某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組塔筒加固方案有限元分析

太原重工股份有限公司技術(shù)中心　李永亮

某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組塔筒基礎(chǔ)由于錨栓質(zhì)量原因出現(xiàn)問(wèn)題后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定出兩種較佳的塔筒加固設(shè)計(jì)方案。本文針對(duì)這兩種加固設(shè)計(jì)方案結(jié)合有限元分析程序NX Nastran且有分別建立仿真模型進(jìn)行有限元分析，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)研究，并結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行評(píng)定，確定出符合設(shè)計(jì)要求可行性的加固設(shè)計(jì)方案。為解決現(xiàn)場(chǎng)塔筒加固問(wèn)題提供依據(jù)和參考，同時(shí)為同類型塔筒的受力校核、改進(jìn)優(yōu)化提供有益借鑒。

一、引言

塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的主要支承裝置，尤其是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其高度都在數(shù)十米以上，它將風(fēng)力機(jī)與地面聯(lián)接，為水平軸葉輪提供需要的高度，而且要承受極限風(fēng)速產(chǎn)生的載荷。塔筒的安全性能非常關(guān)鍵，其安全可靠性是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作的前提。

某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組塔筒底部法蘭與基礎(chǔ)連接螺栓由于質(zhì)量問(wèn)題，局部出現(xiàn)裂紋，而塔筒底部及基礎(chǔ)是塔筒受力最大的部分，其要承受巨大的彎矩作用，錨栓出現(xiàn)問(wèn)題嚴(yán)重影響到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，因此急需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，設(shè)計(jì)確定出合理可行的塔筒加固方案，以確保整臺(tái)機(jī)組的安全可靠。本文針對(duì)兩種加固設(shè)計(jì)方案，利用有限元分析程序NX Nastran分別建立三維裝配模型、有限元仿真模型，施加極限載荷工況進(jìn)行有限元分析，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)校核規(guī)范對(duì)加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)定，確定出符合設(shè)計(jì)要求的可行性方案。為解決工程實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)塔筒加固，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行提供依據(jù)和參考。

二、 塔筒兩種加固方案仿真模型的建立

結(jié)合風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定出兩種較佳的塔筒加固設(shè)計(jì)方案。在距離塔筒底法蘭一定高度區(qū)域設(shè)計(jì)抱箍與塔筒根部打孔，通過(guò)3排螺栓連接，螺栓施加一定的預(yù)緊力。抱箍底部通過(guò)錨栓與地基連接，以達(dá)到整體加固的效果，詳細(xì)的連接方式如圖1所示。

圖1　塔筒基礎(chǔ)加固方案抱箍與塔筒連接示意圖

其中，方案一為：在抱箍和塔筒根部之間采用3×60個(gè)M42高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，施加螺栓預(yù)緊力672kN。方案二為：在抱箍和塔筒根部之間采用3×90個(gè)M30高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，施加螺栓預(yù)緊力355kN。選用NX10.0建立塔筒、抱箍的三維裝配模型，同時(shí)選用有限元分析程序NX Nastran10.0，根據(jù)塔筒及抱箍的結(jié)構(gòu)特性建立有限元仿真模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中抱箍、塔筒根部（距離塔筒底法蘭一定高度區(qū)域與抱箍連接區(qū)域）采用3D 8節(jié)點(diǎn)6面體單元建立。抱箍與塔筒根部的單元采用網(wǎng)格匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)格高質(zhì)量劃分，運(yùn)用接觸算法進(jìn)行模擬。分別建立方案1中180根 M42和方案2中270根M30高強(qiáng)度螺栓模型，塔筒上部筒體結(jié)構(gòu)采用選用2D Shell殼單元建立。建立的有限元計(jì)算模型如圖2、圖3所示。其中單元總數(shù)324658，節(jié)點(diǎn)總數(shù)481694。

圖2　塔筒基礎(chǔ)加固方案抱箍與塔筒網(wǎng)格劃分示意圖

圖3　塔筒上部網(wǎng)格劃分示意圖

塔筒與抱箍選用材料Q345。彈性模量E均為210GPa，泊松系數(shù)為0.3，密度為7.85×103kg/m3。鋼材的屈服極限σs及強(qiáng)度極限σb如表1所示。

表1鋼材的力學(xué)特性

抱箍與塔筒連接螺栓選用10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，其強(qiáng)度極限σb為1000MPa，屈服極限σs為900MPa。塔筒有限元模型采用塔筒頂部坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于塔筒中心軸與塔筒頂部上緣的交點(diǎn)處，該坐標(biāo)系如圖4所示，不隨機(jī)艙罩旋轉(zhuǎn)。

三、邊界條件及載荷工況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，塔筒加固設(shè)計(jì)方案中抱箍底部與塔筒根部法蘭與地基錨接，因此約束抱箍底部與塔筒根部法蘭的全部位移自由度。抱箍與塔筒筒體貼合部位采用接觸算法模擬。其中對(duì)180根M42高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)緊力627kN、對(duì)270根M30高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)緊力335kN。詳細(xì)的邊界約束條件如圖5所示。

圖4　塔筒頂部坐標(biāo)系

圖5 塔筒加強(qiáng)方案邊界約束條件示意圖

根據(jù)塔筒頂部截面處的極限載荷工況（表2），選取了對(duì)塔筒影響最大工況Fx Max中相應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)分別對(duì)兩種塔筒加強(qiáng)方案進(jìn)行有限元計(jì)算及對(duì)比分析。其中相應(yīng)的極限載荷施加在塔筒頂部截面位置處。

表2 塔筒頂部截面處的極限載荷

四、塔筒加固方案有限元計(jì)算結(jié)果及分析

應(yīng)用NX Nastran10.0 對(duì)2種塔筒根部加固設(shè)計(jì)方案仿真模型在極限載荷工況下分別進(jìn)行有限元分析，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總對(duì)比。計(jì)算結(jié)果如圖6～9所示，圖中不同的顏色表示不同的位移或應(yīng)力，數(shù)值與圖中左側(cè)的彩色標(biāo)尺上的數(shù)字相對(duì)應(yīng)。其中，Von Mises等效應(yīng)力是按第四強(qiáng)度理論確定的。σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，且有 σ1＞σ2＞σ3。

由圖6可知，該兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)塔筒加固方案在極限載荷工況下，整體等效應(yīng)力相對(duì)不高，均在190MPa左右。但是兩種加固設(shè)計(jì)方案在局部加強(qiáng)的區(qū)域均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是在抱箍與塔筒連接的螺栓孔位置及抱箍與塔筒接觸的位置，如圖7～9所示。

圖6　塔筒加固方案整體VON MISES等效應(yīng)力云圖

其中，加固設(shè)計(jì)方案一中，抱箍與塔筒根部螺栓連接孔接觸位置處局部最大Von Mises等效應(yīng)力為261.38MPa，塔筒根部法蘭與抱箍接觸位置處最大Von Mises等效應(yīng)力為209.40MPa，抱箍與塔筒連接螺栓最大Von Mises應(yīng)力766.57MPa。塔筒基礎(chǔ)修復(fù)方案2時(shí)，抱箍與塔筒根部螺栓連接孔接觸位置處局部最大的Von Mises等效應(yīng)力為199.36MPa，塔筒根部法蘭與抱箍接觸位置處最大Von Mises等效應(yīng)力為212.20MPa，抱箍與塔筒連接螺栓最大Von Mises應(yīng)力806.72MPa。將兩種加固設(shè)計(jì)方案有限元計(jì)算結(jié)果匯總于表3中。

圖7 塔筒加固方案抱箍VON MISES等效應(yīng)力云圖

圖 8　塔筒與抱箍接觸應(yīng)力分布云圖

圖 9 塔筒與抱箍連接螺栓VON MISES 等效應(yīng)力示意圖

表3　塔筒頂部截面處的極限載荷

根據(jù)GL規(guī)范及GB/T18451.1-2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》關(guān)于極限強(qiáng)度分析的安全系數(shù)選取規(guī)定：分為載荷局部安全系數(shù)、材料局部安全系數(shù)、失效后果局部安全系數(shù)。載荷局部安全系數(shù)在載荷計(jì)算中已考慮，金屬材料局部安全系數(shù)γM=1.1，重要局部安全系數(shù)γM=1.3（塔筒按三類構(gòu)件進(jìn)行考慮），故取應(yīng)力安全系數(shù)n=1.1×1.3=1.43，塔筒筒體材料的屈服極限σs=335MPa，筒體的許用應(yīng)力335/1.43=234MPa。有表3中計(jì)算結(jié)果可知，塔筒加固設(shè)計(jì)方案1抱箍與塔筒局部最大應(yīng)力值為261.38MPa，超過(guò)了塔筒筒體的許用極限值。

塔筒加固設(shè)計(jì)方案2中抱箍與塔筒局部最大應(yīng)力值為212.20MPa，小于塔筒筒體的許用極限值。但是由于抱箍和塔筒連接螺栓及螺栓孔直徑變小，其最大等效應(yīng)力增大，局部多個(gè)螺栓最大等效應(yīng)力超過(guò)了許用值783MPa。因此建議將螺栓等級(jí)調(diào)整為12.9級(jí)。同時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，確保抱箍與塔筒的貼合程度以及連接螺栓孔的加工質(zhì)量等。

五、結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)GL規(guī)范，結(jié)合有限元分析程序NX Nastran，采用有限元方法對(duì)某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組塔筒兩種加固設(shè)計(jì)方案在極限載荷工況下進(jìn)行了分析對(duì)比，并結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行了評(píng)定，由有限元計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比可知，塔筒加固設(shè)計(jì)方案2將連接螺栓等級(jí)提高1級(jí)后可以滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)需要確保抱箍及螺栓孔的加工質(zhì)量。為解決現(xiàn)場(chǎng)塔筒加固問(wèn)題提供數(shù)據(jù)依據(jù)和參考，為同類型塔筒的受力校核、改進(jìn)優(yōu)化提供有益借鑒。