不同結(jié)構(gòu)形式對風(fēng)電機組塔架輕量化設(shè)計的影響研究*

宋恭杰，裘慧杰，何先照，許 斌，王克峰，湯永江

(1.浙江運達風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310000)

0 引 言

近年來，隨著我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組越來越趨向于大型化。塔架作為風(fēng)電機組的重要承重部件，吸收機組振動的同時對機艙和葉輪起著重要的支撐作用，使葉輪等部件得以在高處平穩(wěn)運行，以獲得足夠的風(fēng)能驅(qū)動發(fā)電[1]。然而，塔架作為一種高聳的鋼結(jié)構(gòu)，在承受著機組重量的同時，也承受著巨大的彎矩作用，這就要求塔架必須具有足夠的剛度以保障機組的安全。

隨著風(fēng)電補貼政策逐步的退出，平價上網(wǎng)時代的來臨，市場的競爭愈加激烈，陸上風(fēng)場的投資商越來越注重設(shè)備投入成本的控制。塔架作為風(fēng)電機組的大部件之一，根據(jù)機組兆瓦、風(fēng)輪不同，其90 m～100 m高的塔架重量一般在170 t～290 t左右，其成本大概占據(jù)了一臺風(fēng)機20%～25%的投資比例。因此，在未來的風(fēng)電競爭中，投資商和各主機廠商勢必在塔架輕量化方面進行研究，以降低風(fēng)場投資[2]。

目前，針對塔架輕量化的設(shè)計，各大主機廠商的研究主要集中在以下幾個方面：(1)對控制策略進行研究及優(yōu)化[3]；(2)對各風(fēng)場進行定場址載荷計算；(3)對塔架內(nèi)件的減重優(yōu)化；(4)對塔門局部加強形式[4]的研究設(shè)計等，而對于塔架不同結(jié)構(gòu)形式的研究較少。

據(jù)此，本文將通過在同等計算條件下，計算不同結(jié)構(gòu)形式的塔架受載情況，對比研究結(jié)構(gòu)形式對塔架輕量化的影響。

1 塔架輕量化的對比方法

1.1 研究對象

本文針對結(jié)構(gòu)形式對塔架輕量化的影響研究，將通過兩種不同形式的對比方式展開：

(1)相同結(jié)構(gòu)、不同底徑。針對3.0 MW機組，選擇兩種不同高度的塔架即90 m(風(fēng)輪直徑采用140 m)和100 m(風(fēng)輪直徑采用147 m)，每種高度均采用4.5 m和4.3 m的兩種塔底直徑進行建模。

相同結(jié)構(gòu)、不同底徑的塔架模型如圖1所示。

圖1 相同結(jié)構(gòu)、不同底徑的塔架模型圖

(2)相同底徑、不同結(jié)構(gòu)。針對2.5 MW機組(風(fēng)輪直徑采用140 m)，采用同一塔底直徑、4種不同結(jié)構(gòu)形式的塔架進行對比研究。

相同底徑、不同結(jié)構(gòu)的塔架模型如圖2所示。

圖2 相同底徑、不同結(jié)構(gòu)的塔架模型圖

塔架詳細結(jié)構(gòu)形式說明如表1所示。

表1 塔架詳細結(jié)構(gòu)形式說明

在風(fēng)場條件方面，挑選一個較典型風(fēng)況條件的風(fēng)場，其風(fēng)場的風(fēng)況基本參數(shù)如表2所示。

表2 研究風(fēng)場的風(fēng)況基本參數(shù)

1.2 對比方法

在同等計算參數(shù)、同一控制策略、塔架重量保持一致的條件下，筆者針對1.1節(jié)中提出的兩種對比形式的8款塔架分別進行計算，通過對比整機的固有頻率、各截面極限載荷、各截面疲勞載荷、塔架各截面余量，以及在該載荷下塔架可優(yōu)化到的最輕重量，來判斷不同結(jié)構(gòu)形式對塔架輕量化的影響程度。

2 塔架設(shè)計原則

塔架的設(shè)計原則是應(yīng)在規(guī)定的外部條件、設(shè)計工況和載荷情況下，能穩(wěn)定地支撐機艙和風(fēng)輪的運行，且應(yīng)具有足夠的強度、屈曲穩(wěn)定性和抗疲勞性能[5-8]。

本文主要對比校核塔架的強度、屈曲穩(wěn)定性和焊縫疲勞是否滿足設(shè)計要求，對比過程中不考慮塔架內(nèi)附件重量和門框有限元等的影響。

塔架強度，主要指塔架靜強度計算，由正應(yīng)力和切應(yīng)力組成，求解得到的等效應(yīng)力需滿足鋼材許用應(yīng)力。

根據(jù)第四強度理論，可以得到塔架強度計算公式為：

(1)

式中：σeq,Ed—等效應(yīng)力，MPa；σx,Ed—總的正應(yīng)力，MPa；τxθ,Ed—總的切應(yīng)力，MPa。

總的正應(yīng)力由重力產(chǎn)生的軸向正應(yīng)力和主力矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力組合而成，如下式所示：

(2)

式中：Fz—重力，kN；Mxy—主力矩，kNm；rcan—各塔筒塔節(jié)底部位置的平均半徑，m；tcan—各塔筒塔節(jié)的塔壁厚度，m；β—各塔筒塔節(jié)的錐角。

總的切應(yīng)力由剪切切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力組合而成，如下式所示：

(3)

式中：Fxy—剪切力，kN；Mz—扭轉(zhuǎn)力矩，kNm。

塔架屈曲穩(wěn)定性，主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下塔架是否會產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)破壞，其判斷公式如下：

(4)

根據(jù)經(jīng)驗，環(huán)向應(yīng)力非常接近0，可以忽略不計，因此，以上公式便可簡化為：

(5)

式中：σx,Rd—正應(yīng)力的抗屈曲系數(shù)；τxθ,Rd—剪應(yīng)力的抗屈曲系數(shù)；kx,kτ—屈曲相互作用參數(shù)。

塔架焊縫疲勞，即當焊縫受到多次重復(fù)的載荷作用后，應(yīng)力值雖沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生疲勞破壞。

風(fēng)機塔架的焊縫疲勞損傷需按照滿足20年運行進行校核，如下式所示：

(6)

式中：D20—風(fēng)機運行20年實際損傷值；N20—風(fēng)機運行20年實際循環(huán)次數(shù)；Nallowable.20—風(fēng)機20年許用循環(huán)次數(shù)。

3 不同結(jié)構(gòu)形式塔架的對比計算

作用在風(fēng)電機組塔架的外部載荷主要由塔架本身的氣動載荷、由風(fēng)輪和機艙產(chǎn)生的空氣動力載荷、力載荷以及塔架自重等組成。

塔架分析坐標系如圖3所示。

圖3 塔架分析坐標系

在圖3的塔架坐標系中：ZF為垂直方向，XF沿水平方向指向下風(fēng)向，YF垂直于XF和YF[9-11]。

3.1 相同結(jié)構(gòu)、不同底徑的塔架計算

針對1.1節(jié)中的第1種對比方式，按照圖1所示的塔架結(jié)構(gòu)，筆者利用BLADED載荷仿真軟件進行建模，并加載計算。其中，3.0 MW機組90 m的兩款塔架均按照176 t(不含塔架內(nèi)附件)進行建模；3.0 MW機組100 m的兩款塔架均按照290 t(不含塔架內(nèi)附件)進行建模。

塔架模型參數(shù)如表3所示(因各款塔架的鋼板數(shù)量較多，表中僅挑選部分鋼板列出)。

表3 塔架模型參數(shù)

在BLADED軟件中，求解得到的相同結(jié)構(gòu)、不同底徑的塔架固有頻率數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 相同結(jié)構(gòu)、不同底徑的塔架固有頻率

由表4可知：4.5 m底徑的塔架整機固有頻率比4.3 m的略大。

塔架各截面極限載荷(Mxy)和等效疲勞載荷(My)計算結(jié)果如圖所示(為便于視圖，圖中僅顯示20 m高度內(nèi)的載荷狀態(tài))。

根據(jù)圖4對比上述幾款塔架計算的實際載荷數(shù)值可以得到：極限載荷，4.5 m底徑的塔架比4.3 m的小3%左右；而等效疲勞載荷較接近，4.5 m底徑的塔架比4.3 m略小一點。

圖4 第1種對比方式各款塔架的極限載荷和等效疲勞載荷

根據(jù)計算得到的載荷，利用第2節(jié)所述的校核內(nèi)容計算塔架的強度、屈曲穩(wěn)定性以及20年疲勞損傷，可以得到以下結(jié)論：(1)在塔架強度校核方面，4.5 m底徑的塔架比4.3 m多8%～12%左右的余量；(2)在屈曲穩(wěn)定性校核方面，4.5 m底徑的塔架比4.3 m多5%～10%左右的余量；(3)在20年疲勞損傷校核方面，4.3 m底徑塔架的損傷比4.5 m大0.15左右。

3.2 相同底徑、不同結(jié)構(gòu)的塔架計算

針對1.1節(jié)中的第2種對比方式，按照圖2所示的4種塔架結(jié)構(gòu)，筆者同樣利用BLADED載荷仿真軟件進行建模，并加載計算。

塔架均按照180 t(不含塔架內(nèi)附件)進行建模，具體的4款塔架模型參數(shù)如表5所示。

表5 4款塔架模型參數(shù)

計算4款相同底徑、不同結(jié)構(gòu)的塔架固有頻率如表6所示。

表6 相同底徑、不同結(jié)構(gòu)的塔架固有頻率

由表6可知：編號2的塔架固有頻率最大，編號3略小，編號4的塔架固有頻率最小。

塔架各截面極限載荷(Mxy)和等效疲勞載荷(My)計算結(jié)果如圖5所示(為便于視圖，圖中僅顯示20 m高度內(nèi)的載荷狀態(tài))。

圖5 第2種對比方式各款塔架的極限載荷和等效疲勞載荷

根據(jù)圖5對比上述4款塔架計算的實際載荷數(shù)據(jù)可知：(1)極限載荷，編號2最小，編號3與編號2非常接近，載荷折線圖基本重合，但編號1比編號2大3%左右，編號4比編號2大10%左右；(2)等效疲勞載荷，從載荷折線圖上看，各款塔架載荷比較接近，但從實際數(shù)據(jù)上比較，編號2的等效疲勞載荷最小，編號1和編號3與之非常接近，編號4比編號2大2%左右。

3.3 塔架輕量化驗證及結(jié)果分析

在3.1節(jié)和3.2節(jié)的極限載荷、等效疲勞載荷基礎(chǔ)上，筆者對8款塔架做最優(yōu)化壁厚處理，即運用第2節(jié)塔架設(shè)計原則中的工程計算方法，并使其同時滿足以下3個要求：強度余量>0，屈曲穩(wěn)定性>5%，20年疲勞損傷<1。

最終得到8款塔架調(diào)整后的狀態(tài)如表7所示。

表7 8款塔架調(diào)整后狀態(tài)表

筆者通過工程算法對塔架重量優(yōu)化后的結(jié)果進行分析，得到的結(jié)果表明：

(1)相同結(jié)構(gòu)、不同底徑的塔架，塔底直徑越大，其塔架固有頻率越高、各截面極限載荷和等效疲勞載荷越小、屈曲穩(wěn)定性和疲勞損傷余量越大，塔架的設(shè)計可以更輕量化；

(2)相同底徑、不同結(jié)構(gòu)的塔架，在塔架設(shè)計允許的情況下，靠近塔底的直段數(shù)量越多(即保持各塔節(jié)盡可能多的大直徑狀態(tài)下)，其塔架固有頻率越高、各截面極限載荷和等效疲勞載荷越小、屈曲穩(wěn)定性和疲勞損傷余量越大，塔架的設(shè)計同樣可以更輕量化。

4 結(jié)束語

本文基于塔架設(shè)計原則的相關(guān)計算理論，通過兩種不同形式的對比方式展開了研究，構(gòu)建了8款不同塔架模型；同時運用BLADED仿真軟件和塔架工程算法，對所有塔架模型的固有頻率、各截面載荷、屈曲和疲勞損傷等進行了對比計算，研究了不同塔架結(jié)構(gòu)形式對風(fēng)電機組塔架輕量化的影響。

研究結(jié)果表明：在塔架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計允許的情況下，塔架底部直徑越大或靠近塔架底部的塔節(jié)直段數(shù)量越多，越有利于提高塔架的本體剛度、抗極限性能和抗疲勞性能，也就越有利于塔架的輕量化設(shè)計。