李 村，文 鵬

(甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒是風(fēng)輪的關(guān)鍵受力部件，風(fēng)電機(jī)組服役過程中，塔筒承受來自風(fēng)輪的可變性、無序性的載荷作用，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，展開塔筒的靜力分析對(duì)保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，目前大多考慮采用有限元法進(jìn)行靜力分析[1]。文獻(xiàn)[2]考慮到預(yù)應(yīng)力混凝土塔筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 2010》標(biāo)準(zhǔn)要求，計(jì)算了4種組合狀態(tài)下塔筒各個(gè)截面載荷，采用有限元法討論不利工況下塔筒的靜態(tài)特性，結(jié)果表明塔筒結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[3]利用三維建模軟件建立了3段塔筒結(jié)構(gòu)，采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用載荷計(jì)算軟件GH Bladed，基于塔頂坐標(biāo)系計(jì)算了塔筒的極限載荷，采用有限元法對(duì)塔筒的應(yīng)力分布進(jìn)行探究。文獻(xiàn)[4]通過建立3種不同類型的塔筒有限元模型，采用GH Bladed軟件計(jì)算特定風(fēng)速下的塔筒，分析了塔筒的靜力響應(yīng)，為建立合理塔筒有限元模型奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[5]建立了3種不同塔筒結(jié)構(gòu)的有限元模型，探究了不同有限元結(jié)構(gòu)對(duì)靜力性能的影響規(guī)律，提出了針對(duì)不同目標(biāo)應(yīng)建立合理的有限元模型。

本文以2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，計(jì)算了極端風(fēng)切變模型、極端陣風(fēng)模型和極端風(fēng)速模型作用下塔筒的靜力特性，驗(yàn)證了塔筒可滿足極端工況需求。

1 塔筒結(jié)構(gòu)及載荷計(jì)算

本研究對(duì)象為錐筒型鋼制塔筒，由厚度不一的鋼板卷制，然后沿周向和縱向焊接制成?？紤]到我國道路運(yùn)輸條件，塔筒多為分段制造，各段間通過法蘭連接。此外，塔筒內(nèi)部布置電纜、控制柜、防墜裝置、照明設(shè)備等部件。

1.1 塔筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

在進(jìn)行塔筒靜力學(xué)分析時(shí)可忽略對(duì)其影響較小的零部件(電纜、照明設(shè)備等)，塔筒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 塔筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 塔筒載荷計(jì)算

塔筒在服役過程中，所受載荷主要來源于風(fēng)輪所傳遞的外界風(fēng)載，此外塔筒還受來自于葉輪、機(jī)艙以及內(nèi)部附件重力的作用。本文計(jì)算塔筒載荷時(shí)采用塔頂坐標(biāo)系，塔頂坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 塔頂坐標(biāo)系

依據(jù)國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求[3]，塔筒服役風(fēng)況可分為正常服役條件下額定風(fēng)況以及循環(huán)周期為1年或50年一遇的極端風(fēng)況。本文對(duì)塔筒進(jìn)行靜力分析時(shí)，選擇以50年為循環(huán)周期的極端風(fēng)速模型下的塔筒靜力特性進(jìn)行研究，挖掘塔筒結(jié)構(gòu)的不足之處。本文應(yīng)用GH-Bladed軟件計(jì)算極端風(fēng)況下塔筒載荷。首先在GH-Bladed軟件中構(gòu)建2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)模型，依據(jù)國際電工委員會(huì)IEC61400-1—2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在軟件中確定以50年一遇的極端風(fēng)況為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組環(huán)境工況，設(shè)置該工況下的風(fēng)速粗糙度、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)、參考風(fēng)速59.5 m/s、安全系數(shù)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度，最終得到該工況下塔筒各分量載荷，見表2。

表2 極端風(fēng)速模型下塔筒載荷

2 塔筒有限元靜力特性

靜力學(xué)研究是指塔筒在靜態(tài)外界載荷作用下，其結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力及應(yīng)力響應(yīng)特性，是體現(xiàn)塔筒結(jié)構(gòu)性能的主要因素。如果塔筒最大位移超出工程許用范圍1%，將直接影響到風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行[6]。因此，有必要對(duì)塔筒進(jìn)行靜力分析。

本文對(duì)塔筒進(jìn)行靜力分析時(shí)采用有限元法，該方法對(duì)于求解塔筒靜、動(dòng)態(tài)分析具有很強(qiáng)適應(yīng)性，且該方法易于通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)[7]。

2.1 前處理

本文中風(fēng)電機(jī)組各部件塔筒、機(jī)艙、風(fēng)輪質(zhì)量分別為1.97×105、8.0×104、4.6×104kg，其中塔筒材料為Q345FT。

2.1.1 定義單元類型設(shè)置材料屬性

將塔筒三維幾何模型鏈接至有限元Geometry模塊，定義塔筒材料屬性為Q345FT，彈性模量E=206 GPa，泊松比σ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度σs=345 MPa。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

進(jìn)行靜力網(wǎng)格劃分時(shí)，塔筒采用混合四面體和六面體單元離散；為減少計(jì)算成本，提高計(jì)算精度，確定網(wǎng)格尺寸為400 mm，法蘭與塔筒連接采用綁定接觸，法蘭與法蘭間連接面采用MPC形式(多點(diǎn)約束算法)；得到68 130個(gè)單元和140 030個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 施加約束和載荷

將計(jì)算得極端風(fēng)速模型下載荷施加至塔筒頂部，其次考慮塔筒、風(fēng)輪和機(jī)艙自重，將風(fēng)輪和機(jī)艙兩者簡化為集中質(zhì)量點(diǎn)(point mass)的施加至塔筒頂部。最后對(duì)塔筒底部施加固定約束，開展靜力分析。工況極端風(fēng)速模型的塔筒受力情況如圖2所示。

圖2 塔筒受力示意

2.2 靜力分析結(jié)果與討論

通過研究塔筒在的靜態(tài)特性，找到塔筒結(jié)構(gòu)可能存在的安全隱患問題。在有限元靜力分析模塊Static Structural中，對(duì)塔筒結(jié)構(gòu)在極端風(fēng)速模型下進(jìn)行靜力學(xué)研究，分析時(shí)塔筒與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)固定連接，所以不考慮Z軸方向位移，塔筒X軸和Y軸方向上的位移和整體位移如圖3所示。

由圖3可知：極端風(fēng)速模型工況中，塔筒各方向上和整體最大位移均出現(xiàn)于塔筒頂部。原因?yàn)檫M(jìn)行靜力分析時(shí)，塔筒視為懸臂梁結(jié)構(gòu)，對(duì)其底部法蘭處施加固定約束，頂端在風(fēng)載和風(fēng)輪重力等聯(lián)合作用下，所以最大位移出現(xiàn)于塔筒最頂端。另外，由圖3(a)可知：極端風(fēng)速模型對(duì)塔筒X軸影響最大，位移最大值達(dá)到715.86 mm，方向?yàn)閄軸負(fù)方向，Y軸最大位移為98.41 mm。由圖3(c)可知：塔筒整體位移最大值為722.38 mm，占塔筒總體高度的0.9%，接近設(shè)計(jì)極限。表明此工況下塔筒各軸向位移以及整體位移均符合工程規(guī)范要求。極端風(fēng)速模型作用下塔筒應(yīng)力云圖如圖4所示。

(a) X軸方向位移

(b) Y軸方向位移

(c) 整體位移圖3 極端風(fēng)速模型作用下塔筒位移云圖(單位：mm)

(a) X軸方向應(yīng)力

(b) Y軸方向應(yīng)力

(c) Z軸方向應(yīng)力

(d) 整體應(yīng)力圖4 極端風(fēng)速模型作用下塔筒應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖4可知：塔筒最大應(yīng)力出現(xiàn)位置并不相同，這是由于不同高度處塔筒抗彎模量不同導(dǎo)致；極端風(fēng)速模型對(duì)塔筒Z軸方向應(yīng)力影響最大，最大值為135.26 MPa，出現(xiàn)于塔筒門洞處，最小值為125.25 MPa，方向?yàn)閆軸負(fù)方向，出現(xiàn)于塔筒中上部；極端風(fēng)速模型對(duì)塔筒X軸應(yīng)力影響最小，此時(shí)最大應(yīng)力16.85 MPa，方向?yàn)閄軸負(fù)方向，最小應(yīng)力為15.54 MPa，二者均出現(xiàn)于塔筒中部法蘭附近；塔筒Y軸最大應(yīng)力為46.53 MPa，方向?yàn)閅軸負(fù)方向，出現(xiàn)于塔筒門洞附近，最小應(yīng)力為24.37 MPa，出現(xiàn)于塔筒底部法蘭附近；塔筒最小應(yīng)力塔筒最大應(yīng)力為138.25 MPa，位于塔筒門洞附近，最小應(yīng)力為0.07 MPa，位于塔筒底部法蘭處。此工況下，塔筒應(yīng)力距離材料Q345FT許用應(yīng)力仍有很大裕度。

結(jié)合圖3～4可知，極端風(fēng)速模型作用下塔筒強(qiáng)度和剛度均符合工程規(guī)范要求。

3 結(jié)語

通過極端風(fēng)速模型作用下塔筒靜力分析可知，塔筒X軸和Y軸以及整體位移均沿塔筒軸線方向，自塔筒底部至頂端法蘭處逐漸增大，且最大值均出現(xiàn)于頂部法蘭處。應(yīng)力方面，塔筒的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力響應(yīng)位置并不相同，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置多集中于門洞處。本文通過靜力分析可知，在以50年為循環(huán)周期的極端風(fēng)速工況中，塔筒應(yīng)力和位移均符合工況工程規(guī)范要求，為塔筒設(shè)計(jì)制造提供指導(dǎo)意義。