風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)與鋁合金平臺(tái)對(duì)比分析

□ 鞏海偉 □ 袁 凌 □ 李英昌 □ 員一澤 □ 鄭 梁

國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司 北京 100039

1 研究背景

風(fēng)電塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要承載結(jié)構(gòu),需要承受機(jī)艙和風(fēng)輪的質(zhì)量,以及風(fēng)輪和風(fēng)作用在風(fēng)電塔筒上的彎矩、重力、轉(zhuǎn)矩等載荷。風(fēng)電塔筒起到連接機(jī)艙和地面的作用,借助風(fēng)電塔筒,運(yùn)維人員可以進(jìn)入機(jī)艙進(jìn)行檢修維護(hù)工作。電纜可以固定在風(fēng)電塔筒內(nèi)壁上,將機(jī)艙中發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電輸送至地面的電網(wǎng)中。目前,風(fēng)電塔筒主要為錐筒式結(jié)構(gòu),筆者以錐筒式風(fēng)電塔筒的平臺(tái)為對(duì)象展開(kāi)研究。

風(fēng)電塔筒平臺(tái)是風(fēng)電塔筒重要的內(nèi)附件之一,整個(gè)風(fēng)電塔筒分為頂端、底段及若干段,頂段和底段各有兩個(gè)風(fēng)電塔筒平臺(tái),其余各中間段在塔筒連接處均有風(fēng)電塔筒平臺(tái)。

風(fēng)電塔筒平臺(tái)對(duì)安全性、制造安裝便捷性等有較高的要求。目前市場(chǎng)上風(fēng)電塔筒平臺(tái)使用的材料主要為碳鋼,部分風(fēng)電整機(jī)廠家開(kāi)始采用鋁合金材料。筆者主要針對(duì)這兩種材料的風(fēng)電塔筒平臺(tái),從結(jié)構(gòu)布局、安全性、制造成本三方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2 結(jié)構(gòu)布局

2.1 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)

風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由承重橫梁、平臺(tái)板、加強(qiáng)筋及各種連接螺栓組成。

▲圖1 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)板分割為六塊,通過(guò)螺栓連接至承重橫梁上。沿著平臺(tái)板周邊接近風(fēng)電塔筒處,用螺栓將平臺(tái)板連接至風(fēng)電塔筒上。為提高平臺(tái)板的強(qiáng)度和剛度,平臺(tái)板下方焊接有加強(qiáng)筋。承重橫梁通過(guò)螺栓連接至風(fēng)電塔筒上。

平臺(tái)板的厚度為6 mm,材料為Q235B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,質(zhì)量為692 kg。

2.2 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)

風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由平臺(tái)板、加強(qiáng)筋及各種連接螺栓組成。

▲圖2 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)板分割為兩塊,平臺(tái)板向下折彎成折彎加強(qiáng)筋,打孔后通過(guò)螺栓連接至風(fēng)電塔筒上。為提高平臺(tái)板的強(qiáng)度和剛度,平臺(tái)板下方焊接有加強(qiáng)筋。在吊物孔兩側(cè)與折彎加強(qiáng)筋垂直方向上的焊接加強(qiáng)筋兩端近塔筒處打孔,通過(guò)螺栓將平臺(tái)板連接至風(fēng)電塔筒上。沿著平臺(tái)板周邊接近風(fēng)電塔筒處,用螺栓將平臺(tái)板連接至風(fēng)電塔筒上。

風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)中,平臺(tái)板的厚度及直徑與碳鋼平臺(tái)一致,材料為2A11鋁合金,質(zhì)量為207 kg,為碳鋼平臺(tái)質(zhì)量的30%。

3 安全性

3.1 概述

風(fēng)電塔筒平臺(tái)應(yīng)該具有較高的強(qiáng)度和剛度,從而確保運(yùn)維人員踏上平臺(tái)及放置維修工具時(shí)安全可靠。筆者通過(guò)SolidWorks Simulation[1-3]軟件進(jìn)行有限元分析,對(duì)比兩種材料風(fēng)電塔筒平臺(tái)的安全性。在分析過(guò)程中,簡(jiǎn)化分析模型,去除不影響分析結(jié)果的螺栓、螺栓孔,加快分析進(jìn)程。

從兩方面考慮受力情況,一方面是單位面積內(nèi)最大受力情況,即最大壓強(qiáng),另一方面是整個(gè)風(fēng)電塔筒平臺(tái)承受的最大總質(zhì)量。

風(fēng)電塔筒平臺(tái)受到的最大總質(zhì)量指在風(fēng)電塔筒吊裝過(guò)程中,兩段相鄰?fù)补?jié)組裝時(shí)風(fēng)電塔筒平臺(tái)上承受的質(zhì)量,包括四位工人的質(zhì)量、連接兩段筒節(jié)的所有螺栓墊圈及螺母的質(zhì)量、工具的質(zhì)量、吊物孔處護(hù)欄的質(zhì)量、滅火器的質(zhì)量。單人質(zhì)量最大值為85 kg,四位工人總質(zhì)量為340 kg[4-5],所有螺栓墊圈及螺母質(zhì)量為505 kg,工具質(zhì)量為20 kg,吊物孔處護(hù)欄質(zhì)量為40 kg,滅火器質(zhì)量為12 kg。風(fēng)電塔筒平臺(tái)承受的最大總質(zhì)量為917 kg,對(duì)應(yīng)重力載荷9 170 N。

3.2 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)

3.2.1 單位面積內(nèi)最大受力

風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)簡(jiǎn)化分析模型如圖3所示。風(fēng)電塔筒平臺(tái)承重橫梁及平臺(tái)板連接至風(fēng)電塔筒螺栓處為約束位置,取平臺(tái)板上最薄弱處為受力位置。單人質(zhì)量最大值為85 kg,對(duì)應(yīng)重力850 N,雙腳受力面積取最小尺寸38 356 mm2[5],單人站立處所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為22 161 Pa。由于風(fēng)電塔筒平臺(tái)使用過(guò)程中規(guī)定載荷不得大于200 kg/m2[6],因此人員與物品不得集中站立或放置。200 kg/m2為2 000 Pa,小于單人站立處所產(chǎn)生的壓強(qiáng)22 161 Pa,由此可得風(fēng)電塔筒平臺(tái)單位面積最大受力情況為單人并腳站立時(shí)的受力情況。

▲圖3 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)簡(jiǎn)化分析模型

風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)材料的彈性模量為210 GPa,屈服強(qiáng)度為235 MPa[7],泊松比為0.28。

經(jīng)有限元分析,得到風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)單位面積最大受力時(shí)的應(yīng)力與位移分布,分別如圖4、圖5所示。最大應(yīng)力為18.81 MPa,最小安全因數(shù)為12.49,最大位移為0.642 3 mm。

▲ 圖4 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)單位面積最大受力時(shí)應(yīng)力分布▲圖5 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)單位面積最大受力時(shí)位移分布

3.2.2 承受最大總質(zhì)量

風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)受力約束設(shè)置如圖6所示。平臺(tái)板四周箭頭為約束處,與單位面積最大受力分析的固定約束一致,垂直于平臺(tái)板平面的箭頭為加載的受力。受力面積為8.4 m2,承受總質(zhì)量為917 kg,加上自身質(zhì)量692 kg,共計(jì)1 609 kg,即受力大小為16 090 N。

▲圖6 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)受力約束設(shè)置

經(jīng)有限元分析,得到風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)的應(yīng)力與位移分布,分別如圖7、圖8所示。最大應(yīng)力為133.9 MPa,最小安全因數(shù)為1.76,最大位移為4.705 mm。

▲圖7 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)應(yīng)力分布▲圖8 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)位移分布

3.3 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)

3.3.1 單位面積內(nèi)最大受力

風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)簡(jiǎn)化分析模型如圖9所示。加強(qiáng)筋及平臺(tái)板連接至風(fēng)電塔筒螺栓處為約束位置,平臺(tái)板最薄弱處為受力位置,受力大小和風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)一致。風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)材料的彈性模量為72.4 GPa,屈服強(qiáng)度為190 MPa[8],泊松比為0.33。

▲圖9 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)簡(jiǎn)化分析模型

經(jīng)有限元分析,得到風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)單位面積最大受力時(shí)的應(yīng)力與位移分布,分別如圖10、圖11所示。最大應(yīng)力為27.06 MPa,最小安全因數(shù)為7.02,最大位移為2.688 mm。

▲圖10 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)單位面積最大受力時(shí)應(yīng)力分布▲圖11 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)單位面積最大受力時(shí)位移分布

3.3.2 承受最大總質(zhì)量

風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)受力約束設(shè)置和風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)一致,固定約束和單位面積最大受力分析的固定約束一致。受力面積為8.4 m2,承載總質(zhì)量為917 kg,加上自身質(zhì)量207 kg,共計(jì)1 124 kg,即受力大小為11 240 N。

經(jīng)有限元分析,得到風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)的應(yīng)力與位移分布,分別如圖12、圖13所示。最大應(yīng)力為60.96 MPa,最小安全因數(shù)為3.12,最大位移為3.198 mm。

3.4 小結(jié)

GB 4053.3—2009[9]對(duì)鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)載荷有如下要求:

(1) 整個(gè)平臺(tái)區(qū)域內(nèi)應(yīng)能承受不小于3 kN/m2的均勻分布活載荷;

(2) 在平臺(tái)區(qū)域內(nèi)中心距為1 000 mm,邊長(zhǎng)為300 mm的正方形上,應(yīng)能承受不小于1 kN的集中載荷;

(3) 平臺(tái)地板在設(shè)計(jì)載荷下的撓曲度不大于10 mm或跨度的1/200,兩者取較小值。

對(duì)于兩種材料風(fēng)電塔筒平臺(tái),受載分析結(jié)果均滿足上述要求。

▲圖12 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)應(yīng)力分布▲圖13 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)承受最大總質(zhì)量時(shí)位移分布

4 制造成本

筆者以國(guó)內(nèi)某風(fēng)電塔筒平臺(tái)制造企業(yè)為例進(jìn)行制造成本分析。

4.1 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)

風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)的制造工藝流程如圖14所示。

▲圖14 風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)制造工藝流程

制造風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)的主要設(shè)備有激光線切割機(jī)床、交流弧焊機(jī)、鉆孔機(jī)械、鍍鋅設(shè)備。

風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)的制造成本包括原料價(jià)格、制造加工費(fèi)、人工費(fèi)用。

4.2 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)

風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的制造工藝流程[10]如圖15所示。

制造風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的主要設(shè)備有激光線切割機(jī)床、折彎?rùn)C(jī)、交流弧焊機(jī)、鉆孔機(jī)械。

▲圖15 風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)制造工藝流程

風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的制造成本包括原料價(jià)格、制造加工費(fèi)、人工費(fèi)用。

4.3 小結(jié)

對(duì)比風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)和風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)兩者的制造工藝流程,可知風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)的連接螺栓數(shù)量比風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的連接螺栓數(shù)量多,風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)相比風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái),多了鍍鋅防腐處理。風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)由于自身具有防腐功能,因此一般不需要進(jìn)行表面防腐處理。特殊工況下,可以根據(jù)使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行加強(qiáng)防腐的陽(yáng)極氧化處理。

風(fēng)電塔筒平臺(tái)制造企業(yè)一般只進(jìn)行綜合成本比較,對(duì)于制造過(guò)程中每個(gè)工藝環(huán)節(jié)的工時(shí)和成本,不做細(xì)微化統(tǒng)計(jì)。對(duì)比兩種材料風(fēng)電塔筒平臺(tái)制造成本,風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的綜合價(jià)格為風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)的1.7倍。

由于兩種材料風(fēng)電塔筒平臺(tái)的尺寸一致,運(yùn)輸成本基本相同,因此可以忽略兩者的運(yùn)輸成本差異。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)和風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析,得出三方面結(jié)論。

(1) 相同尺寸下,風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的質(zhì)量約為風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)的30%。

(2) 相同尺寸下,單位面積最大受力時(shí),風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的安全因數(shù)低于風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)。承受最大總質(zhì)量時(shí),風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的安全因數(shù)高于風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)。原因是碳鋼自身質(zhì)量更大,以及兩個(gè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)不同。當(dāng)然,兩種材料風(fēng)電塔筒平臺(tái)的安全因數(shù)均滿足使用要求。

(3) 對(duì)比兩種材料風(fēng)電塔筒平臺(tái)的制造成本,發(fā)現(xiàn)風(fēng)電塔筒鋁合金平臺(tái)的綜合成本高于風(fēng)電塔筒碳鋼平臺(tái)的綜合成本,主要原因在于鋁合金的原材料價(jià)格顯著高于碳鋼。