Универсальный модульный фундамент арктической ветроэлектрической установки

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и строительства, а именно к конструкции фундамента мелкого заложения для ветроэлектрических установок (ВЭУ), сооружаемых для эксплуатации в суровых климатических условиях.
Известна конструкция малозаглубленного безусталостного фундамента для башен ВЭУ мощностью от 0,5 до 10 МВт (патент на изобретение US №20110061321). Конструкция представляет собой размещенную в котловане устойчивую опору ветроэнергоустановки, состоящую из центрального цилиндрического вертикального пьедестала, значительной по площади горизонтальной нижней опорной плиты с армированным периметром, многочисленных (10-12) радиальных по отношению к вертикальной опоре, цилиндрических или призматических по форме,  армированных размещенных с эксцентриситетом (выше и ниже нулевой оси) парными металлическими шпунтами, и предподготовленных ребер жесткости, и 3-х мерной сетки из 500 стальных постнапряженных армирующих структур, удерживающих элементы конструкции фундамента под значительной многоосной нагрузкой с эксцентриситетом, предназначенным для обеспечения жесткости и  сопротивления опрокидыванию и сдвигу. Верхний торец пьедестала фундамента оборудован средствами для монтажа башни ВЭУ. Конструкционно изобретение используется в природных условиях Скандинавии. Особенность конструкции - обязательность обратной засыпки для обеспечения большей устойчивости. Недостатки конструкции - сложность соединения элементов и значительный объем строительно-монтажных и бетонных работ на площадке.
Известна конструкция малозаглубленного ребристого фундамента для башен высотой 40-80 м и 80-120 м для ВЭУ мощностью от 0,1 до 2 МВт (патент на изобретение СА2875927). Фундамент образован малозаглубленной верхней железобетонной плитой, укрепленным в ней многоугольным призматическим или цилиндрическим пьедесталом, на котором смонтирована башня ветроэлектрической установки, жестко скрепленными снизу плиты и радиально размещенными по отношению к пьедесталу 10-12 железобетонными ребрами жесткости прямоугольного или трапецеидального сечения. Указанные ребра жесткости - предподготовленные элементы, обеспечивающие жесткость конструкции. Изобретение применяется фирмой GESTAMP HYBRID TOWERS S.L., Испания, в природных условиях Скандинавии.  Особенность конструкции фундаментов ВЭУ - обязательность обратной засыпки для обеспечения большей устойчивости. Недостатки конструкции - сложность соединения элементов и значительный объем строительно-монтажных и бетонных работ.
В качестве ближайшего аналога выбрана конструкция модульного фундамента мелкого заложения для ветроэлектрической установки (патент на полезную модель RU 167022). Модульный фундамент мелкого заложения для ВЭУ устанавливается на основание и содержит N-е количество внешних модулей, радиально размещенных по отношению центральному модулю и прикрепленных к нему, на торце которого закреплена башня ВЭУ анкерными болтами. Каждый внешний модуль выполнен в форме тонкостенных железобетонных коробов, имеющих форму правильной трапециевидной призмы, внешние грани которых соединены анкерными болтовыми связями между собой и с торцевыми гранями центрального модуля, выполненным в виде многогранной (по числу внешних модулей) полой призмы. Каждый модуль фундамента создан в заводских условиях и в сборе на месте образует монолитный фундамент мелкого заложения. Для обеспечения массивности фундамента использована обратная засыпка.
Конструкционно изобретение направлено на использование в суровых природно-климатических условиях Арктики. Особенность конструкции - обязательность обратной засыпки для обеспечения большей устойчивости. Недостатки - необходимость разработки конфигурации конструкции под конкретные условия несущей способности грунта и силового взаимодействия с конкретной ВЭУ, значительный вес и размер модулей из-за применения железобетона как основного материала.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, - унификация элементов и секций фундамента мелкого заложения для ВЭУ, что позволит применять данную конструкция для различных типов ВЭУ в различных природно-климатических условиях.
Решение указанной технической проблемы достигается за счёт того, что модульный фундамент ветроэлектрической установки, содержит центральный и внешние модули; центральный модуль выполнен в виде шестигранной полой призмы, а внешние модули в виде однотипных треугольных полых призм; фундамент дополнительно снабжен внутренним модулем, имеющим форму полого цилиндра и содержащим с двух сторон фланцы, ориентированные вовнутрь внутреннего модуля, фланцы снабжены монтажными отверстиями, обеспечивающими возможность разъёмного соединения с башней ВЭУ, при этом внутренний модуль расположен внутри центрального модуля соосно ему, а внешние модули образуют концентрические шестиугольники вокруг центрального модуля, все модули имеют отверстия в боковых гранях, предназначенные для монтажа, и соединены между собой посредством разъёмного соединения. В качестве разъёмного соединения используется болтовое соединение, и все модули выполнены из стали.
Отличительными признаками заявленной полезной модели от прототипа являются:
- структура: фундамент выполнен по универсальному модульному принципу, позволяющему конфигурировать конструкцию под разные природно-климатические условия эксплуатации;
- уменьшенные массогабаритные характеристики: применение коробчатых стальных внешних модулей обеспечивают уменьшенный вес и уменьшенные габариты конструкции;
- жёсткость: треугольная форма внешних модулей позволяет увеличить жёсткость всей конструкции в целом;
- технологичность: унифицированная форма стальных модулей конструкции позволяет легко собирать фундамент нужной конфигурации под конкретную ВЭУ.
Технический результат заявляемой полезной модели достигается за счёт унификации конструкции внешних модулей. Этим обеспечивается повышение технологичности конструкции, позволяющее применять её для различных типов ВЭУ в различных природно-климатических условиях.
Проведенный анализ уровня техники не выявил источников информации, где было бы раскрыто техническое решение универсального модульного фундамента арктической ветроэлектрической установки, что позволяет сделать вывод о соответствии последнего критерию «новизна».
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
- схема модульного фундамента ВЭУ (фиг. 1);
- схема крепления модулей между собой и центральным опорным и внутренним модулем, на торце которого укреплена ВЭУ (фиг. 2).
Модульный фундамент мелкого заложения для ВЭУ (фиг. 1) монтируется на основании 1 без крепления к нему и содержит N-е количество однотипных внешних модулей 2, образующих концентрические шестиугольники вокруг центрального модуля 3 и внутреннего модуля 4. На верхней грани внутреннего модуля 4 закрепляется башня ВЭУ 5 при помощи разъёмного соединения, например - болтов 6.
Каждый внешний модуль 2 выполнен в виде короба, имеющего форму треугольной призмы, боковые грани которой имеют сквозные отверстия 7 для осуществления его разъёмного соединения с другими внешними модулями и, в случае первого концентрического ряда с боковыми гранями центрального модуля 3 (фиг. 2), выполненного в виде шестигранной полой призмы, которая тоже имеет отверстия 7 для крепления.
Внутренний модуль 4 представляет из себя полый цилиндр, содержащий с двух сторон фланцы, ориентированные вовнутрь внутреннего модуля и снабженные монтажными отверстиями, обеспечивающими возможность разъемного соединения с башней ВЭУ. Болты продеваются последовательно через отверстия в нижнем и верхнем фланцах так, чтобы вверх выступала резьбовая часть болта, обеспечивающая разъёмное соединение с башней ВЭУ. Болты фиксируются на нижнем фланце при помощи неразъёмного соединения (например, сварки), а на верхнем при помощи разъёмного резьбового соединения.
В качестве материала для изготовления всех модулей может быть использована сталь.
Жесткость конструкции обеспечивается ребрами, образуемыми при соединении разъёмными соединениями по граням смежных внешних модулей (узел 9, фиг. 2.)
Конструкция фундамента в сборе образует монолитный фундамент мелкого заложения. Для обеспечения массивности фундамента используется обратная засыпка 8.
Модульный фундамент мелкого заложения для ВЭУ собирается в следующей последовательности: на основание 1 устанавливается центральный модуль 3, в который опускается внутренний модуль 4. Модули соединяются друг с другом при помощи разъёмных соединений (например, болтовых). На следующем этапе устанавливается необходимое количество концентрических рядов внешних модулей 2, которые соединяются с центральным модулем 3 и между собой при помощи разъёмных соединений (например, болтовых). На следующем этапе, после размещения фундамента на месте эксплуатации, внешние модули заполняются обратной засыпкой.
Полезная модель является универсальной, технологичной конструкцией модульного типа, по типу работы относящейся к монолитным фундаментам мелкого заложения, которую можно использовать для ВЭУ различного типа в различных природно-климатических условиях.