風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合研究

1、風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合研究趙文濤曹平周陳建鋒(河海大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京210098(College of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing 210098摘要 目前我國相關(guān)規(guī)范和規(guī)程尚沒有對風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒給出具體的荷載計算方法。本文分析研究了風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點,總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合。對水平氣動載荷公式進(jìn)行修正,提出修正系數(shù)0.4,并對某MW級風(fēng)力發(fā)電塔筒的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析,提出塔筒設(shè)計時可變荷載中的第一可變荷載和最不利工況。關(guān)鍵詞風(fēng)力發(fā)電;鋼塔筒;荷載;有限單元法ABSTRACT:A

2、t present, there are no specific load calculation methods about wind turbine tower in Chinese standards. In this paper, it was analyzed and summarized about load character, load calculation methods and loads combination. The paper proposes correction coefficient 0.4, while aerodynamic load equation

3、was corrected. After finite element analysis of one MW wind turbine tower, the paper proposes the first variable load and the worst load case about the design of wind turbine tower.KEYWORDS:wind turbine; steel tower; load; finite element method引言風(fēng)能作為一種綠色能源,得到世界各國的重視和開發(fā)利用。塔筒作為風(fēng)力發(fā)電機和葉輪的支撐結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)的安全可靠性是

4、確保風(fēng)力發(fā)電機組正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素之一。塔筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計,首先要涉及到荷載作用。除了自身的重力外,塔筒還要受到風(fēng)輪和機艙的重力作用以及作用在塔身上的風(fēng)荷載,另外還要受到通過風(fēng)輪作用在塔筒頂端的氣動荷載、偏轉(zhuǎn)力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒所受荷載具有特殊性,目前我國還沒有統(tǒng)一的風(fēng)力發(fā)電塔筒承受作用計算方法,已建塔架考慮所受荷載采用的計算公式差別較大。本文分析風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點,結(jié)合相關(guān)研究成果,總結(jié)系統(tǒng)的塔筒荷載作用類型和計算方法以及荷載組合方式。對某MW級風(fēng)力發(fā)電塔筒的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析,提出塔筒設(shè)計時可變荷載中的第一可變荷載和最不利工況。1 風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點與荷載計算方法1.1

5、風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點風(fēng)力發(fā)電塔筒屬于自立式高聳結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載通常是引起結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和振動的主要因素,起控制作用。風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展方向是容量增大,隨之風(fēng)輪直徑加大,塔架高度增加,導(dǎo)致作用在塔身上的風(fēng)荷載增大。研究表明,由風(fēng)壓增大造成的荷載增加要小于塔高增加引起擋風(fēng)面積的增加而引起的荷載增加1。除了塔身受到風(fēng)荷載作用,塔筒頂端還受到風(fēng)輪和機艙傳來的多種力和力矩作用。在風(fēng)輪運行過程中,風(fēng)輪將作用在其掃掠面上的氣動荷載以及自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳給塔架。由于風(fēng)輪直徑較大,可達(dá)70m,作用在風(fēng)輪掃掠面積上端的風(fēng)速不同于下端的風(fēng)速,這種風(fēng)速分布的不均勻性以及風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力、偏轉(zhuǎn)力矩及俯仰力矩。由于旋轉(zhuǎn)著的

6、風(fēng)輪能夠隨著風(fēng)向的改變自動調(diào)節(jié)迎風(fēng)方向,即風(fēng)輪會繞著塔筒軸線轉(zhuǎn)動,因此塔筒還受到陀螺力和陀螺力矩的作用?，F(xiàn)代風(fēng)機功率較大,塔筒高度較高,作用在塔壁上的風(fēng)荷載沿塔高有較大變化。通過風(fēng)輪和機艙傳遞給塔筒的荷載可以簡化為沿三個坐標(biāo)軸方向的集中力和力矩。風(fēng)力發(fā)電塔筒受載示意如圖1所示。 圖1 塔筒受力示意圖注:圖中e 為風(fēng)輪中心與塔筒軸線間距離(m ,x F 、y F 、z F 及x M 、y M 、z M 分別為風(fēng)輪和機艙作用在塔筒頂部沿三個方向的合力(kN 及合力矩(kNm ,(z 為作用在塔壁上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m 2。1.2 塔身風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值大量順風(fēng)向風(fēng)荷載的實測資料表明,風(fēng)作用可分解為平

7、均風(fēng)和脈動風(fēng)兩種形式。平均風(fēng)將結(jié)構(gòu)吹到一個平衡位置,脈動風(fēng)使其圍繞平衡位置作振動。我國常用的1.5MW 級風(fēng)力發(fā)電塔筒高度通常在80m 左右,底部直徑約在4m 左右,在平均風(fēng)和脈動風(fēng)的作用下會產(chǎn)生振動。塔筒屬于懸臂型高聳結(jié)構(gòu),在工程抗風(fēng)分析中,第1振型往往起控制作用?？蓪⑵骄L(fēng)乘以風(fēng)振系數(shù)來考慮脈動風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響作用。我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001 2規(guī)定垂直作用于建筑物表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算:(z s z 0z z z = (1式中,(z 為作用在塔筒表面任一高度z 處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m 2;z 為z 高度處的風(fēng)振系數(shù);(s z 為風(fēng)荷載體型系數(shù);(z

8、z 為風(fēng)壓高度變化系數(shù);0為基本風(fēng)壓(kN/m 2。 風(fēng)力發(fā)電場通常設(shè)在風(fēng)力資源較豐富、周圍建筑物較少的地區(qū),按文獻(xiàn)2屬于B 類地區(qū),此時(z z 可按下式計算2:(0.32z 0.1z z = (2對于風(fēng)力發(fā)電塔筒這種變截面自立式高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)可按下式計算3:(z 11v B z z 1/z =+ (3 式中,v 為考慮截面變化的修正系數(shù),根據(jù)塔筒頂面及底面直徑,由文獻(xiàn)2查得v =1.5;B 為考慮截面和質(zhì)量變化的修正系數(shù),為高度z 處迎風(fēng)面寬度與底部寬度的比值;1為脈動增大系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)2近似取為2.16;1為脈動影響系數(shù),當(dāng)?shù)孛娲植诙葹锽 類時,根據(jù)文獻(xiàn)2查得1=v B 0.885*

9、;z 為第一振型系數(shù),對于風(fēng)電塔筒應(yīng)按彎曲型考慮,采用下式計算:(22344z 64/3z H z H z H =-+ (4 1.3 作用于塔頂?shù)暮奢d在風(fēng)輪運行過程中以及由于風(fēng)速超出切出風(fēng)速而停機時,風(fēng)輪和機艙都將由風(fēng)荷載和自身運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的集中力和力矩傳遞給塔筒。由于風(fēng)輪在不同的風(fēng)速工況下旋轉(zhuǎn)的速度不同,風(fēng)輪和機艙傳遞給塔筒的荷載不同。因此,作用于塔筒頂端的荷載效應(yīng)應(yīng)分額定風(fēng)速、切出風(fēng)速和極限風(fēng)速三種工況計算。風(fēng)力發(fā)電塔筒在額定風(fēng)速作用下受到下列荷載作用:氣動荷載風(fēng)輪正常工作時,作用于風(fēng)輪掃掠面上的氣動荷載x 1F 用下式計算4:22x 1p p F C V R = (5 式中,p C 為風(fēng)能

10、利用系數(shù);p V 為額定風(fēng)速(m/s ;R 為風(fēng)輪半徑(m 。 垂直力由風(fēng)輪和機艙的質(zhì)量引起的垂直力y F 用下式計算5:y F m g = (6 式中,m 為風(fēng)輪和機艙的質(zhì)量之和(kg 。偏轉(zhuǎn)力由于風(fēng)向變化引起的偏轉(zhuǎn)力z F 用下式計算5:z x cos sin F F = (7式中,為風(fēng)速與風(fēng)輪軸線間的夾角(。 轉(zhuǎn)矩x M 可用下式計算6:x 9550/M P n = (8式中,P 為風(fēng)機功率(kw ;n 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(rpm ;為機械效率。偏轉(zhuǎn)力矩y1M可按下式計算5:22y1p 4sin cos 9MV R e (9式中,e 為風(fēng)輪中心與塔筒軸線間距離(m 。俯仰力矩由于風(fēng)速分布不均勻而

11、產(chǎn)生的俯仰力矩z1M用下式計算5: (322z121427MRVV B=- (10式中,B 為風(fēng)葉數(shù)量;1V 、2V 分別為風(fēng)輪掃掠中心上、下各2/3風(fēng)葉半徑處的風(fēng)速(m/s 。由風(fēng)輪和機艙重力引起的力矩z2M 可用下式計算:z2M mg e = (11 陀螺力及陀螺力矩由風(fēng)輪繞塔筒軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺力x2F 和陀螺力矩y2M分別用下式計算5:2x2F e m = (12y2M I = (13 式中,為風(fēng)輪繞塔筒軸線旋轉(zhuǎn)角速度,取0.51(1/s ;為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度(1/s ;I 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量(kgm 2。風(fēng)力發(fā)電塔筒在切出風(fēng)速作用下受到下列荷載作用:氣動荷載風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度隨著風(fēng)速的變化而變

12、化,轉(zhuǎn)速范圍一般在919rpm 之間。當(dāng)風(fēng)輪受到額定風(fēng)速作用時,風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)最大值19rpm 。此時,單位時間(1s 內(nèi)三片風(fēng)葉的總掃掠面面積接近于以風(fēng)葉長為半徑的圓的面積,額定風(fēng)速工況的氣動荷載用式(5計算。隨著風(fēng)速的增加風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)速度逐漸加快,在額定風(fēng)速時達(dá)到最大值。隨著風(fēng)速的繼續(xù)增加,風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)速度會逐漸減慢,切出風(fēng)速時風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)速度會達(dá)到最小值9rpm 。此時,單位時間(1s 內(nèi)三片風(fēng)葉的總掃掠面積接近于以風(fēng)葉長為半徑的圓面積的1/3,亦即切出風(fēng)速工況下的氣動荷載應(yīng)在式(5前乘以1/3。為計算方便且偏于安全,建議切出風(fēng)速工況下的氣動荷載在式(5前乘以0.4的系數(shù)來進(jìn)行計算。因此,風(fēng)

13、葉在切出風(fēng)速作用下受到的氣動載荷x F 可用下式計算:22x p d 0.4F C V R = (14式中,d V 為切出風(fēng)速(m/s 。垂直力y F 、轉(zhuǎn)矩x M 和力矩z M 可分別用公式(6、(8和(11進(jìn)行計算。 偏轉(zhuǎn)力矩y M 可按下式進(jìn)行計算5:22yd 4sin cos 9MV R e (15風(fēng)力發(fā)電塔筒在極限風(fēng)速作用下受到下列荷載作用: 氣動荷載當(dāng)風(fēng)速超出風(fēng)輪的切出風(fēng)速時,風(fēng)輪便會停止轉(zhuǎn)動。此時,作用在風(fēng)葉上的氣動荷載xF 可用下式計算5:2x t s 0.5F C V A = (16式中,t C 為阻力系數(shù),一般取1.6;s V 為極限風(fēng)速(m/s ;A 為機艙在與風(fēng)向垂直的

14、平面內(nèi)的投影面積(m 2。由風(fēng)輪和機艙的重力引起的垂直力y F 和力矩x M 可分別用公式(6和(11計算。 力矩z M由風(fēng)荷載作用在機艙側(cè)壁上引起的力矩z M 可用下式計算:z x /2M F h = (17 式中,h -機艙側(cè)壁高(m 。 1.4荷載組合方式風(fēng)力發(fā)電塔筒屬高聳懸臂結(jié)構(gòu),水平風(fēng)荷載對其應(yīng)力、變形起控制作用。按照文獻(xiàn)2規(guī)定,應(yīng)采用下式計算荷載效應(yīng)組合:G G k Q 1Q 1kQ cQ 2ni ii ii S S SS Q =+ (18 式中,G 為永久荷載分項系數(shù),按文獻(xiàn)2規(guī)定取1.2;Q i 為第i 個可變荷載的分項系數(shù),其中Q 1為可變荷載1Q 的分項系數(shù),按文獻(xiàn)2規(guī)定取

15、1.4;G k S 為按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值k G 計算的荷載效應(yīng)值;Q k i S 為按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值ik Q 計算的荷載效應(yīng)值,其中Q 1k S 為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者;c i 為可變荷載i Q 的組合值系數(shù),按文獻(xiàn)2規(guī)定統(tǒng)一取0.6。 由大量計算可知,塔頂?shù)牧財?shù)值遠(yuǎn)小于塔頂集中力在塔底產(chǎn)生的彎矩。由于風(fēng)力發(fā)電塔筒高度較大,水平控制荷載對塔底的應(yīng)力增長與塔頂位移起控制作用。因此,在本文的荷載組合中,分別將塔壁上的水平風(fēng)荷載和塔頂?shù)臍鈩雍奢d作為第一可變荷載進(jìn)行計算分析。 2 算例華東地區(qū)某兆瓦級風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒輪轂高度65m ,塔筒底部直徑4m ,塔筒頂部直徑2.378m ,塔體各段直徑及壁厚如圖2所示。筒體鋼材為Q345C ,密度為7850kg/m 3,彈性模量E =2.06105 N/mm 2,基本風(fēng)壓為0.45kN/m 2。本塔筒底部徑厚比達(dá)到150,屬于薄殼結(jié)構(gòu)。塔筒頂部有一法蘭盤,實現(xiàn)塔筒與頂部發(fā)電機艙的連接,法蘭盤厚度遠(yuǎn)大于頂部塔筒壁厚,為了施加荷載方便和模擬較為真實的邊界條件,在塔頂附加一圓形厚鋼板來模擬法蘭盤的作用。在進(jìn)行分析時,