بخشی از مقاله
چکیده _
برج یکی از اجزای توربین بادی بوده که میتواند به شکل-های خرپایی و لولهای ساخته شود. تفاوت این دو روش در هزینه تولید آنها و همچنین تفاوت در شیوه دسترسی به ناسل خواهد بود. در نوع لولهای، اتصال مقاطع و یکپارچه نمودن برج، توسط فلنج صورت میگیرد. طراحی و تعیین پارامترهای اتصال فلنجی همواره در آیین نامه-های مختص توربینبادی مورد توجه قرار گرفته است. بنابراین در این مقاله ابتدا روش طراحی فلنج بر اساس استاندارد EN 1993-3-2 معرفی شده و سپس تحلیل عددی سه نوع اتصال با ضخامتهای فلنج متفاوت برای توربین بادی 250 کیلووات انجام شده است. در نهایت با پیاده سازی روش سایدل، و به کمک روابط اشمیت-نپر طرح مناسب انتخاب میشود.
مقدمه
پیشرفتهای شگرف در زمینه توسعه توربینهای بادی جهت تولید برق از سال 1975 آغاز شد و حدود سال 1980 اولین توربین مدرن به شبکه متصل گردید. به لطف افزایش رویکرد کشورهای جهان به توسعه انرژیهای پاک، بهکارگیری توربینهای بادی جهت تولید انرژی، از اهمیت فراوانی برخوردار شده است. برج، یکی از اجزای توربین بادی بوده که میتواند به شکلهای خرپایی و لولهای طراحی و ساخته شود. تفاوت این دو روش در هزینه تولید آنها و همچنین تفاوت در شیوه دسترسی به ناسل خواهد بود. برجهای لولهای از چندین مقطع با ارتفاعهای مختلف ساخته شده و از اتصال فلنجی برای یکپارچه کردن مقاطع استفاده میشود. لازم به ذکر است برای طراحی ابعاد و پارامترهای هندسی برج، میتوان از استاندارد EN 1993-3-2 استفاده نمود
این پارامترها که در »شکل «1 نمایش داده شدهاند شامل قطر خارجی و داخلی فلنج، تعداد و قطر پیچهای مورد استفاده، فاصله محور سوراخ از دیواره، فاصله محور سوراخهای فلنج از لبه آزاد - قطر داخلی - و همچنین ضخامت دیواره میباشد. پس از تعیین پارامترهای هندسی فلنج، به تحلیل عددی آن پرداخته و نمودار سایدل رسم میشود. روش سایدل روش معتبری است که در آییننامه [2] DNVGL برای طراحی و تحلیل فلنجها پیشنهاد شدهاست.
شکل :1 فلنج برج توربین بادی و پارامترهای هندسی آن
طراحی فلنج
مشخصات ابعادی فلنج و پیچ
پارامترهای هندسی مورد نیاز در طراحی فلنج، همانطور که در »شکل «2 نمایش داده شده است، شامل فاصله لبه آزاد فلنج تا محور پیچ - a - ، فاصله محور پیچ تا صفحه میانی دیواره - b - ، قطر سوراخ و تعداد آنها و همچنین ضخامت فلنج - t - است. ضخامت دیواره برج با s و قطر نامی پیچ با d نمایش داده میشود.
شکل :2 پارامترهای طراحی فلنج
قطر خارجی فلنج با Da نمایش داده میشود و برای محاسبه قطر داخلی فلنج Di داریم:
فاصله b بر این اساس انتخاب میشود که در هنگام مونتاژ فلنجها، تداخلی بین ابزار اعمال پیشبار و بدنه برج ایجاد نشود. بنابراین برای محاسبه b داریم:
که emin فاصله بین مرکز سوراخ پیچ با جداره برج است و بر اساس استاندارد و اندازههای پیشنهادی مندرج در کاتالوگ مربوط به ابزار اعمال پیشبار مانند ترکمتر انتخاب میشود. در این مقاله emin =54mm در نظر گرفته شده است.
با تعیین فاصله b میتوان قطر دایره منطبق بر مرکز سوراخ پیچها را از رابطه زیر محاسبه کرد:
هر چه فاصله محور پیچ تا دیواره برج کمتر باشد، سهم پیچهای اتصال دهنده فلنج، از تحمل نیروی خارجی کاهش خواهد یافت.
با استفاده از استاندارد EN 1993-3-2، مشخصات هندسی فلنچ برج توربین بادی 250 کیلووات مطابق »جدول «1 تعیین شده است:
جدول :1 مشخصات فلنج میانی برج توربین بادی
تحلیل فلنج
روش پترسون
در این روش [3]، برای تحلیل فلنج از تنشهای برشی و پیچشی صرف نظر میشود و فقط تنشهای عمودی و خمشی حائز اهمیت خواهند بود. با مشخص بودن نیروهای عمودی وارد بر دیواره برج در مجاورت مقطع فلنج میتوان تنشهای فلنج و پیچ را بدست آورد. در این روش فرض میشود که مقاومت فلنج سه بعدی - که بیشتر تحت تنش های محوری ناشی از خمش میباشد - با مقاومت یک قطاع تحت کشش از فلنج با گام مشخص، معادل است »شکل .«1 بدین ترتیب بر اساس تئوری پترسون، مقاومت استاتیکی فلنج، توسط شکست در پیچ یا فلنج یا هر دو تعیین میشود.
در روش پترسون، فلنج به صورت تیر یک سرگیردار در نظر گرفته میشود و انواع مودهای شکست با توجه به موقعیت بروز پلاستیسیته در اتصال فلنجی طبقهبندی میشوند. برای هر حالت شکست، یک نیروی کششی Fu متناظر با آن مود شکست محاسبه میشود. بنابراین مقاومت اتصال فلنج برابر با کمترین مقاومت اتصال در بین مودهای شکست در نظر گرفته میشود
شکل :3 انواع شکل مد های شکست پترسون برای فلنج L شکل
روش سایدل
در روش سایدل [4] مود شکست C از روش پترسون بر اساس آزمایشهای تجربی و تحلیلهای عددی انجامشده توسط سایدل به دو مود شکست جداگانه D و E طبقهبندی میشود - شکل . - 4 این تقسیمبندی بر اساس موقعیت ایجاد ناحیه پلاستیک در فلنج صورت میپذیرد و تکمیل کننده تئوری شکست پترسون است.
این ناحیه نشان دهنده آغاز بازشدگی فلنج میباشد. هرچند گذر از ناحیه اول - Z1 - ، موجب گسیختگی bolt نخواهد شد اما جدایش و لقی بین دو فلنج موجب کاهش خواص سفتی برج شده و تحلیل خستگی برج و اتصالات آن اهمیت بسیار زیادی پیدا می کند
مود شکست :D در این مود شکست، فلنج از مقطع شامل محور پیچ وارد ناحیه پلاستیک میشود.
مود شکست :E در این مود شکست، فلنج از منطقه زیر واشر - مجاورت سوراخ - وارد ناحیه پلاستیک میشود.
شکل :4 مودهای شکست سایدل
نمودار سایدل بر اساس رسم نیروی اعمال شده به پیچ بر حسب نیروی دیواره ترسیم میشود. این نمودار همانطور که در »شکل «5 مشاهده میشود، دارای 4 ناحیه خواهد بود. در ناحیه اول - Range 1 - نیرو بصورت خطی در حال افزایش است و نشان دهنده ناحیهای است که سطوح فلنج کاملا در تماس با یکدیگر بوده ونیروی فشاری بین آنها برقرار است
شکل :5 پیش بینی رفتار اتصال فلنج توسط روش سایدل
بنابراین نقطه کار طراحی اتصالات پیچ و فلنج، باید در این ناحیه قرار گیرد. ناحیه دوم - Range 2 - محدوده آغاز بازشدگی فلنج با افزایش نیروی دیواره است که تا پایان Range 3 ادامه پیدا خواهد کرد. انتهای ناحیه سوم - Range 3 - به معنایورودِ پیچ به ناحیه پلاستیک است. همان طور که در »شکل «5 مشاهده میشود محدوده بار کاری1 قبل از رسیدن به انتهای ناحیه سوم تعریف میشود. این محدوده بر اساس استاندارد EN 1993-1-8 ، به مقاومت نهایی پیچ بستگی داشته که از »رابطه «8 محاسبه میشود.
در این رابطه، استحکام شکست پیچ،سطح موثر پیچ و ضریب برابر 1,25 خواهد بود.
تئوری اشمیت- نپر
روش اشمیت- نپر [5] مشابه روش سایدل بوده و روابطی را برای پیشبینی نواحی مختلف نمودار سایدل از جمله ناحیه 1، مطابق »رابطه «5 معرفی مینماید.
