CC BY
29
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2021, №6, Том 13 / 2021, No 6, Vol 13 https://esi.today/issue-6-2021 .html URL статьи: https ://esi .today/PDF/52SAVN621 .pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Ращепкина, С. А. К расчету металлической башенной градирни / С. А. Ращепкина, Э. К. Акимова, Д. В. Габалова // Вестник евразийской науки. — 2021. — Т. 13. — № 6. — URL: https ://esj.today/PDF/52SAVN621 .pdf
For citation:
Rashchepkina S.A., Akimova E.K., Gabalova D.V. To calculation of metal tower cooling tower. The Eurasian Scientific Journal, 13(6): 52SAVN621. Available at: https://esj.today/PDF/52SAVN621.pdf. (In Russ., abstract in Eng.).
УДК 624.014
Ращепкина Светлана Алексеевна
ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Филиал в г. Балаково, Балаково, Россия
Доцент
Кандидат технических наук E-mail: rasknigi@yandex.ru
Акимова Элеонора Константиновна
ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Филиал в г. Балаково, Балаково, Россия Студент, специалист E-mail: eleonora_akimova@mail.ru
Габалова Дарья Вячеславовна
ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Филиал в г. Балаково, Балаково, Россия Студент, специалист E-mail: darya.gabalova@mail.ru
К расчету металлической башенной градирни
Аннотация. Представлен анализ ряда работ, посвященных вопросам проектирования и расчета градирен. Особое внимание уделено расчету градирен на ветровые нагрузки (статическую и пульсационную). На основе выполненного анализа разных типов градирен показаны достоинства каркасно-обшивной градирни, выявлены особенности металлических градирен в сравнении с железобетонными заключающиеся в том, что каркасно-обшивные сооружения можно возводить в любом климатическом районе, включая строительство в зимний период, причем без устройства тепляков.
В работе представлен расчет стального каркаса вытяжной башни градирни на постоянную, гололедную, ветровую статическую и пульсационную нагрузки, выполненный в программном комплексе Лира, а также аналитически. Показано, что пространственный каркас стальной башенной градирни в виде гиперболоида вращения является наиболее целесообразным конструктивным решением для объектов атомной и тепловой электростанций.
На основе проведенного сравнительного расчета в программном комплексе и аналитически выявлено существенное влияние различных нагрузок на продольные и кольцевые усилия в стержнях каркаса, что отражается на несущей способности пространственной оболочки градирни. В статье показано, что результаты аналитического расчета и расчета в программном комплексе имеют высокую сходимость с аналитическим расчетом, эпюры усилий
идентичны, имеют близкие значения и очертание (форму). Полученные результаты исследования пространственной оболочки позволяет рекомендовать их в практику проектирования металлических градирен из сборных элементов.
В работе делается вывод, что проведенный расчет и анализ может быть использован при проектировании и строительстве металлических башенных градирен из сборных элементов гиперболоидной формы на объектах энергетики.
Ключевые слова: металл; башенная градирня; каркасно-обшивная оболочка; расчет в ПК и аналитический; сравнение усилий; анализ расчетов
Введение
Вопрос энергосбережения всегда был актуален. Экономика всех стран предполагает широкое применение современных технологий, в основе которых лежит существенное снижение энергетических затрат.
В настоящее время с развитием энергетики увеличивается мощность тепловых и атомных электростанций и соответственно повышается количество воды, которая требует охлаждения оборудования. В связи с этим необходимо проектировать градирни большой производительности.
Основной целью статьи является изучение разновидностей и выбор оптимальных решений каркасно-обшивной башенной градирни, расчет пространственной многогранной металлической оболочки. Тема является достаточно актуальной, и ее изучение важно для развития энергетики России. Градирни проектируются в сборном каркасно-обшивном варианте и в монолитном железобетоне (рис. 1). Для каждого конструктивного варианта градирни существует ряд достоинств и недостатков, а также особенностей их применения в тех или иных климатических условиях.
В статье [1] приводятся результаты натурных обследований железобетонной гиперболоиндной градирни. Приведены данные измерений приращения, деформаций и напряжений и дано сравнение с расчетами в ПК SKAD. В работе [2] рассматриваются вопросы анализа конструктивного решения и методов монтажа несущих конструкций башенных градирен с металлическим каркасом. Особое внимание уделено конструкции несущего каркаса градирнис с обшивкой и влияния технологических и климатических условий эксплуатации градирни на конструкцию башни.
Проблема формирования наледи на элементах башенных градирен рассмотрена в статье [3]. Описан натурный эксперимент по мониторингу наледи на градирне, на основе которого показано, что наледи ухудшают эксплуатационные качества и надежность градирен. Кроме того, авторами проведено расчетное исследование аэродинамических процессов входа воздушного потока в градирню. В работе [4] приведена нелинейная зависимость тепловой производительности башенной градирни от скорости ветра с минимумом. Отмечено, что совместное использование ветроперегородок и завихрителей над оросительным пространством может повысить эффективность градирен до 20-30 % при угле установки завихрителей а = 60o. В статье [5] подробно исследуется влияние завихрителей в надоросительном пространстве и ветроперегородок на производительность башенной испарительной градирни при действии ветровой нагрузки. При этом численная модель протестирована с использованием данных эксперимента.
В работе [6] рассмотрены проблемы эксплуатации оросительных и водораспределительных систем башенных градирен и проанализированы конструкции применяемых тепломассообменных устройств, указаны недостатки и влияние их на
охлаждающую способность градирен, а также рассмотрены конструкции водораспределительных устройств башенных градирен. В статье [7] представлена оценка влияния формообразования башенной металлической градирни на восприятие ветровых нагрузок. Проведен анализ влияния ветрового воздействия на математическую модель металлической градирни пирамидальной формы. В качестве изменяющегося параметра была взята упрощенная геометрическая форма в виде многогранника с различным количеством граней.
Авторами статьи проведен обзор различных типов башенных градирен, выявлены достоинства, недостатки и применение. На рис.1 представлены некоторые наиболее распространенные типы высотных градирен [8; 9]:
• башенная градирня в виде однополостного гиперболоида высотой 150 м, выполненная из монолитного железобетона (рис. 1а);
• башенная градирня высотой 66,8 м, имеющая форму усеченной многогранной пирамиды, рекомендуемая для невысоких сооружений с площадью орошения до 3000 м2 (рис. 1б);
• вантовая башенная градирня с одним пилоном высотой 78,9 м, недостатком такого конструктивного решения является — необходимость обеспечения компенсации потерь преднапряжения от ползучести канатов, требуется достигать определенной надежности и устойчивости пилона (рис. 1в);
• башенная градирня высотой 90 м с пилонами, установленными по периметру оболочки, каркас которой изготовлен из конструкционной стали и обшит алюминиевыми листами (рис. 1г);
• башенная градирня из сборных металлических элементов (каркасно-обшивная) высотой 150 м в форме гиперболоида вращения, важным достоинством которой является возведение ее в любом климатическом районе (рис. 1д).
На основе проведенного краткого обзора с учетом известных конструктивных решений и расчета градирен [8], а также условий проектируемой АЭС, ТЭС, таких как климатический район станции, температурно-влажностный режим, установленного оборудование, для исследования и анализа была принята металлическая оболочечная градирня высотой 150 м, в основании которой лежит многогранник (рис. 1д).
а
б в г
Рисунок 1. Виды башенных градирен
д
Вестник Евразийской науки 2021, №6, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 6, Vol 13 https://esj.today
Для каркасно-обшивных башен можно выделить следующие преимущества и особенности:
• градирни возможно проектировать и сооружать в районах с расчетной средней температурой наиболее холодной пятидневки ниже минус 30 °С, в отличие от железобетонных башен;
• в зимнее время железобетонные конструкции подвержены замораживанию в водонасыщенном состоянии, что приводит к появлению значительных внутренних напряжений, наряду с этим металлические конструкции каркасно-обшивного типа не подвержены данному процессу;
• меньший вес металлических конструкций каркаса по сравнению с железобетонными высотными градирнями;
• высокая скорость монтажа конструкций и элементов каркасно-обшивной башни;
• строительство можно вести в зимний период без устройства тепляков;
• замена обшивки, вышедшей из строя, может быть произведена в кратчайшие сроки.
Методы
При расчете башенных градирен широко применяются различные программные комплексы. В статье [7] представлен анализ влияния ветрового воздействия на упрощенную математическую модель металлической градирни пирамидальной формы; при этом, расчет проводился в программном комплексе Solidworks Flow Simulation. В статье [10] дана оценка влияния формы башенной градирни на действие ветровых нагрузок и дается анализ влияния воздействия ветра для трех математических моделей башен на основе расчета, выполненного в программном комплексе SAP 2000 21. Указанные программные комплексы имеют свои достоинства и недостатки. В представленной работе авторами используется программный комплекс ЛИРА-САПР1.
Выполним анализ изменения усилий и перемещений в стержнях металлической гиперболической оболочки по ее высоте при действии разных нагрузок при следующих исходных данных [8]: район строительства г. Сухиничи; высота башни 150 м; в основании 32-гранник; диаметр описанной у основания башни окружности 120 м; количество ярусов — 16; материал каркаса — сталь С345.
При кодировке каркаса сооружения для статического и динамического расчетов был принят 5 тип конечного элемента — КЭ пространственного каркаса, поскольку узлы являются жесткими1. В основе расчета — метод конечных элементов в перемещениях. Расчетная схема была создана с помощью AutoCAD, а затем перенесена в программный комплекс «ЛИРА-САПР». Диаметральные размеры каждого яруса башни представлены на рисунке 2а.
Градирня имеет форму однополосного гиперболоида вращения, его расчетная схема в ПК представлена на рисунке 2б. Распределение усилий в сборных панелях каркаса показано на рисунке 2в.
1 Программный комплекс ЛИРА-САПР 2012 / Р.Ю. Водопьянов, Ю.В. Гензерский, В.П. Титок, А.Е. Артамонова [Электронный ресурс] / URL: https://www.liraland.ru / (дата обращения: 30.11.2021).
Страница 4 из 12
52SAVN621
а б в
Рисунок 2. Каркас башенной градирни: а — диаметры градирни по ярусам; б—расчетная схема; в — фрагмент элементов каркаса градирни (составлено авторами с использованием1)
Металлический каркас градирни рассчитывается на следующие виды нагрузок (рис. 3): постоянные нагрузки — собственная масса конструкций и обшивки; временные длительные — гололедная нагрузка; кратковременные — ветровая (статическая и пульсационная составляющая).
Рисунок 3. Нагрузки на башню1: а — собственный вес; б — гололедная нагрузка; в — ветровая нагрузка (составлено авторами)
При расчете в программном комплексе1 пульсационная составляющая ветровой нагрузки создается автоматически при введении ее параметров (рис. 4а). При этом генерируется таблица РСН (расчетных сочетаний нагрузок), в которой задаются основные возможные невыгодные сочетания загружений.
Строительные нормы
Поправочнь** коэффициент
Расстояние между поверхностью земли и кыю*4вльной аппг»*.атой расчетной схемы
Ветровом район строительства (табл 11.1 СП 2013330 2011)
Длина звания вдо/*> оси X Длина здания едо<*> оси У Тип местности (в соотв с СП 20133302011) Тип А v Тип здания 0 • здания и сооружения
ЛогариФ»*г«ский декремент к о лебамий
|Д»1 S.«
Район 1 V
РмП.»
Список загружении
015 (стальные конструкции)
» Имя загружения Вид Тип
T Собственны* вес Постоянн
2 Гололеи Краткоере
3 Ветровое загруже... Неактиен
4 Ветер 0,6 Неактиен..
5 Пульсация Мгноеенн.. ПУЛЬС
6 Пульсация 0.6 Мгновенн ПУЛЬС
Признак ориентации обдуваемой поверхности сооруже»««я в расчетной схеме
а
1 (Ветер вдоль осиХ)
б
Рисунок 4. К расчету башенной градирни: а — параметры расчета на ветровое воздействие с учетом пульсации ветра; б — список загружений конструкции (составлено авторами с использование1)
Согласно принятой расчетной схеме к сооружению прикладывалось шесть видов нагрузок: постоянная (собственный вес), гололедная нагрузка, статическая ветровая нагрузка, пульсационная и с коэффициентом 0,6 ветровые и пульсационные загружения (рис. 4б).
Результаты исследований 1. Определение усилий и перемещений в элементах в ПК Лира.
По результатам расчета усилий в башенной пространственной многогранной оболочке были построены следующие эпюры усилий (в кН):
• от нагрузки собственного веса (рис. 5а);
• от гололедной нагрузки (рис. 5б);
• от статической ветровой нагрузки (рис. 5в);
• от пульсационной ветровой нагрузки (рис. 5г).
Рисунок 5. Эпюры продольных сил (составлено авторами с учетом1)
Таблица 1
Значения усилий (кН) в элементах градирни (ПК Лира)
Тип усилия Вид нагрузки
собственный вес гололедная ветровая пульсация ветровая 0,6 пульсация 0,6
Минимальные -213,033 -30,258 -920,690 -60,431 -552,415 -38,474
Максимальные 13,970 1,913 1294,55 60,114 776,730 38,412
Анализ полученных авторами результатов (рис. 5 и табл. 1) выявил:
• максимальные усилия в стержнях пространственной оболочки возникают при действии ветровых нагрузок, как положительные, так и отрицательные значения;
• наименьшие значения усилий в стержнях оказались от обледенения, как положительные, так и отрицательные;
• при нагрузке от собственного веса возникают большие отрицательные усилия, в то же время как положительные имеют значения на порядок меньшие.
Таким образом, при определении усилий в многогранной оболочке ведущей является статическая ветровая нагрузка; при гололедной нагрузке усилия небольшие и при приближенных расчетах ее можно не учитывать.
Изополя перемещений элементов металлической оболочки башни градирни приведены на рисунке 6, где показано: а — собственный вес, б — гололедная нагрузка, в — статическая ветровая нагрузка, г — пульсационная ветровая нагрузка.
Анализ перемещений стержней каркаса (рис. 6 и табл. 2) показал:
• по значениям перемещений лидирует статическая ветровая нагрузка;
• пульсационная ветровая нагрузка имеет одинаковые значения как минимальные, так и максимальные значения;
• собственный вес и гололедная нагрузка оказывают не значительное влияние на величину перемещений; однако пренебрегать этими нагрузками не рекомендуется.
Рисунок 6. Мозаика перемещений по оси (Х) (составлено авторами с учетом1)
52SAVN621
Таблица 2
Значения перемещений (в мм) в элементах градирни (ПК Лира)
Вид перемещений Вид нагрузки
собственный вес гололедная статическая ветровая пульсационная ветровая
Минимальные -1,11 -0,21 -91,6 -0,133
Максимальные 1,11 0,21 246 0,133
Таким образом, в элементах каркаса от ветровой нагрузки перемещения лидируют, их необходимо учитывать при расчете пространственной башни по второй группе предельных состояний.
2. Определение усилий в стержнях каркаса аналитически.
Расчет на вертикальную нагрузку.
Расчет оболочки градирни велся согласно [11] и с учетом Свода правил. Оболочка рассчитывается на вертикальную нагрузку от собственной массы и массы льда, которая, в целях упрощения аналитического расчета, принимается постоянной по высоте башни.
На рисунке 7, а представлена башня с геометрическими параметрами, а на рисунке 7б,в даны эпюры меридиональных (Ni) и кольцевых (N2) погонных усилий (кН/м) от собственной массы и массы льда.
Анализ кривых (рис. 7) выявил, что кольцевые усилия в оболочке градирни от собственной массы градирни и обледенения заметно меньшие, чем продольные (меридиональные). Например, на высоте 93,75 м (у горловины) разница составляет в N1/N2 = 68,27/14,92 = 4,57 раз. Это позволяет отметить, что вертикальная нагрузка (собственный вес) оказывает существенное влияние на значения продольных усилий в элементах пространственной оболочки и она является основной при расчете градирни.
-150 -100 -50 О -50 -25 0
а б в
Рисунок 7. Усилия в оболочке от собственной массы и массы льда (составлено авторами с учетом [11])
Расчет на ветровую нагрузку.
Значение ветровой нагрузки определяется как сумма статической и динамической составляющей ветровой нагрузки: w = + wg . На рисунке 8 приведены эпюры
результирующих продольных (меридиональных, N1) и кольцевых (N2) погонных усилий (кН/м) от суммарной ветровой нагрузки.
Анализ кривых показал, что при угле равным 0 все усилия имеют положительные значения, а при 0 = Л /2 все значения усилий отрицательные. Причем продольные усилия заметно большие, чем кольцевые.
Рисунок 8. Усилия в оболочке от действия ветровой нагрузки (составлено авторами) 3. Обобщение результатов расчетов.
Проведено сравнение результатов расчета каркаса металлической многогранной градирни, полученных аналитическим путем и в программном комплексе Лира (рис. 9).
Обозначение усилий в стержнях пространственной оболочки показано на рисунок 2в, где Т1 — продольные усилия (усилия в вертикальных элементах), Т2 — кольцевые усилия, Т3 — усилия в раскосах.
Н,м
140 120 100 80 60 40 20 0
0 500 1000 1500 Tl, кН 0 500 0 500 1000 ТЗ, кН
а б в
Рисунок 9. Сравнение аналитического расчета и в ПК Лира (составлено авторами с учетом1 и [11])
Анализ графиков показал (рис. 9) высокую сходимость результатов аналитического расчета башенной градирни и расчета в программном комплексе Лира. Полученные эпюры усилий в продольных, кольцевых и раскосных элементах идентичны, имеют схожее очертание (форму).
Таким образом, сравнение аналитического расчета и в программном комплексе выявило особенности расчетов по разным подходам, которые необходимо учитывать в будущем. Кроме того, сравнительный анализ позволяет подтвердить приемлемость принятого программного комплекса для расчета градирен и подобных пространственных сооружений с целью сокращения времени на расчет, что особенно важно при вариантном проектировании.
Выводы
На основе выполненного анализа разных типов градирен и расчета стального каркаса вытяжной башни градирни на собственный вес, гололедную, ветровую статическую и пульсационную нагрузки в программном комплексе Лира и аналитически было установлено:
• каркас стальной башенной градирни в виде гиперболоида вращения — это наиболее целесообразное конструктивное решение для объектов атомных и тепловых электростанций;
• сравнительный расчет в программном комплексе и аналитический показал существенное влияние различных нагрузок на продольные (меридиональные) и кольцевые усилия в стержнях каркаса, что отражается на несущей способности пространственной оболочки градирни;
• показано, что результаты аналитического расчета и расчета в ПК имеют высокую сходимость, эпюры идентичны, имеют близкие значения и очертание.
Полученные результаты исследований могут быть использованы при проектировании и строительстве металлических башенных градирен из сборных элементов гиперболоидной формы на объектах энергетики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корсун В.И. Исследование напряженно-деформированного состояния железобетонной градирни / В.И. Корсун, Л.В. Стеблянко, А.В. Корсун // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. Макеевка: Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, 2003. — С.113-118.
2. Югов А.М. Технология монтажа металлической башенной градирни / А.М. Югов, Р.В. Суданов // Современное промышленное и гражданское строительство. Т. 4, № 1, 2008. — С. 39-48.
3. Волков А.В. К вопросу о снижении льдообразования на элементах башенных градирен А.В. Волков, А.А. Патакин, В.И. Лисица, А.В. Естественные и технические науки. 2013. № 2(64). — С. 350-357.
4. Добрего, К.В. Моделирование и оптимизация башенных испарительных градирен / К.В. Добрего, М.М. Хеммасиян Кашани // Энергетическая безопасность Союзного государства: сб. материалов секции. Минск: БНТУ, 2014. — С. 10-14.
5. Добрего К.В. Моделирование башенной испарительной градирни и влияния аэродинамических элементов на ее работу в условиях ветра / К.В. Добрего, М.М. Хеммасиан Кашани, Е.Е. Ласко // Энергетика. Изв. вузов и энергетических объединений СНГ. 2014 № 6. — С. 47-60.
6. Зенович-Лешкевич-Ольпинский Ю.А. Совершенствование систем технического водоснабжения с градирнями с целью улучшения технико-экономических показателей тепловых электростанций. Ч. 1 / Ю.А. Зенович-Лешкевич-Ольпинский, Н.В. Широглазова, А.Ю. Зенович-Лешкевич-Ольпинская // Энергетика. Изв. вузов и энергетических объединений СНГ. Т. 59. № 3. 2016. С.235-248.
7. Югов А.М. Оценка влияния формообразования башенной металлической градирни на восприятие ветровых нагрузок / А.М. Югов, С.О. Титков,
B.М. Анищенков // Металлические конструкции. Макеевка: Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. 2018. С. 41-48.
8. Ращепкина С.А. Расчет и оптимальное проектирование башенной градирни /
C.А. Ращепкина, Э.К. Акимова, Ю.А. Попова // Вестник КРСУ. 2021, Т. 21. № 4. С.143-150.
9. Ращепкина С.А. Особенности проектирования градирен из сборных элементов в форме гиперболоида вращения / С.А. Ращепкина, Э.К. Акимова // Актуальные проблем в и пути развития энергетики, техники и технологий. Балаково: БИТИ НИЯУ МИФИ. 2020, Т. 2. С. 67-72.
10. Аккерман Д.Д. Оценка влияния формы башенной оросительной градирни из монолитного железобетона на восприятие ветровых нагрузок / Д.Д. Аккерман // Молодой ученый. 2020, № 20(310), Ч. III. С. 166-173.
11. Программный комплекс ЛИРА-САПР 2012 / Р.Ю. Водопьянов, Ю.В. Гензерский, В.П. Титок, А.Е. Артамонова [Электронный ресурс] / URL: https://www.liraland.ru / (дата обращения: 30.11.2021).
12. Астряб С.М. Проектирование металлических конструкций градирен / С М. Астряб, Ю.В. Соболев. — М: МИСИ, 1984. — 56 с.
Rashchepkina Svetlana Alekseevna
National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)
Balakovo branch, Balakovo, Russia E-mail: rasknigi@yandex.ru
Akimova Eleonora Konstantinovna
National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)
Balakovo branch, Balakovo, Russia E-mail: eleonora_akimova@mail.ru
Gabalova Daria Vyacheslavovna
National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)
Balakovo branch, Balakovo, Russia E-mail: darya.gabalova@mail.ru
To calculation of metal tower cooling tower
Abstract. An analysis of a number of works on the design and calculation of cooling towers is presented. Special attention is paid to the calculation of cooling towers for wind loads (static and pulsation). On the basis of the analysis of different types of cooling towers, the advantages of a frame-skin cooling tower are shown, the features of metal cooling towers are revealed in comparison with reinforced concrete, which consists in the fact that frame-skin structures can be erected in any climatic area, including construction in winter, and without the installation of heat tanks.
The work presents the calculation of the steel frame of the cooling tower exhaust tower for constant, icy, wind static and pulsation loads made in the Lira software complex, as well as analytically. It is shown that the spatial framework of the steel tower cooling tower in the form of a hyperboloid of rotation is the most suitable design solution for objects of nuclear and thermal power plants.
Based on the comparative calculation carried out in the program complex and analytically revealed the significant influence of various loads on the longitudinal and annular forces in the carcass rods, which is reflected in the bearing capacity of the space shell of the cooling tower. The article shows that the results of analytical calculation and calculation in the software complex have high convergence with analytical calculation, the forces are identical, have close values and shape (shape). The obtained results of the study of the space shell make it possible to recommend them to the practice of designing metal cooling towers from prefabricated elements.
The work concludes that the calculation and analysis can be used in the design and construction of metal tower cooling towers from prefabricated elements of a hyperboloid shape at energy facilities.
Keywords: metal; tower cooling tower; frame-skin shell; PC calculation and analytical; force comparison; calculation analysis
