly. Nezanedbatelnou částí diplomové práce bylo i vytvoření konečnoprvkového modelu, který by nejlépe vyhovoval požadavkům na nízký čas řešení úlohy a na dostatečně věrné vystižení modelu a okrajových podmínek vzhledem k realitě. Modely v Ansysu lze vytvářet dvěma směry. Při tvorbě modelu směrem odspodu nahoru dojde nejdříve k vynesení sítě klíčových bodů (Keypoint). Tyto se následně spojí úsečkami (Line). Jednotlivé úsečky v modelu, které svojí polohou splňují určité požadavky, lze spojit plochami (Areas). Pokud jsou plochy spojeny v jeden uzavřený celek, pak je možno mezi těmito plochami vytvořit objem (Volume). Opačným postupem je vytváření modelu směrem dolů, kde se postupuje od entit vyšší úrovně směrem k entitám úrovně nižší. Při řešení zadaného problému byla využita metoda modelování odspodu směrem nahoru, protože umožňuje snadnější zhotovení modelu.

strana

74


Proces tvorby modelu v programovém prostředí Ansys lze rozdělit do několika etap: Preprocessing – zaštiťuje vytvoření geometrického modelu a tvorbu konečnoprvkové sítě s níž je spjato i aplikování mechanických charakteristik Solution – definuje proces aplikování počátečních a okrajových podmínek včetně volby a vhodného řešiče a jeho nastavení a samotného výpočtu Postprocessing – je oblast zahrnující analýzu výsledků a jejich export v podobě tabulek, obrázků, grafů a animací Tyto etapy na sebe těsně navazují, a pokud nedojde k ukončení jedné, není možno započít další. Při řešení problému se vypracuje jednoduchý model, na kterém se nadefinují primitivní okrajové podmínky, a spuštěním výpočtu se ověří, jestli je program schopen přes vytvořený model počítat. Obdržené výsledky mají vzhledem k velkému zjednodušení jak v modelu, tak v okrajových podmínkách velice nízkou vypovídací hodnotu. Je však možné, že i při takto zjednodušeném modelu dojde k přerušení výpočtu na podnět samotného programu, který odhalí v okrajových podmínkách, popřípadě v modelu chyby. V takovém případě je potřeba chybu vyhledat, odstranit a opět spustit výpočet, který ověří správnost modelu. Pokud jsou na tomto zjednodušeném modelu obdrženy výsledky, je možné přikročit k úpravám, které modelovou situaci více přiblíží skutečnosti. Po každé výraznější úpravě modelu je vhodné ověřit správnost modelu výpočtem. Tento cyklus pokračuje až do fáze, kdy řešitel usoudí, že namodelovaná situace s jistou tolerancí koresponduje s realitou.

Obr. 12-5 Modelování odspodu směrem nahoru

strana

75

Využití metody konečných prvků při řešení zadaného problému 12.3.1

12.3.1 Postup při tvorbě modelu věže Model je vytvářen tak, že z modelu zhotoveném v parametrickém modeláři Inventor v.11, jsou získány souřadnice polohy pro jednotlivé klíčové body. Postup při tvorbě modelu mobilní věže je zobrazen na obr. 12-5. Souřadnice klíčových bodů byly zadány do programu Ansys a tyto pak vytvořily mrak bodů. Dalším krokem bylo svázání jednotlivých bodů úsečkami tak, aby směr a poloha jednotlivých úseček, které reprezentují výztuhy na modelu, korespondovaly s modelem v Inventoru. Při tvorbě modelu z úseček je vhodné volit jednotnou orientaci úseček. Orientací je myšlen směr, ve kterém bude daná úsečka vytvářena. Úsečka spojuje dva klíčové body, kde každý z nich má své pořadové číslo. Není proto jedno, jestli spojíme úsečkou klíčový bod s nižším pořadovým číslem s bodem s vyšším pořadovým číslem nebo obráceně. Rozdíl se projeví ve chvíli, kdy bude potřeba aplikovat na jednotlivé úsečky průřezové charakteristiky. Tímto postupem se namodelují v jednom prostředí všechny tři části věže v polohách, které zaujmou při plném vysunutí věže. Poloha plně vysunuté věže byla zvolena proto, že při tomto stavu je celá konstrukce nejvíce namáhána.

Obr. 12-6 Model mobilní věže pro Savoniův generátor

strana

76


Další operací je nadělení úseček, které tvoří konstrukci věže. Nadělením úsečky po délce docílíme toho, že při tvorbě konečnoprvkové sítě na úsečkách dojde k vytvoření tolika elementů, na kolik částí byla úsečka nadělena. Velikost dělení byla nastavena na 50mm tak, aby se na prvcích, jako jsou např. výztuhy, nacházelo minimálně deset elementů na délku prvku. Dále je potřeba každé úsečce zvlášť přiřadit průřezové charakteristiky. Je nutno uvést, že model věže je vytvořen pomocí prutových prvků, a proto není modelem objemovým. Vzhledem k tomu, že konstrukce věže je tvořena různými válcovanými profily, tak je potřeba v položce Sections pro prvky Beam189 vytvořit knihovnu průřezů, které budou aplikovány na model věže. V položce Sections se také nastavuje vzhled konečnoprvkové sítě na navrženém průřezu. Po nastavení průřezu je potřeba zvolit jeho vhodnou orientaci. Toto nastavení se provádí pro každou úsečku zvlášť. Pokud jsou na tvorbu konstrukce použity symetrické průřezy, není potřeba je orientovat. Na navržené věži jsou ale použity válcované L profily, a proto je potřeba pro každou úsečku zvolit vhodnou orientaci průřezu. Průřez je rovinná záležitost, která se nachází v souřadnicovém systému s osami y a z. Volba orientace probíhá tak, že po vybrání úsečky, na kterou chceme průřez aplikovat, následuje výběr klíčového bodu, který přesně určí natočení výsledného profilu. Situace je vyobrazena na obr. 12-7, kde je zároveň zobrazena situace, kdy můžeme změnit i polohu průřezu.

Obr. 12-7 Natočení a posun průřezu profilu

Po přiřazení průřezu pro všechny úsečky reprezentující konstrukci věže je posledním krokem tvorba konečnoprvkové sítě. Při vytváření této sítě dojde k přiřazení materiálových vlastností. 12.3.2 Postup při tvorbě zadní desky s čepem Ve skutečnosti je věž na vozík připevněna pomocí dvojice čepů, které umožňují natáčení věže z polohy horizontální do polohy vertikální a obráceně. V rámci přiblížení modelu v Ansysu k reálné konstrukci byla tato deska s čepem ve zjednodušené formě vytvořena i v prostředí Ansys. V tomto případě není možné použít prutový model. Model desky i čepu je zhotoven pomocí objemů. Pomocí sítě bodů se vytvoří zadní stěna desky, která přiléhá přímo ke konstrukci věže. Při tvorbě

12.3.2

strana

77


této plochy je potřeba dbát na to, aby jak deska, tak i model věže měly v místech, kde jsou u reálné konstrukce tyto dva díly spojeny šrouby, společné prvky. Tímto zaručíme provázání obou součástí a zajistíme tak přenos energie z modelu věže na model desky a obráceně. V tomto momentu byly vytvořeny dvě verze, které se lišily způsobem provázání desky a věže. Po vytvoření zadní plochy desky byla na této ploše vygenerována konečnoprvková síť. Vhodnou volbou nadělení úseček, mezi nimiž je definována plocha, bylo dosaženo mapované 2D sítě. Na vytvořenou plochu byl poté aplikován příkaz vysunout, kterým bylo docíleno vytvoření objemu a zároveň i vytvoření mapované 3D sítě. Obdobným postupem byl vytvořen i čep, který je k této desce připevněn. Bylo potřeba dbát na to, aby v místě, kde čep přechází v desku, byla navázána konečnoprvková síť. Ve skutečnosti je přenos energie z věže na čepy zajištěn z podstaty šroubového spoje. Ve šroubech zajišťujících spojení se vyvodí potřebné předpětí, které k sobě přitlačí spojované plochy, a přenos energie je zajištěn vzniklým třením mezi spojovanými díly. Spojení modelu věže a modelu desky s čepem v klíčových bodech Jednu z možností, které byly využity při vytváření modelu mobilní věže, představuje spojení modelu desky s čepem s modelem věže v klíčových bodech. Při tvorbě zadní strany desky se vytvoří požadovaná síť čar, která má s modelem věže společných osm klíčových bodů. Model věže je potřeba upravit tak, aby klíčové body společné jak pro desku, tak i pro věž, byly v místech, kde se ve skutečnosti nacházejí spojovací šrouby. Po zhodnocení výsledků výpočtu bylo usouzeno, že takto vytvořené spojení obou modelů je nedostatečné a pro řešení problému nevhodné. Při spojení obou modelů v bodech došlo po zatížení konstrukce k vytvoření napěťových špiček, jejichž hodnoty dosahovaly až 1,5GPa. Spojení modelu věže a modelu desky s čepem společnými úsečkami

Obr. 12-8 Model desky s čepem pro uchycení na přívěs

strana

78


Další varianta spočívá ve spojení obou modelů pomocí společných úseček tvořících modely. Při řešení problému bylo využito osmi úseček v pozicích, ve kterých se u reálné konstrukce nacházejí spojovací šrouby. Délka úseček společných pro obě tělesa byla zvolena stejná jako průměr šroubů, které budou použity u reálné konstrukce. Oproti předchozímu způsobu se zvětšil prostor pro přenos energie mezi svázanými modely. Díky tomu dojde k poklesu napětí v místech, kde jsou oba modely spojeny. Nicméně ani při použití této varianty není vystižena myšlenka šroubového spojení, kdy jsou síly přenášeny třením, a proto je potřeba výsledky v blízkosti těchto uzlů brát s rezervou. Pro věrné vystižení průběhu napětí na modelu v místech spojení je nutné vytvořit model vyšší třídy, ve kterém by byla konstrukce věže vytvořena pomocí objemů. Volba vhodné varianty Při vytváření celkového modelu mobilní věže byla použita varianta spojení se společnými úsečkami. Tato metoda byla použita i přes popsané nevýhody, protože ovlivňuje průběhy napětí jen v malém okolí místa spoje a neovlivní celkové rozložení napětí na konstrukci věže. 12.3.3 Postup modelování desky se Savoniovým rotorem Při modelování desky se Savoniovým rotorem byl použit obdobný postup jako při tvorbě desky s čepem. Bylo použito stejných prvků pro vytvoření konečnoprvkové sítě. Deska pod Savoniovým rotorem je připojena k věži po celé délce všech čtyř úseček, které v horní části třetího stupně věže spojují čtyři stojny, viz obr. 12-9. Vhodným nadělením sítě úseček, mezi kterými se nachází spodní plocha desky pod Savoniovým rotorem, vznikla na této ploše mapovaná 2D síť. Z obr. 12-9 je patrno, že Savoniův rotor je namodelován jako plný válec. Bylo zjištěno, že při zatížení konstrukce tíhovým zrychlením, které simuluje jak gravitaci, tak i namáhání větrem, není potřeba vytvářet detailní model rotoru. Stačí namodelovat válec s odpovídajícími rozměry a tomuto válci přiřadit takovou hustotu, aby ve výsledku hmotnost válce i skutečného rotoru byla shodná. Rozměry byly získány od výrobce Savoniových elektráren Windside z modelu WS-0,30A, který nejlépe vyhovoval zadání diplomové práce. Pro uvedený typ větrné elektrárny platí hlavní rozměry 1000 300 kde: lE [mm] - výška větrné elektrárny - maximální průměr rotoru dE [mm]

12.3.3

strana

79


Hmotnost rotoru 100kg byla převzata ze zadání. Pak hustota použitá v prostředí systému Ansys je

. . 4

100 . 0,3 .1 4

1414,71

kde: ρE [kg.m-3] - hustota válce nahrazujícího model Savoniovy elektrárny v Ansysu m [kg] - hmotnost Savoniovy elektrárny 3 - objem válce nahrazujícího model Savoniovy elektrárny v Ansysu V [m ] Nicméně pro potřeby užití hustoty v programu Ansys je zapotřebí ji převést do potřebných jednotek. Proto 1414,71

1,4147. 10

Při výpočtu nás nezajímají výsledky napětí na desce, na které je elektrárna umístěna, ani výsledky napětí v tělese představující elektrárnu, proto byla použita velmi hrubá síť, která příliš nezatěžovala výpočet celé konstrukce.

Obr. 12-9 Model desky se Savoniovým rotorem

strana

80


12.3.4 Postup modelování kotevních lan Modelování kotvících lan je poměrně jednoduché. Ansys nabízí přímo prvek určený na modelování lan. Jedná se o prvek Link10, u kterého je možnost nastavit ve vlastnostech, aby byl ve výpočtu zahrnut pouze tehdy, když je namáhán tahově. Pro materiál lana byla navolena také hustota, a proto i na lano působí zrychlení a je tak simulováno působení toku větru na kotvicí lana. V okolí modelu věže byly vytvořeny čtyři klíčové body představující kotvy. K věži jsou kotvící lana přichycena v rozích v horní části třetího stupně věže. Tato poloha koresponduje s polohou kotvicích bodů na reálné konstrukci. Pro kotvení byla použita lana o průměru 6mm. V programu Ansys se v položce reálných konstant zadává plocha průřezu lana v mm2.

12.3.4

12.3.5 Řešení systému vysouvacích lan uvnitř věže U skutečné konstrukce je vysouvání jednotlivých stupňů zajištěno pomocí systému kladek a lan umístěných uvnitř věže. Pomocí těchto prvků také dochází k přenosu zatížení z jednoho stupně věže na stupeň druhý. Jedná se o zatížení vahou jednotlivých prvků, kde druhý stupeň je zatížen vahou třetího stupně a vahou elektrárny. První stupeň je těmito lany zatížen vahou druhého a třetího stupně i vahou elektrárny. Je proto nutné tyto prvky zahrnout i do modelu v Ansysu.

12.3.5

Obr. 12-10 Systém vysouvacích lan uvnitř věže

strana

81


Tak jako při vytváření kotvicích lan, i při modelování lan spojujících jednotlivé stupně, je užit prvek Link10. Propojení jednotlivých stupňů je vyobrazeno na obr. 12-10, kde jsou propojovací lana zvýrazněna fialovou barvou. Z obrázku je patrno, že lana začínají uprostřed spodní výztuhy jednoho stupně a končí uprostřed horní výztuhy následujícího stupně věže. Prvek je opět potřeba nastavit tak, aby byl do výpočtu zahrnut pouze při tahovém namáhání. 12.3.6

12.3.6 Řešení problému vůlí mezi jednotlivými stupni Při vytváření modelu v systému Ansys je potřeba vycházet z reálné konstrukce, která byla navržena, a snažit se k realitě přiblížit. V rámci diplomové práce byl řešen i způsob, jakým vůči sobě ustavit jednotlivé stupně věže v prostředí programu Ansys. Bylo vytvořeno několik verzí, přičemž se postupovalo od jednoduchých řešení problému ke složitějším, které lépe vystihují skutečné chování konstrukce při namáhání větrem. Předtím, než se přistoupí k řešení samotného problému, je potřeba uvést, jakým způsobem se bude chovat konstrukce ve skutečnosti při namáhání větrem. Při plném vysunutí věže do maximální výšky 10m dojde ke kontaktu pojistek, které zabrání dalšímu vysouvání jednotlivých segmentů věže. V plně vysunutém stavu se jednotlivé stupně věže překrývají na jednom metru délky. Mezi nimi je v obou směrech vůle 4mm, která zajišťuje plynulé vysouvání dílů věže. Pokud při plném vysunutí je konstrukce namáhána větrem, dojde nejdříve k vymezení vůle mezi stupni a k následnému kontaktu ploch vedení. Jednotlivé stupně věže se do sebe zapřou a odolávají tak poryvům větru. Tímto mechanismem dochází k přenosu zatížení mezi jednotlivými stupni. Namodelování této situace vzhledem k vytvořenému modelu je dosti obtížné. Model věže je vytvořen pomocí prutových prvků, které se aplikují na úsečky. Není proto možno definovat kontakt na kluzných plochách z toho důvodu, že tyto plochy v modelu neexistují. Je proto potřeba najít vhodný způsob, jakým definovat okrajové podmínky, aniž by došlo k výraznému odchýlení od skutečného chování konstrukce. Svázání stupňů pomocí prvku Beam189 První způsob, jakým byl problém řešen, bylo svázání jednotlivých stupňů věže v rozích pomocí prutového prvku Beam189. Jak je patrno z obr. 12-11, spojovací prvky jsou vedeny úhlopříčně z rohu jednoho stupně do rohu stupně druhého. Při tomto svázání stupňů nebyla do modelu zahrnuta vysouvací lana. Důvodů existuje hned několik, ale nejpodstatnějším je ten, že by při pevném spojení stupňů nedošlo k téměř žádnému namáhání těchto lan. Tato varianta byla použita především proto, aby se zjistilo, jestli v modelu nejsou chyby a zdali je program schopen počítat přes vymodelovanou geometrii. Spojení bylo provedeno pomocí prvků Beam189, kterým byl v položce Sections přiřazen průřez kruhové tyče o průměru 60mm. Požadavkem bylo zajistit dostatečně tuhé spojení stupňů. Beam189 má v základním nastavení šest stupňů volnosti, a proto v místech, kde je napojen na klíčové body konstrukce, přebírá veškeré posuvy a rotace vzniklé při deformaci věže. Zjednodušeně pak lze říci, že konstrukce se chová tak, jako by byla na patřičných místech spojena skutečně tyčí, která je na obou koncích přivařena k jednomu ze stupňů věže.

strana

82


Obr. 12-11 Vymezení vůle mezi stupni pomocí prvku Beam189

Výstupem z tohoto postupu řešení bylo, že konstrukce neobsahuje žádné chyby, které by bránily výpočtu. Také se prokázalo, že přes spojovací prvky dochází k předávání energie z jednoho stupně věže na druhý. Svázání stupňů pomocí prvku Link10 – modifikace tahové namáhání Vzhledem k tomu, že první varianta ne příliš věrohodně vystihla reálné chování konstrukce, tak byl vytvořen nový model, kde spojovacími prvky byly prvky typu Link10. Jak nadpis napovídá, pro popisovaný model byl použit prvek v modifikaci určené pro tahové namáhání. Stupně byly opět svázány v rozích, jak je vyobrazeno na obr. 12-12. Ani u této varianty nebyla použita vysouvací lana, a to z důvodu, že veškeré síly ve směru osy z, tedy ve směru tíhového zrychlení, jsou přenášeny prvky spojujícími stupně. Oproti předchozí variantě došlo k jistému přiblížení k reálnému stavu. Do výpočtu se totiž zapojí pouze ty prvky, které jsou namáhány tahově, a s ostatními se ve výpočtu neuvažuje, kdežto v předchozí variantě se do výpočtu zahrnuly všechny spojovací prvky. Prvek Link10 má pouze tři stupně volnosti a těmi jsou posuvy. Proto bylo možno pozorovat po výpočtu pohyb jednotlivých segmentů ve směru působení gravitačního zrychlení. Zjednodušeně lze říci, že spojovací prvky byly navázány na stupně věže obdobou kloubové vazby. Výstupem této varianty bylo, že konstrukce neobsahuje chyby, které by bránily výpočtu i při zvýšené složitosti modelu. Nicméně ani tato varianta dostatečně nevystihovala reálné chování konstrukce, a proto bylo nutno vytvořit nový model.

strana

83


Svázání stupňů pomocí prvku Link10 – modifikace tlakové namáhání Jedná se o model dosti podobný předchozímu jen s tím rozdílem, že prvkům, které zajišťují spojení stupňů věže, byly přepsány materiálové vlastnosti a jejich nastavení se změnilo tak, aby byly ve výpočtu zahrnuty pouze tehdy, když budou namáhány na tlak. Snahou bylo docílit toho, aby došlo k zapření jednoho stupně věže o druhý v místě, kde jeden stupeň o metr přesahuje stupeň druhý. Tato skutečnost byla v modelu postihnuta tak, že spojovacím prvkům byly upraveny materiálové vlastnosti přiřazením vlastností měkkého plastu. Tímto krokem mělo být umožněno i vzájemné natočení jednotlivých stupňů věže vůči sobě. V řešení již byla zahrnuta vysouvací lana a spojovací členy plnily pouze roli poddajného vedení.

Obr. 12-12 Vymezení vůle mezi stupni pomocí prvku Link10

Po výpočtu a zobrazení výsledků se ukázalo, že některé části věže se chovají nestandardně, a proto byla i tato varianta nahrazena. Konečné řešení ustavení jednotlivých stupňů věže Materiálové vlastnosti i nastavení prvku bylo převzato z předchozího řešení. Jediná změna nastala v uspořádání propojovacích prvků. Jeden člen, který v předchozích řešeních byl vždy veden úhlopříčně, byl nahrazen dvěma členy na sebe kolmými. Situace je zobrazena na obr. 12-13. Tato situace nejlépe vystihuje skutečnost. Pohybu stupňů věže ve směru osy z, tedy ve směru působení gravitačního pole, je zamezeno výsuvnými lany. Vzájemný pohyb jednotlivých stupňů věže je částečně omezen v osách x i y tak, jak je tomu u reálného modelu.

strana

84


Obr. 12-13 Vymezení vůle dvěma prvky s vlastnostmi měkkého plastu

12.3.7 Vytvoření systému kladek uvnitř věže V průběhu řešení byla uvažována také varianta se zjednodušeně namodelovanými vodícími kladkami pro vysouvací lana, jak je vyobrazeno na obr. 12-14. Držáky kladek byly namodelovány pomocí prvku Beam189, které vytvořily pevnou základnu, a v průsečíku obou ramen vznikl střed kladky. Kladka byla namodelována pomocí prvků Link10 v modifikaci pouze tlakového namáhání. Samotná kladka je pak tvořena třemi paprsky vycházejícími ze stejného bodu, který reprezentuje střed kladky. Vzhledem k tomu, že Link10 má pouze tři stupně volnosti postihující posuvy, je umožněno všem třem paprskům v rovině, ve které jsou vytvořeny, se natáčet kolem středu. Tato skutečnost měla přispět k reálnějšímu vystižení problému. Po vymodelování popsané situace a obdržení výsledků z řešení byla varianta ohodnocena jako nepoužitelná. Nepoužitelnou tuto variantu činil fakt, že oba držáky, na které byla umístěna kladka, se stýkaly s konstrukcí věže pouze ve dvou bodech. Po zatížení takto namodelované konstrukce se ve zmiňovaných bodech vyskytly napěťové špičky tak velké, že v barevné škále napětí naprosto vytěsnily napětí vyskytující se na modelu věže. Řešení problému spočívá ve vytvoření modelu na vyšší úrovni, kde za vyšší úroveň je považován objemový model. Vzhledem k tomu, že pro návrh je nejdůležitější zjištění průběhu napětí v hlavní konstrukci věže, bylo od tohoto záměru upuštěno.

12.3.7

strana

85


Obr. 12-14 Kladky uvnitř věže

12.4

12.4 Závěr kapitoly Byl vytvořen geometrický model věže včetně zvoleného příslušenství. Na tvorbu modelu věže je použit kvadratický prutový prvek Beam189. Pro nadefinování jednotlivých průřezů prutů byla v položce Sections pro prvek Beam189 vytvořena jejich databáze. Pro simulaci všech lan je použit prvek Link10 v modifikaci pouze tahového namáhání. Pomocí prvku Mesch200 byla na objemových tělesech vytvořena mapovaná konečnoprvková síť tvořená elementy Solid186. K vymezení vůle mezi stupni věže bylo využito prvku Link10 v modifikaci pouze tlakového namáhání s materiálovými vlastnostmi měkkého plastu.

strana

86

Ansys – okrajové podmínky

13

13 ANSYS – OKRAJOVÉ PODMÍNKY Pro obdržení správných výsledků je nutné určit pro model správné okrajové podmínky. Mezi tyto patří např. zatížení, kterým je celá konstrukce namáhána. Dále se mezi ně zahrnují např. podmínky vazební, pomocí kterých se dané konstrukci odebírají stupně volnosti.

13.1

13.1 Zatížení konstrukce Výpočet zatížení konstrukce věže větrem byl proveden v souladu s normou ČSN 27 0103 „Navrhování ocelových konstrukcí“ a detailněji rozebrán v kapitole 7. Výstupem z této kapitoly byla soustava sil, které se podílejí na zatížení konstrukce věže a simulují zatížení větrem. Bylo také nutné vyřešit otázku, jakým způsobem zadat vstupy definující zatížení konstrukce do programu Ansys. V závěru kapitoly 7 je uvedena trojice hlavních sil, z nichž každá namáhá konstrukci v jednom ze tří hlavních směrů. Problémem spočívá v předefinování těchto sil na jiný ekvivalentní druh zatížení, který by namáhal celou konstrukci se všemi jejími prvky. Při zatížení konstrukce jednou silou dochází k bodovému namáhání celého modelu, což neodpovídá reálnému stavu, kdy je namáhána celá konstrukce ve směru působení větru. Navíc bodové zatížení vede k vytvoření lokálních napěťových maxim, která zkreslují obdržené výsledky. Řešení bylo nalezeno v podobě druhého Newtonova zákona, pomocí něhož při známé hmotnosti konstrukce včetně příslušenství byla síla převedena na zrychlení působící na všechny prvky, jenž mají v materiálových vlastnostech přiřazenu hustotu. Celková hmotnost byla převzata z parametrického modeláře Inventor v.11. V okamžiku, kdy je známa hmotnost prvků konstrukce, je možno převést zatěžující sílu na zrychlení podle vzorce 4 kde: F mC mE ml a

[N] [kg] [kg] [kg] [m.s-2]

.

- vektor síly působící na věž v daném směru - celková hmotnost konstrukce věže - hmotnost Savoniovy elektrárny - hmotnost kotvicího lana a příslušenství - vektor zatěžujícího zrychlení působícího na věž v daném směru

Celková hmotnost věže se vypočte 127 kde: mC m1 m2 m3

[kg] [kg] [kg] [kg]

69

62

258

- celková hmotnost konstrukce věže - hmotnost prvního stupně věže - hmotnost druhého stupně věže - hmotnost třetího stupně věže

Výsledky převodu zatěžujících sil na zrychlení jsou pro přehlednost uvedeny v tab. 13-1. strana

87


Tab. 13-1 Zatěžující zrychlení

Směr působení větru

Zatěžující síla [N]

Zatěžující zrychlení [mm.s-2]

zepředu

4 236,7

11 487,7

z boku

4 220,2

11 443,2

úhlopříčně

5 084,0

13 785,2

Zrychlení simulující zatížení konstrukce větrem je pouze jednou ze složek zatížení, která je aplikována na model v prostředí Ansys. Další složkou je pak zatížení konstrukce vlastní hmotností. Jednotlivé stupně věže mají nezanedbatelnou hmotnost, a je proto potřeba uvažovat i tíhové zrychlení.

Obr. 13-1 Tři hlavní směry působení větru

Na model jsou pak aplikovány tři zátěžné stavy, které simulují zatížení konstrukce větrem ze třech hlavních směrů včetně zahrnutí gravitace. Rozlišení jednotlivých zátěžných stavů včetně složek zatížení je uvedeno v tab. 13-2. Tab. 13-2 Rozbor zátěžných stavů

Číslo zátěžného stavu

Směr zatížení

Zatěžující zrychlení [mm.s-2]

Gravitační zrychlení [mm.s-2]

1

zepředu

11 487,7

9 810

2

z boku

11 443,2

9 810

3

úhlopříčně

13 785,2

9 810

strana

88


13.2 Vazební podmínky pro model věže

13.2

Další z okrajových podmínek jsou podmínky vazební. Pomocí vazeb jsou celému systému odebírány stupně volnosti. 13.2.1 Zavazbení čepů v ložiscích Ve vztyčené poloze je celá hmotnost věže zachycena ve dvou kluzných ložiscích. Proto je potřeba tuto skutečnost postihnout i na modelu v Ansysu. Čepy jsou v prostředí programu Ansys tvořeny pomocí prvku Solid186, který má šest stupňů volnosti. Vazba je aplikována na spodní polovinu čepu, přesněji na spodní polovinu válcové plochy čepu. Vazbou jsou omezeny veškeré rotace i posuvy všech uzlů na těchto plochách.

13.2.1

Obr. 13-2 Vazby aplikované na čep

13.2.2Vazby aplikované na spodní část věže Po vztyčení věže do vertikální polohy dojde ve spodní části věže k opření konstrukce o rám přívěsu, konkrétně o výztuhu určenou k tomuto účelu. Výztuha je opatřena dvojicí profilů, jež přesně navedou věž do požadované pozice. Další výztuha, která věži znemožňuje pohyb, je umístěna před ní a je zapřena do přední části věže.

13.2.2

Obr. 13-3 Zapření věže o konstrukci přívěsu strana

89


V Ansysu je tato situace postihnuta tak, že části zadních stojen na prvním stupni jsou předepsány nulové posuvy v osách x a y. Tímto je zajištěn posuv konce věže pouze v ose z, tzn. ve směru tíhového zrychlení. Vzhledem k tomu, že vazby jsou podmíněně funkční, není potřeba definovat vazby na přední část věže. 13.2.3

13.2.3 Simulace ukotvení lan vůči zemi Lana jsou v prostředí programu Ansys modelována pomocí prvku Link10, který má pouze tři stupně volnosti. Mezi tyto tři stupně volnosti se počítají posuvy UX, UY a UZ. Koncovému uzlu kotvicího lana, které představuje kotvu, byly odebrány všechny stupně volnosti. Tímto se zamezilo všem posuvům v tomto bodě. Lanu je umožněno se kolem tohoto bodu natáčet ve všech směrech. Vazba v Ansysu i její schematický ekvivalent jsou vyobrazeny na obr. 13-4.

Obr. 13-4 Vazba na konci kotevního lana 13.3

13.3 Závěr kapitoly Hodnoty zátěžných sil získaných z kapitoly 7.6.1, byly převedeny na ekvivalentní zatížení tak, aby bylo možno toto zatížení bez problémů aplikovat na model v programu Ansys. Součástí etapy Solution je také zadání okrajových vazebních podmínek. Definování vazeb bylo provedeno tak, aby výsledný vliv na model korespondoval s realitou.

strana

90

Ansys – použité materiály

14

14 ANSYS – POUŽITÉ MATERIÁLY Další důležitou vstupní hodnotou jsou materiálové vlastnosti reálných materiálů. Jejich přiřazování je prvotně spjato s vytvářením konečnoprvkové sítě. Při generování sítě dojde k přidělení materiálových charakteristik každému elementu na modelu. Na modelu je možno použít i více materiálů, jejichž charakteristiky specifikuje uživatel v knihovně materiálů. Poté je tvořena po částech konečnoprvková síť, kde pro každou část je přiřazen jiný materiál. Materiálové vlastnosti lze měnit i po vytvoření konečnoprvkové sítě. Nejprve jsou vybrány prvky, kterým mají být změněny vlastnosti a pomocí příkazu EMODIF se vybraným prvkům změní materiálové vlastnosti.

14.1

14.1 Vlastnosti použitých materiálů Na modelu byly použity různé materiály s odlišnými vlastnostmi. Charakteristiky těchto materiálů včetně jejich identifikačního čísla, které koresponduje s číslem v materiálovém listu v programu Ansys, jsou uvedeny v tab. 14-1. Tab. 14-1 Charakteristiky použitých materiálů

ID materiálu 1 2 3 4

kde: E [MPa] μ [-] ρ [t.mm-3]

E [MPa] 2,1.105 2,1.105 2,1.105 3,5.104

μ[-] 0,3 0,3 0,3 0,3

ρ [t.mm-3] 7,85.10-9 7,85.10-9 1,4147.10-9 1,12.10-9

- Yongův modul pružnosti - Poissonovo číslo - hustota materiálu

14.1.1 Využití mat. č. 1 na modelu Materiál č. 1 má na modelu největší zastoupení. Jedná se o materiál s vlastnostmi konstrukční oceli. Tento je přiřazen prvkům, které tvoří svařovanou konstrukci věže. Dále je tento materiál přiřazen desce, na které je umístěn rotor Savoniovy elektrárny, také desce, která je umístěna na zadní straně věže včetně připojených čepů.

14.1.1

14.1.2 Využití mat. č. 2 na modelu Materiál č. 2 je přiřazen všem ocelovým lanům, které se vyskytují v modelu. Je užit pro lana kotvící i vysouvací.

14.1.2

14.1.3 Využití mat. č. 3 na modelu Materiál č. 3 je použit na válci, který simuluje větrnou elektrárnu. Vzhledem k faktům, které byly shrnuty v kapitole 12.3.3, byla u tohoto materiálu upravena hustota. Postup výpočtu je taktéž uveden v kapitole 12.3.3.

14.1.3

strana

91

Ansys – použité materiály 14.1.4

14.1.4 Využití mat. č. 4 na modelu Materiál č. 4 má vlastnosti měkkého ABS plastu. Materiálové charakteristiky byly přebrány z webových stránek www.matweb.com, na kterých jsou uvedeny rozsáhlé knihovny rozličných materiálů a jejich charakteristik. Materiál je použit na členy, které vymezují vůli mezi jednotlivými stupni věže a plní funkci poddajného vedení mezi stupni věže.

14.2

14.2 Závěr kapitoly Prvotní přiřazení materiálových vlastností prvkům na geometrickém modelu probíhá současně s vytvářením konečnoprvkové sítě. Materiál je možno prvkům změnit i po vytvoření sítě. Při použití více materiálů se vytváří síť po částech. Na řešeném modelu jsou použity čtyři druhy materiálů lišících se mechanickými vlastnostmi a hustotou. Materiál č. 1 je aplikována na pruty tvořící konstrukci věže a na všechny objemové části geometrického modelu vyjma válce, který reprezentuje elektrárnu, jemuž je přiřazen materiál č. 3. Materiál č. 2 je použit pro všechna lana vyskytující se na modelu. Poslední materiál, přiřazený prvkům vymezujícím vůli mezi stupni věže, má pořadové číslo 4.

strana

92

Ansys – výsledky výpočtů

15 ANSYS – VÝSLEDKY VÝPOČTŮ

15

15.1 Výskyt napěťových maxim

15.1

Geometrický model věže je vytvořen sítí úseček, na které je aplikován prutový prvek Beam189. Nevýhodou takového modelu je, že v místech, kde se na prutovou konstrukci váže jiné těleso, dochází k výskytu napěťových maxim. Je to způsobeno bodovým spojením prutového a objemového modelu. Je proto nutné brát výsledky v okolí těchto bodů s rezervou. Pro názornost je na obr. 15-1 zobrazeno napětí na zadní desce s čepem, kde došlo k zjednodušení šroubového spojení věže a desky. Spojením desky s čepem a věže se podrobně zabývá kapitola 12.3.2.

Obr. 15-1 Napěťová maxima na desce s čepem

Hodnoty těchto maxim v barevné škále, zobrazující rozložení napětí na modelu, vytlačí hodnoty napětí na konstrukci věže. Proto pro lepší prezentaci výsledků byla místa napěťových maxim nejvíce ovlivňující škálu napětí odebrána.

15.2 Zátěžný stav č. 1

15.2

Definice zátěžného stavu č. 1 je popsána v kapitolách 7 a 13.1. Pro zátěžný stav byl proveden statický výpočet a výpočet vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability. Pomocí statického výpočtu byly získány informace o rozložení napětí na konstrukci věže, o deformaci jednotlivých členů tvořících věž, ale také o deformaci věže jako celku. 15.2.1 Prezentace výsledků statického výpočtu dle podmínky Na obr. 15-2 je zobrazeno rozložení redukovaného napětí HMH na modelu věže. V Ansysu je redukované napětí dle podmínky HMH označeno jako von Mises stress - SEQV. Pro přehlednost byly vybrány dva detaily. Detail a) zachycuje výskyt napěťových maxim vzniklých navázáním vysouvacích lan na konstrukci prvního a druhého stupně věže. Na detailu b) je zobrazeno rozložení napětí v nejvíce namáhané části věže. Z výše uvedených důvodů byla z modelu odstraněna deska s čepem. Jak je z obrázku patrno, největší redukované napětí vyskytující se na konstrukci věže je cca. 65MPa. Nejvíce jsou namáhány zadní stojny věže, které jsou tlakově namáhány vlivem působení větru.

15.2.1

strana

93


Obr. 15-2 Rozložení napětí σRED na konstrukci věže – zátěžný stav č. 1

Důležitou informací je také celková deformace konstrukce. Situace zobrazena na obr. 15-3. Jedná se o vykreslení součtu posuvů jednotlivých uzlů ve všech třech osách. Pro zvýraznění bylo pro vykreslení celkových posuvů nastaveno měřítko 30:1. Barevná škála na levé straně obrázku udává velikost posuvů v mm. V pohledu z půdorysu je zřejmé, jakým směrem se bude celá konstrukce deformovat při působení větru na přední stranu věže.

Obr. 15-3 Celkové posuvy uzlů – zátěžný stav č. 1

Na obr. 15-4 jsou rozebrány jednotlivé složky posuvů ve všech třech osách včetně vyznačených bodů s největším posuvem. Jednotlivé posuvy jsou udávány v mm. Pomocí barevné stupnice je možno určit posuv vybrané části věže. Posuvy UX jsou realizovány v rovině kolmé na směr působení větru. Posuvy UY představují deformaci věže ve směru působení větru. V tomto směru je posuv celé konstrukce strana

94


nejvýraznější. Poslední složkou jsou posuvy UZ proti směru osy z tzn. ve směru působení gravitace, která se také podílí na zatížení konstrukce.

Obr. 15-4 Složky UX, UY a UZ celkových posuvů uzlů – zátěžný stav č. 1

15.2.2 Analýza výsledků statického výpočtu Při zvoleném směru působení větru na konstrukci jsou nejvíce zatíženy zadní stojny prvního stupně věže, ke kterým je připevněna deska s čepem. Maximální redukované napětí dle podmínky HMH (SEQV) je cca 65MPa. Na konstrukci věže jsou použity válcované profily z oceli 11 523, která je doporučena normou ČSN 73 1401 „Navrhování ocelových konstrukcí“. Při známé mezi kluzu pro tuto ocel 441 667 je možno vyjádřit prostou bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti ze vztahu 450 65

15.2.2

6,92

kde: [-]

- prostá bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti pro první zátěžný stav [MPa] - mez pevnosti v kluzu [MPa] - maximální redukované napětí pro první zátěžný stav Z výsledku prosté bezpečnosti je zřejmé, že při aplikovaném zatížení nedojde na konstrukci k meznímu stavu pružnosti.

strana

95


15.2.3

15.2.3 Kontrola vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability U příhradových konstrukcí je nutno tyto ověřit vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability. Pro řešení zadaného problému byl využit lineární výpočet.

Obr. 15-5 Lineární výpočet vzpěrné stability – zátěžný stav č. 1

Řešení tohoto problému probíhá ve dvou krocích. V prvním je stanovena membránová napjatost a z ní je sestavena matice . V druhém kroku probíhá samotné řešení problému vzpěrné stability. Jsou možné dva přístupy řešení. V jednom je model namáhán jednotkovým zatížením a obdržené výsledky udávají kritické zatížení, při kterém dojde k bifurkaci rovnováhy konstrukce. Pro řešení konstrukce mobilní věže byl zvolen druhý přístup, a to s plným zatížením modelu. U zvoleného způsobu řešení pak hodnota koeficientu FACT udává násobek aplikovaného zatížení, při kterém dojde k bifurkaci rovnováhy konstrukce. Součástí výstupu řešení vzpěrné stability je zvýraznění prvku, u kterého dojde nejdříve ke ztrátě stability, a také zobrazení charakteristického tvaru vybočení střednicové plochy prvků. Na obr. 15-5 jsou shrnuty výsledky řešení vzpěrné stability pro daný směr toku větru. Hodnoty na barevné stupnici neodpovídají posuvům v mm. Z obrázku je patrno, že dojde ke ztrátě stability nejdříve u zadních stojen třetího stupně. 15.2.4

15.2.4 Analýza výsledků vzpěrné stability Z obr. 15-5 je patrno, že při daném směru působení větru na konstrukci budou nejvíce náchylné ke ztrátě vzpěrné stability stojny nacházející se na zadní straně třetího stupně. Jedná se konkrétně o úsek, kde třetí stupeň věže je vsazen do stupně druhého. V tomto místě jsou jednotlivé stupně věže v kontaktu. Z hodnoty koeficientu FACT vyplývá, že ke ztrátě vzpěrné stability dojde při 2,719 násobku aplikovaného zatížení. Z obdržených výsledků je zřejmé, že konstrukce je bezpečná vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability.

strana

96


15.3 Zátěžný stav č. 2

15.3

Definice zátěžného stavu č. 2 je popsána v kapitolách 7 a 13.1. Pro zátěžný stav byl proveden statický výpočet a výpočet vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability. 15.3.1 Prezentace výsledků statického výpočtu Na obr. 15-6 je zobrazeno rozložení redukovaného napětí dle podmínky HMH (SEQV) na modelu při působení zatížení na boční stranu věže. Nejvíce namáhanými prvky u této varianty zatížení jsou dvě stojny prvního stupně věže. Tyto stojny se nacházejí na odvrácené straně, než na kterou působí vítr, a jsou namáhány tlakem. Redukované napětí v těchto místech dosahuje cca 70MPa.

15.3.1


Celkové posuvy jednotlivých uzlů jsou zobrazeny na obr. 15-7. Pro zvýraznění deformace věže bylo použito při vykreslování výsledků měřítko 30:1. Barevná škála na levé straně obrázku udává celkové posuvy na modelu věže v mm. V půdorysném pohledu je patrno, jak se bude konstrukce věže deformovat při působení větru, jehož směr je naznačen šipkou. Největší celkový posuv přísluší nejvyššímu bodu na věži. Na obr. 15-8 jsou ve třech pozicích rozebrány posuvy uzlů modelu věže ve směrech os x, y a z. Je zřejmé, že k největším posuvům dochází proti směru osy x, a tudíž ve směru působení větru. Posuvy UY jsou téměř zanedbatelné a realizují se v rovině kolmé na směr působení větru. Poslední složkou celkových posuvů jsou posuvy UZ, které jsou ve směru působení gravitačního zrychlení. U každého detailu je v barevné škále vynesena stupnice posuvů v mm.

strana

97



Obr. 15-8 Složky UX, UY a UZ celkových posuvů uzlů – zátěžný stav č. 2 15.3.2

15.3.2 Analýza výsledků statického výpočtu Při působení větru na boční stranu věže jsou nejvíce namáhány dvě stojny prvního stupně věže. Tyto se nacházejí na odvrácené straně věže, na kterou nepůsobí vítr. Oba popsané prvky konstrukce jsou namáhány tlakem. Maximální redukované napětí dle podmínky HMH (SEQV) je cca 70MPa. Při známé hodnotě maximálního redukovaného napětí na konstrukci je možno vyjádřit prostou bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti ze vztahu

strana

98


450 70

6,43

kde: [-]

- prostá bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti pro druhý zátěžný stav [MPa] - mez pevnosti v kluzu [MPa] - maximální redukované napětí pro druhý zátěžný stav Z výsledku prosté bezpečnosti je zřejmé, že při aplikovaném zatížení nedojde na konstrukci k meznímu stavu pružnosti. 15.3.3 Kontrola vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability Na obr. 15-9 jsou shrnuty výsledky řešení vzpěrné stability pro daný směr toku větru. Z obrázku je patrno, že ke ztrátě vzpěrné stability doje nejdříve u prutu, který se nachází na druhém stupni věže v oblasti překrytí prvního a druhého stupně. U vybraných detailů je patrný vlastní tvar vybočení prutu směrem do vnitřního prostoru věže.

15.3.3


15.3.4 Analýza výsledků vzpěrné stability Z obr. 15-9 je patrno, že při působení větru na boční stranu konstrukce bude nejvíce náchylný ke ztrátě vzpěrné stability prut nacházející se ve spodní části druhého stupně. Na celé konstrukci byl pro daný směr zatížení vyznačen pouze jeden prut. Z hodnoty koeficientu FACT je ale patrno, že ke ztrátě vzpěrné stability dojde při 3,873 násobku aplikovaného zatížení. Z obdržených výsledků je zřejmé, že konstrukce je bezpečná vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability.

15.3.4

strana

99


15.4

15.4 Zátěžný stav č. 3 Definice zátěžného stavu č. 3 je popsána v kapitolách 7 a 13.1. Pro zátěžný stav byl proveden statický výpočet a výpočet vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability.

15.4.1

15.4.1 Prezentace výsledků statického výpočtu Při zátěžném stavu č. 3 je na konstrukci aplikováno největší zatížení. Tok větru namáhá konstrukci ve směru úhlopříčky podstavy věže. Na obr. 15-10 je zobrazeno dle podmínky HMH (SEQV). Je zřejmé, že rozložení redukovaného napětí největší redukované napětí se nachází na jedné stojně prvního stupně věže. Redukované napětí těsně nad deskou s čepem na této stojně dosahuje cca 85 MPa. Maximální napětí na konstrukci po odebrání desky s čepem se nachází v napěťových špičkách v místech, kde je první a druhý stupeň provázán vysouvacími lany.


Na obr. 15-11 jsou vystiženy celkové posuvy konstrukce věže při namáhání ve směru úhlopříčky. Pro zvýšení názornosti vykreslení posuvů bylo změněno měřítko posuvů na 30:1. Barevná škála na levé straně obrázku udává celkové posuvy na modelu věže v mm. Je z ní patrno, že největší posun zaznamenaný při výpočtu je roven 23,37mm a vykoná jej bod v nejvyšší části modelu. Pro názornější prezentaci výsledků celkových posuvů je na obr. 15-11 uveden detail zobrazený v půdorysu. Obr. 15-12 zobrazuje složky celkového posuvu ve třech osách x, y a z. Velikosti maximálních posuvů UX a UY jsou téměř shodné, protože model je jak ve směru osy x, tak ve směru osy y namáhán stejným zrychlením. Jejich vektorovým součtem vznikne výsledné zrychlení, které simuluje zatížení větrem v daném směru. Nepatrný rozdíl je zapříčiněn nesouměrným rozložením a orientací výztuh na věži. Posuvy UZ se realizují ve směru působení tíhového zrychlení.

strana

100



Obr. 15-12 Složky UX, UY a UZ celkových posuvů uzlů – zátěžný stav č. 3 15.4.2

15.4.2 Analýza výsledků statického výpočtu Při působení větru ve směru úhlopříčky podstavy věže je nejvíce namáhána protilehlá zadní stojna na prvním stupni věže. Maximální redukované napětí dle podmínky HMH (SEQV) je cca 85MPa. Při známém redukovaném napětí v nejvíce zatíženém místě konstrukce je možno vyjádřit prostou bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti ze vztahu

strana

101


450 85

5,29

kde: [-]

- prostá bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti pro třetí zátěžný stav [MPa] - mez pevnosti v kluzu [MPa] - maximální redukované napětí pro třetí zátěžný stav

Z výsledku prosté bezpečnosti je zřejmé, že při aplikovaném zatížení nedojde na konstrukci k meznímu stavu pružnosti. 15.4.3

15.4.3 Kontrola vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability Na obr. 15-13 jsou zobrazeny grafické výstupy z řešení vzpěrné stability v programu Ansys. V prostoru překrytí prvního a druhého stupně věže je zvýrazněno několik prutů, u nichž by při navýšení zatížení došlo ke ztrátě vzpěrné stability. Na obr. 15-13 jsou zobrazeny detaily vybočení prutů na konstrukci věže.


strana

102


15.4.4 Analýza výsledků vzpěrné stability Bezpečnost vzhledem k meznímu stavu ztráty vzpěrné stability vyjadřuje koeficient FACT. Z obrázku je zřejmé, že ke ztrátě vzpěrné stability dojde při 5,87 násobku aplikovaného zatížení. Konstrukce je z hlediska ztráty vzpěrné stability bezpečná.

15.4.4

15.5 Ověření kotvicích lan

15.5

Obr. 15-14 Osové síly v kotvicích lanech

V kapitole 10.3 byl proveden návrh kotvicích lan pro mobilní věž. Je nutné provést ověření navržených lan a rozhodnout o jejich vhodnosti pro navrženou konstrukci. Na obr. 15-14 je zobrazen model věže včetně v příslušenství v prostředí programu Ansys. Součástí obrázku jsou také tři detaily, kde každý z nich vystihuje jeden z výše popsaných zátěžných stavů.

strana

103


Na detailu a) je zobrazeno namáhání lan při působení toku větru na přední stranu věže. Z obrázku je patrno, že jsou namáhána přední dvě lana, která zajišťují polohu věže. Zadní dvě lana nejsou namáhána. Na příslušném detailu je na barevné stupnici vynesena velikost síly v ose lana. Pro přední dvě lana tedy platí hodnota osové síly 2741 . Zadní dvě lana jsou prověšena a osová síla v nich je rovna nule. Na detailu b) je zobrazeno namáhání lan při působení toku větru na boční stranu věže. V tomto případě jsou namáhána dvě boční lana, která zajišťují polohu věže. Zbývající dvě lana nejsou zatížena. Ze stupnice je možno odečíst osovou sílu pro namáhaná lana 2668 . Na detailu c) je zobrazeno namáhání lan při působení toku větru ve směru úhlopříčky podstavy věže. U této varianty je plně vytíženo pouze jedno lano a ostatní jsou buďto nezatížena, nebo jsou namáhaná pouze malou osovou silou. Výsledná síla 4715 . v nejvíce namáhaném laně je Pro všechny tři zátěžné stavy byly získány osové síly v kotvicích lanech. Pro ověření vhodnosti byla použita norma ČSN EN 12385-4 „Ocelová a drátěná lana – bezpečnost“. Pro kotvení byla navržena lana 6 x 7 – FC, pevnostní třídy 1770 o průměru 6mm. Z normy pro tento typ lana o zvoleném průměru je minimální síla při přetržení 21,2 . [5] Při známé hodnotě minimální síly při přetržení lana je možno vyjádřit bezpečnost. ,

,

21,2 4715

4,5

kde: [-] [N] [N] [N] [N]

- bezpečnost lana vůči přetržení - minimální síla při přetržení lana - maximální osová síla zatěžují kotvicí lana při zátěžném stavu č. 1 - maximální osová síla zatěžují kotvicí lana při zátěžném stavu č. 2 - maximální osová síla zatěžují kotvicí lana při zátěžném stavu č. 3

Ze vztahu je patrno, že navržená lana vyhovují, a je tedy možno je použít pro kotvení mobilní věže.

strana

104

Závěr

ZÁVĚR Cílem diplomové práce bylo vytvořit konstrukční návrh mobilní věže pro větrnou elektrárnu typu Savonius o malém výkonu. Zadanými parametry byla maximální výška věže a požadavek mobility celého systému. V současné době neexistuje na trhu zařízení, které by sloužilo jako věž pro elektrárnu, a zároveň bylo mobilní. Řešením proto byla sestavena úvodní studie zadaného problému. Snahou bylo navrhnout takové zařízení, které by svojí přítomností nezatěžovalo životní prostředí. Věž byla navržena jako třístupňová teleskopická příhradová konstrukce. Jednotlivé stupně jsou svařeny z válcovaných profilů z materiálu 11 523. Všechny tři stupně mají obdobnou konstrukci. Jsou tvořeny čtyřmi stojnami z profilu L, které jsou orientovány tak aby mezi sebou uzavřely čtvercový prostor. Stojny jsou spojeny výztuhami, které jsou orientovány tak, aby zvýšily tuhost celé konstrukce. Díky teleskopickému řešení věže má tato konstrukce při transportu kompaktní rozměry. Hmotnost celé věže včetně příslušenství je 258 . Návrh konstrukce věže byl od začátku koncipován tak, aby obsluha mohla větrnou elektrárnu instalovat ze země. Tento předpoklad byl při řešení splněn a při instalaci se větrná elektrárna ustavuje na sklopnou upínací desku, která se nachází 1,4m nad zemí. Navržením příhradové konstrukce byl také sledován záměr snížení velikosti ploch, na kterou působí vítr, a tím tak minimalizovat namáhání konstrukce větrem. Pro ovládání věže jsou použity dva ruční šnekové navijáky a systém lan. Tento systém byl zvolen díky své jednoduchosti, nízké hmotnosti a také proto, že pro svůj provoz nepotřebuje externí zdroje energie. Obsluha věže je proto plně manuální a není potřeba na místo instalace věže zvlášť přepravovat externí zdroj energie, která by uvedla celou konstrukci do funkčního stavu. Vztyčení věže je realizováno ručním navijákem umístěným na podvozku věže. Teleskopické vysouvání je ovládáno jedním navijákem a dvěma lany. Vhodnou volbou rozložení kladek ve věži bylo docíleno snížení potřebné tažné síly. Následně bylo možno použít naviják o nižší nosnosti. Zatížení věže větrem bylo zpracováno dle normy ČSN 27 0103 „Navrhování ocelových konstrukcí“. Z této byly použity pasáže týkající se zatížení ocelových konstrukcí větrem. Výpočtem byly obdrženy tři síly simulující zatížení větrem a působící na konstrukci ve třech hlavních směrech. Ve výpočtu bylo uvažováno působení větru na přední a boční stranu věže a také působení větru na konstrukci ve směru úhlopříčky podstavy věže. Řešen byl také problém převodu zatěžujících sil na jiné ekvivalentní zatížení, které by se dalo aplikovat na model v programovém prostředí Ansys. Při známé hmotnosti věže a příslušenství byly síly převedeny na zrychlení a tímto byla zatížená v daném směru celá konstrukce. Mobilita věže byla zajištěna navržením přívěsu pro věž. Tento je navržen jako svařovaná rámová konstrukce. Přívěs je opatřen systémem kladek pro vedení lana, portálem pro upevnění věže, zadní podpěrou zajišťující polohu věže při transportu a uzamykatelnými prostorami. Přívěs je také opatřen osvětlením a signalizačními prvky dle vyhlášky FMD č. 90/1975 Sb. a příslušnou kabeláží. Pro přívěs byla navržena náprava s nosností do 750kg a umístěna tak aby tažné zařízení na vozidle nebylo zatíženo větší silou než 1kN. Pro věž byl proveden rozbor možností kotvení do různých typů podloží. Stabilitu věže zajišťují kromě kotvicích lan také výsuvné nohy, které se nacházejí na otočných a výsuvných ramenech na přívěsu. Otočná ramena jsou při provozu větrné elektrárny

strana

105

Závěr

zajištěny obdobou Hirthových kroužků a výsuvná ramena jsou zajištěna pružinovými pístky. Konstrukce věže byla ověřena pomocí metody konečných prvků v prostředí programu Ansys. Pro jednotlivé zátěžné stavy bylo zjištěno rozložení redukovaného napětí a posuvů uzlů na modelu věže. Dále byla provedena kontrola konstrukce vzhledem k meznímu stavu vzpěrné stability. Pro každý zátěžný stav byla provedena analýza obdržených výsledků. Model věže byl zhotoven v prostředí programu Autodesk Inventor v.11. Výpočty metodou konečných prvků byly provedeny v programu Ansys v.10. Vizualizace modelu byla zhotovena v programu 3D Studio Max. Dalším pokračováním při řešení konstrukce mobilní věže by mohla být napěťově deformační analýza rámu podvozku jak při statickém zatížení hmotností věže při provozu elektrárny tak při simulaci překonávání nerovností na vozovce. Při výrobě více kusů se nabízí možnost provedení analýzy projektu po stránce finanční.

strana

106

Seznam použitých zdrojů

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] SCHULZ, H. Savoniův rotor. 1. vyd. Ostrava: Hel, 2005. 77 s. ISBN 80-86167-26-7. [2] SCHAUER, P. Hydraulické pohony strojů [online]. c2001, poslední revize 01.11.2004 [cit.2006-05-31]. Dostupné z: < http://www.ite.fme.vutbr.cz/ opory/hydraulicke.pohony.stroju.pdf >. [3] PETRUŠKA J. Počítačové metody mechanikyII. – Metoda konečných prvků., FSI VUT v Brně, 2003. [4] ČSN 27 0103 „Navrhování ocelových konstrukcí jeřábů“, vyd. Praha: Vydavatelství norem, 1990. 68 s. [5] ČSN EN 12385-4 „Ocelová drátěná lana - Bezpečnost“, vyd. Praha: Český normalizační institut, 2004. 28 s. [6] Termodynamika a energetické stroje [online]. c2006, [cit.2006-05-20]. Dostupné z: < http://old.mendelu.cz/~klepar/fls/ez/oez_wind.htm >. [7] Internetová encyklopedie Wikipedia [databáze online]. Florida (USA), 2003, 2006[citováno 2006-05-25]. Dostupné z URL < http://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftwerk >. [8] Internetová encyklopedie Wikipedia [databáze online]. Florida (USA), 2003, 2006 [citováno 2006-06-03]. Dostupné z URL < http://de.wikipedia.org/wiki/Savonius-Rotor >. [9] Internetová encyklopedie Wikipedia [databáze online]. Florida (USA), 2003, 2006 [citováno 2006-06-03]. Dostupné z URL < http http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:WindCompilationW1.jpg >. [10] Aerogeneradores Savonius [online]. c2005, [cit.2006-04-15]. Dostupné z: < http://www.el-arquitecto.com/aerogenerador-savonius.htm >. [11] AL-KO Kober Corporation [online]. c2006, [cit.2007-01-17]. Dostupné z: < http://www.al-kousa.com/ >. [12] Energo wind system, a.s. [online]. c2000, [cit.2006-05-05]. Dostupné z: . [13] Kleine Windkraftwerke [online]. c2005, [cit.2006-05-20]. Dostupné z: < http://home.vr-web.de/max.oppl/wind.htm >. [14] KONSTRUKCE Media, s.r.o. [online]. c2007, [cit.2007-04-02]. Dostupné z: < http://www.technologickestavby.cz/clanek/5-arove-zinkovani-ponoremzakladni-informace-pro-uzivatele/ >.

strana

107

Seznam použitých zdrojů

[15] KV VENTI s.r.o. [online]. c2004, poslední revize 10.05.2006 [cit.2006-05-30] Dostupné z: < http://www.vetrnaelektrarna.cz/ >. [16] Model automobilu, [online]. [cit.2007-05-08]. Dostupné z: < http://www.archibase.net/gdl?category=0&page=2971 >. [17] SAS IP, Inc. Nápověda programového systému Ansys 10.0. [18] SKF Ložiska, a.s. [online]. c2005, [cit.2007-03-24]. Dostupné z: < www.skf.cz >. [19] The Timken Company [online]. c2006, [cit.2007-03-20]. Dostupné z: < http://timken.dirxion.com/Main.asp >. [20] HILTI ČR, s.r.o. [online]. c2006, [cit.2007-02-26]. Dostupné z: < http://www.hilti.cz/ >. [21] Fischer, GmbH. [online]. c2006, [cit.2007-02-26]. Dostupné z: < http://www.fischer.de/befestigung/de/index.html >. [22] WIEGEL CZ žárové zinkování, s.r.o. [online]. c2004, [cit.2007-04-02]. Dostupné z: < http://www.wiegel.cz/ >. [23] Wind Art Work and Design [online]. c2006, [cit.2006-06-01]. Dostupné z: < http://www.windside.com/design.html >.

strana

108

Seznam použitých zkratek, symbolů a veličin

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN A A0 ΣA

[m2] [m2] [m2]

-

E F F1 F1B F1P F2 F2B F2P F2ω F3 F3B F3P F4 F4X F4Y FB FKX

[Pa] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N]

-

FKY

[N]

-

FKZ

[N]

-

Fl1 Fl2 Fl3 Fmax Fminl FP FRa;b FRXa;b FRYa;b FU Fω1 H L P Rm UX UY UZ

[N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [mm] [mm] [J] [MPa] [mm] [mm] [mm]

-

plocha vytvořená průmětem profilu do roviny kolmé na tok větru celková plocha věže daná jejím obrysem součet ploch průmětů všech nezastíněných prvků v daném směru působení větru Yongův modul pružnosti vektor síly působící na věž v daném směru síla vyvozená hmotností větrné elektrárny síla působící na první segment věže z boku síla působící na první segment věže zepředu síla vyvozená hmotností horní části věže síla působící na druhý segment věže z boku síla působící na druhý segment věže zepředu normová síla větru na nezastíněný prvek síla vyvozená hmotností spodní části věže síla působící na třetí segment věže z boku síla působící na třetí segment věže zepředu síla vyvozená v laně síla vyvozená v laně ve směru osy x síla vyvozená v laně ve směru osy y síla působící na věž z boku síla ve směru osy x uvažovaná při návrhu kotvy do pevného podloží síla ve směru osy y uvažovaná při návrhu kotvy do pevného podloží síla ve směru osy z uvažovaná při návrhu kotvy do pevného podloží maximální osová síla zatěžují kotvicí lana při zátěžném stavu č. 1 maximální osová síla zatěžují kotvicí lana při zátěžném stavu č. 2 maximální osová síla zatěžují kotvicí lana při zátěžném stavu č. 3 maximální síla zatěžující ložisko minimální síla při přetržení lana síla působící na věž zepředu reakční síla na jednom z čepů A, B složka síly FRa;b v ose x složka síly FRa;b v ose y síla působící na věž ve směru úhlopříčky normová síla větru na zastíněný prvek výška profilu, která je vystavena působení větru délka profilu, která je vystavena působení větru potenciál vnějšího zatížení mez pevnosti v kluzu posuv uzlů v programu Ansys ve směru osy x posuv uzlů v programu Ansys ve směru osy y posuv uzlů v programu Ansys ve směru osy z

strana

109


V

[m3]

-

W a a b

[J] [mm] [m.s-2] [mm]

-

bξ c

[-] [mm]

-

dE dl dlkv dlvy dlvz e f h kk1

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [-] [mm] [-]

-

kk2

[-]

-

kk3

[-]

-

kl l1 l2 l3 l4 lE ll m m1 m2 m3 mC mE ml mp p pDd pDs v α β

[-] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [MPa] [MPa] [MPa] [mm] [-] [°] [°] [°]

-

γ δ

strana

110

objem válce nahrazujícího model Savoniovy elektrárny v Ansysu energie napjatosti tělesa strana v trojúhelníku reprezentující napnuté lano vektor zatěžujícího zrychlení působícího na věž v daném směru strana v trojúhelníku reprezentující vzdálenost mezi kloubem a bodem dotyku lana a kladky součinitel poměru obtékané výšky a délky profilu strana v trojúhelníku reprezentující vzdálenost mezi kloubem a koncem věže maximální průměr rotoru průměr ložiska průměr kotvicích lan průměr lana určeného pro vysouvání věže průměr lana určeného pro vztyčení věže šířka podstavy věže součinitel tření délka podstavy věže prostá bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti pro první zátěžný stav prostá bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti pro druhý zátěžný stav prostá bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti pro třetí zátěžný stav bezpečnost lana vůči přetržení rameno pro sílu F1 rameno pro sílu F2 rameno pro sílu F3 rameno pro sílu F4 výška větrné elektrárny délka ložiska hmotnost Savoniovy elektrárny hmotnost prvního stupně věže hmotnost druhého stupně věže hmotnost třetího stupně věže celková hmotnost konstrukce věže hmotnost Savoniovy elektrárny hmotnost kotvicího lana a příslušenství hmotnost přívěsu bez nápravy tlakové zatížení ložiska přípustné dynamické zatížení přípustné statické zatížení délka ramene pro sílu v laně součinitel vyplnění úhel sevřený mezi lanem a konstrukcí věže úhel při vrcholu C odklon věže od vodorovné roviny


θ μ ξω П ρ

ρE

[°] [-] [-] [J] [kg.m-3] [kg.m-3]

-

σRED σRED1 σRED2 σRED3 ϕ ϕ1B

[Pa] [MPa] [MPa] [MPa] [-] [-]

-

ϕ1P

[-]

-

ϕ2B

[-]

-

ϕ2P

[-]

-

ϕ3B

[-]

-

ϕ3P

[-]

-

ω1

[Pa]

-

úhel odklonu lana od vodorovné roviny Poissonovo číslo tvarový součinitel celková potenciální energie hustota hustota válce nahrazujícího model Savoniovy elektrárny v Ansysu redukovaného napětí dle podmínky HMH (SEQV) maximální redukované napětí pro první zátěžný stav maximální redukované napětí pro druhý zátěžný stav maximální redukované napětí pro třetí zátěžný stav součinitel zastínění součinitele zastínění pro první stupeň věže při proudění větru na boční stranu věže součinitele zastínění pro první stupeň věže při proudění větru na přední stranu věže součinitele zastínění pro druhý stupeň věže při proudění větru na boční stranu věže součinitele zastínění pro druhý stupeň věže při proudění větru na přední stranu věže součinitele zastínění pro třetí stupeň věže při proudění větru na boční stranu věže součinitele zastínění pro třetí stupeň věže při proudění větru na přední stranu věže normový tlak větru na ocelovou konstrukci

strana

111

Seznam obrázků a grafů

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. 1-1 Velké větrné elektrárny v Dánsku [7] Obr. 1-2 Vnitřní prostory věže větrné elektrárny [7] Obr. 1-3 Skružování segmentů věže větrné elektrárny [15] Obr. 1-4 3D model gondoly malé větrné elektrárny [9] Obr. 1-5 Druhy stožárů malých větrných elektráren [12] Obr. 2-1 Průtok vzduchu Savoniovým rotorem [8] Obr. 2-2 Upevnění Savoniova rotoru [10] Obr. 3-1 Více segmentový stožár Obr. 3-2 Jedno segmentový stožár [23] Obr. 3-3 Druhy hydraulických přímočarých motorů [2] Obr. 3-4 Teleskopická příhradová věž Obr. 4-1 Orientace profilů na věži Obr. 4-2 Ustavení desky s čepem na věž Obr. 4-3 Zajištění vysouvacího lana Obr. 4-4 Kluzné plochy pro vedení věže a plastový kluzák pro vedení lana Obr. 4-5 Deska pro ustavení Savoniovy elektrárny Obr. 4-6 Možnost instalace elektrárny ze země Obr. 4-7 Vedení lana na podvozku Obr. 4-8 Vedení lana v mobilní věži Obr. 4-9 Vedení lana v mobilní věži - schéma Obr. 5-1 Schéma navedení lana na kladku Obr. 5-2 Schéma rozložení sil na věži Obr. 5-3 Zobrazení úhlů uvažovaných ve výpočtu Obr. 6-1 Typy valivých ložisek [19] Obr. 6-2 Kluzná samomazná ložiska [18] Obr. 6-3 Řez samomaznou vrstvou ložiska [18] Obr. 6-4 Ložiskové těleso Obr. 7-1 Hlavní směry působení větru na konstrukci věže Obr. 7-2 Znázornění nezastíněných a zastíněných prvků Obr. 7-3 Obtékání profilů Obr. 7-4 Vyznačení rozměrů e a h Obr. 8-1 Úprava bočnice podvozku Obr. 8-2 Oje přívěsu včetně příslušenství Obr. 8-3 Zajištění polohy věže Obr. 8-4 Portál pro upevnění věže Obr. 8-5 Zadní podpěra a uzamykatelné prostory Obr. 8-6 Řez povlakem vytvořeným při žárovém zinkování [22] Obr. 8-7 Osa s pryžovými tlumícími členy [11] Obr. 8-8 Průřez osou při různých pracovních stavech [11] Obr. 8-9 Rozložení světel v zadní části přívěsu Obr. 8-10 Vedení kabelů ke světlům Obr. 8-11 Připevnění kabeláže k přívěsu Obr. 9-1 Akční rádius výsuvných noh Obr. 9-2 Zajištění předních otočných ramen Obr. 9-3 Pozice zadních výsuvných noh Obr. 9-4 Zajištění zadních výsuvných ramen strana

112

16 17 17 18 19 20 20 21 21 22 24 25 26 27 28 28 29 30 31 32 33 34 35 38 39 40 42 43 44 45 46 49 50 50 51 52 52 53 54 55 56 56 57 58 59 59

Seznam obrázků a grafů

Obr. 11-1 Rozmístění kotevních bodů Obr. 11-2 Kotva do měkkého podloží Obr. 11-3 Mechanická kotva HILTI [20] Obr. 11-4 Prostředí programu PROFIS Anchor 1.9.0 Obr. 11-5 Instalace chemické kotvy [21] Obr. 11-6 Prostředí programu Compufix 7.3 Obr. 11-7 Propojení kotevního lana a kotvicí patky Obr. 12-1 Schéma prvku Beam189 Obr. 12-2 Schéma prvku Link10 [17] Obr. 12-3 Schéma prvku Mesh200 [17] Obr. 12-4 Schéma prvku Solid168 [17] Obr. 12-5 Modelování odspodu směrem nahoru Obr. 12-6 Model mobilní věže pro Savoniův generátor Obr. 12-7 Natočení a posun průřezu profilu Obr. 12-8 Model desky s čepem pro uchycení na přívěs Obr. 12-9 Model desky se Savoniovým rotorem Obr. 12-10 Systém vysouvacích lan uvnitř věže Obr. 12-11 Vymezení vůle mezi stupni pomocí prvku Beam189 Obr. 12-12 Vymezení vůle mezi stupni pomocí prvku Link10 Obr. 12-13 Vymezení vůle dvěma prvky s vlastnostmi měkkého plastu Obr. 12-14 Kladky uvnitř věže Obr. 13-1 Tři hlavní směry působení větru Obr. 13-2 Vazby aplikované na čep Obr. 13-3 Zapření věže o konstrukci přívěsu Obr. 13-4 Vazba na konci kotevního lana Obr. 15-1 Napěťová maxima na desce s čepem Obr. 15-2 Rozložení napětí σRED na konstrukci věže – zátěžný stav č. 1 Obr. 15-3 Celkové posuvy uzlů – zátěžný stav č. 1 Obr. 15-4 Složky UX, UY a UZ celkových posuvů uzlů – zátěžný stav č. 1 Obr. 15-5 Lineární výpočet vzpěrné stability – zátěžný stav č. 1 Obr. 15-6 Rozložení napětí σRED na konstrukci věže – zátěžný stav č. 2 Obr. 15-7 Celkové posuvy uzlů – zátěžný stav č. 2 Obr. 15-8 Složky UX, UY a UZ celkových posuvů uzlů – zátěžný stav č. 2 Obr. 15-9 Lineární výpočet vzpěrné stability – zátěžný stav č. 2 Obr. 15-10 Rozložení napětí σRED na konstrukci věže – zátěžný stav č. 3 Obr. 15-11 Celkové posuvy uzlů – zátěžný stav č. 3 Obr. 15-12 Složky UX, UY a UZ celkových posuvů uzlů – zátěžný stav č. 3 Obr. 15-13 Lineární výpočet vzpěrné stability – zátěžný stav č. 3 Obr. 15-14 Osové síly v kotvicích lanech Graf 5-1 Síla na čepu v závislosti na náklonu věže Graf 5-2 Síla v laně v závislosti na náklonu věže

61 62 63 65 66 67 68 71 72 73 74 75 76 77 78 80 81 83 84 85 86 88 89 89 90 93 94 94 95 96 97 98 98 99 100 101 101 102 103 37 37

strana

113

Seznam tabulek

SEZNAM TABULEK Tab. 5-1 Změna sil v uložení Tab. 11-1 Zatížení kotvicích bodů Tab. 13-1 Zatěžující zrychlení Tab. 13-2 Rozbor zátěžných stavů Tab. 14-1 Charakteristiky použitých materiálů

strana

114

36 62 88 88 91

Seznam příloh

SEZNAM PŘÍLOH Příloha č.1 Pohled č.1 na sestavu mobilní věže v rozloženém stavu [16] 2 Příloha č.2 Pohled č. 2 na sestavu mobilní věže v rozloženém stavu 3 Příloha č.3 Pohled č. 3 na sestavu mobilní věže v rozloženém stavu 4 Příloha č.4 Pohled č. 1 na sestavu mobilní věže ve složeném stavu 5 Příloha č.5 Pohled č. 2 na sestavu mobilní věže ve složeném stavu 6 Příloha č.6 Pohled č. 3 na sestavu mobilní věže ve složeném stavu 7 Příloha č.7 Výstupní zpráva z návrhu mechanické kotvy od firmy HILTI 8 Příloha č.8 Výstupní zpráva z návrhu chemické kotvy od firmy Fischer GmbH. 12 Příloha č.9 Výpočet zatěžující síly působící na přední stranu prvního stupně věže 17 Příloha č.10 Výpočet zatěžující síly působící na boční stranu prvního stupně věže 18 Příloha č.11 Výpočet zatěžující síly působící na přední stranu druhého stupně věže19 Příloha č.12 Výpočet zatěžující síly působící na přední stranu třetího stupně věže 20 Příloha č.13 Změna parametrů v průběhu překlápění věže 21

strana

115

Seznam výkresové dokumentace

SEZNAM VÝKRESOVÉ DOKUMENTACE Výkres sestavy mobilní věže Kusovník sestavy mobilní věže

strana

116

0 – S69 – 50/000 K – 4 – S69 – 50/000

Úvodní stránka příloh

přílohy Návrh mobilní věže pro Savoniův větrný generátor o malém výkonu vypracoval: Martin Zimmerman vedoucí práce: Ing. Daniel Koutný aplikovaná mechanika, počítačová podpora konstruování 2007

strana

117

Příloha č.1

Příloha č.1 Pohled č.1 na sestavu mobilní věže v rozloženém stavu [16]

strana

2

Příloha č.2

Příloha č.2 Pohled č. 2 na sestavu mobilní věže v rozloženém stavu

strana

3

Příloha č.3

Příloha č.3 Pohled č. 3 na sestavu mobilní věže v rozloženém stavu

strana

4

Příloha č.4 Pohled č. 1 na sestavu mobilní věže ve složeném stavu

Příloha č.4

strana

5


Příloha č.5

strana

6


Příloha č.6

strana

7

Příloha č.7

Příloha č.7 Výstupní zpráva z návrhu mechanické kotvy od firmy HILTI

strana

8

Příloha č.7

strana

9

Příloha č.7

strana

10

Příloha č.7

strana

11

Příloha č.8

Příloha č.8 Výstupní zpráva z návrhu chemické kotvy od firmy Fischer GmbH.

strana

12

Příloha č.8

strana

13

Příloha č.8

strana

14

Příloha č.8

strana

15

Příloha č.8

strana

16

Příloha č.9 Výpočet zatěžující síly působící na přední stranu prvního stupně věže

Příloha č.9

strana

17

Příloha č.10 Výpočet zatěžující síly působící na boční stranu prvního stupně věže

Příloha č.10

strana

18

Příloha č.11 Výpočet zatěžující síly působící na přední stranu druhého stupně věže

Příloha č.11

strana

19

Příloha č.12 Výpočet zatěžující síly působící na přední stranu třetího stupně věže

Příloha č.12

strana

20

Příloha č.13

Příloha č.13 Změna parametrů v průběhu překlápění věže

Náklon věže [°] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Rameno pro Síla v laně sílu v laně [N] [mm] 582,63 11446,97 588,12 11338,28 593,57 11229,16 598,96 11119,60 604,30 11009,60 609,58 10899,17 614,81 10788,30 619,99 10676,99 625,11 10565,24 630,17 10453,06 635,17 10340,44 640,12 10227,40 645,01 10113,92 649,84 10000,01 654,60 9885,68 659,31 9770,92 663,95 9655,75 668,53 9540,17 673,04 9424,18 677,49 9307,78 681,87 9190,98 686,19 9073,79 690,43 8956,21 694,61 8838,25 698,71 8719,91 702,74 8601,20 706,70 8482,13 710,58 8362,70 714,39 8242,92 718,12 8122,80 721,76 8002,34 725,33 7881,56 728,81 7760,46 732,20 7639,05 735,51 7517,34 738,73 7395,34 741,86 7273,06 744,89 7150,51 747,82 7027,69 750,66 6904,62

FRa;b [N]

FRXa;b [N]

FRYa;b [N]

6577,76 6514,18 6450,30 6386,13 6321,67 6256,91 6191,86 6126,52 6060,89 5994,96 5928,75 5862,25 5795,46 5728,39 5661,04 5593,41 5525,50 5457,31 5388,86 5320,13 5251,15 5181,89 5112,38 5042,62 4972,60 4902,34 4831,83 4761,08 4690,10 4618,89 4547,45 4475,79 4403,92 4331,84 4259,55 4187,07 4114,39 4041,53 3968,48 3895,26

4651,71 4642,54 4632,09 4620,36 4607,37 4593,11 4577,58 4560,79 4542,75 4523,45 4502,91 4481,13 4458,12 4433,88 4408,42 4381,75 4353,87 4324,79 4294,53 4263,09 4230,48 4196,70 4161,78 4125,72 4088,52 4050,21 4010,79 3970,28 3928,69 3886,02 3842,30 3797,53 3751,73 3704,91 3657,10 3608,29 3558,51 3507,77 3456,09 3403,49

4650,65 4569,61 4488,89 4408,51 4328,47 4248,81 4169,53 4090,66 4012,21 3934,21 3856,67 3779,61 3703,05 3627,01 3551,51 3476,56 3402,20 3328,43 3255,27 3182,75 3110,88 3039,69 2969,18 2899,39 2830,32 2762,00 2694,45 2627,69 2561,73 2496,59 2432,30 2368,86 2306,31 2244,65 2183,91 2124,10 2065,24 2007,35 1950,45 1894,56

strana

21

Příloha č.13

Náklon věže [°] 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

strana

22

Rameno pro Síla v laně sílu v laně [N] [mm] 753,39 6781,31 756,02 6657,77 758,53 6534,01 760,93 6410,04 763,22 6285,87 765,38 6161,52 767,42 6036,99 769,32 5912,31 771,08 5787,47 772,71 5662,51 774,18 5537,42 775,49 5412,22 776,64 5286,93 777,61 5161,56 778,40 5036,13 778,99 4910,65 779,38 4785,13 779,54 4659,60 779,48 4534,06 779,16 4408,53 778,57 4283,03 777,70 4157,58 776,52 4032,18 775,00 3906,85 773,12 3781,61 770,85 3656,46 768,15 3531,42 764,98 3406,50 761,30 3281,69 757,07 3157,00 752,22 3032,42 746,69 2907,93 740,41 2783,51 733,29 2659,12 725,26 2534,69 716,20 2410,15 705,99 2285,36 694,51 2160,17 681,61 2034,34 667,11 1907,56

FRa;b [N]

FRXa;b [N]

FRYa;b [N]

3821,88 3748,34 3674,64 3600,80 3526,83 3452,72 3378,51 3304,18 3229,76 3155,25 3080,67 3006,02 2931,33 2856,61 2781,88 2707,14 2632,43 2557,76 2483,16 2408,66 2334,28 2260,06 2186,04 2112,26 2038,78 1965,65 1892,95 1820,75 1749,16 1678,28 1608,26 1539,26 1471,48 1405,17 1340,63 1278,22 1218,41 1161,75 1108,94 1060,83

3349,97 3295,56 3240,27 3184,12 3127,13 3069,31 3010,69 2951,27 2891,09 2830,15 2768,48 2706,10 2643,02 2579,27 2514,87 2449,83 2384,19 2317,95 2251,14 2183,79 2115,91 2047,52 1978,66 1909,34 1839,59 1769,44 1698,90 1628,00 1556,77 1485,24 1413,43 1341,38 1269,11 1196,66 1124,05 1051,33 978,54 905,72 832,91 760,17

1839,69 1785,86 1733,10 1681,41 1630,82 1581,34 1532,99 1485,80 1439,77 1394,93 1351,30 1308,89 1267,73 1227,84 1189,23 1151,92 1115,95 1081,32 1048,07 1016,22 985,79 956,82 929,33 903,35 878,92 856,08 834,87 815,33 797,51 781,47 767,28 755,00 744,74 736,57 730,62 727,02 725,93 727,56 732,13 739,94

Příloha č.13

Náklon věže [°] 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

Rameno pro Síla v laně sílu v laně [N] [mm] 650,85 1779,39 632,60 1649,24 612,16 1516,26 589,28 1379,29 563,71 1236,69 535,20 1086,08 503,49 924,00 468,36 745,24 429,62 541,77 387,14 300,65 340,89 0,00

FRa;b [N]

FRXa;b [N]

FRYa;b [N]

1018,46 983,06 956,11 939,27 934,45 943,75 969,51 1014,60 1082,82 1179,99 1316,00

687,55 615,14 543,01 471,27 400,04 329,51 259,89 191,51 124,84 60,61 0,00

751,35 766,82 786,94 812,49 844,49 884,35 934,03 996,36 1075,60 1178,43 1316,00

strana

23

NÁVRH MOBILNÍ VĚŽE PRO SAVONIŮV VĚTRNÝ GENERÁTOR O MALÉM VÝKONU

Recommend Documents