风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究.doc

风力发电钢塔筒的荷载计算方法 和荷载组合研究 赵文涛曹平周陈建锋 河海大学土木工程学院,江苏南京210098 College of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing 210098 [摘要] 目前我国相关规范和规程尚没有对风力发电钢塔筒给出具体的荷载计算方法。本文分析研究了风力发电塔筒的荷载特点,总结了风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合。对水平气动载荷公式进行修正,提出修正系数0.4,并对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析,提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。 [关键词]风力发电;钢塔筒;荷载;有限单元法 ABSTRACTAt present, there are no specific load calculation s about wind turbine tower in Chinese standards. In this paper, it was analyzed and summarized about load character, load calculation s and loads combination. The paper proposes correction coefficient 0.4, while aerodynamic load equation 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. KEYWORDSwind turbine; steel tower; load; finite element 引言 风能作为一种绿色能源,得到世界各国的重视和开发利用。塔筒作为风力发电机和叶轮的支撑结构,其结构的安全可靠性是确保风力发电机组正常运转的关键因素之一。塔筒结构的设计,首先要涉及到荷载作用。除了自身的重力外,塔筒还要受到风轮和机舱的重力作用以及作用在塔身上的风荷载,另外还要受到通过风轮作用在塔筒顶端的气动荷载、偏转力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒所受荷载具有特殊性,目前我国还没有统一的风力发电塔筒承受作用计算方法,已建塔架考虑所受荷载采用的计算公式差别较大。本文分析风力发电塔筒的荷载特点,结合相关研究成果,总结系统的塔筒荷载作用类型和计算方法以及荷载组合方式。对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析,提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。 1 风力发电塔筒的荷载特点与荷载计算方法 1.1 风力发电塔筒的荷载特点 风力发电塔筒属于自立式高耸结构,风荷载通常是引起结构侧向位移和振动的主要因素,起控制作用。风力发电机的发展方向是容量增大,随之风轮直径加大,塔架高度增加,导致作用在塔身上的风荷载增大。研究表明,由风压增大造成的荷载增加要小于塔高增加引起挡风面积的增加而引起的荷载增加[1]。除了塔身受到风荷载作用,塔筒顶端还受到风轮和机舱传来的多种力和力矩作用。在风轮运行过程中,风轮将作用在其扫掠面上的气动荷载以及自转产生的转矩传给塔架。由于风轮直径较大,可达70m,作用在风轮扫掠面积上端的风速不同于下端的风速,这种风速分布的不均匀性以及风向的偏转会产生偏转力、偏转力矩及俯仰力矩。由于旋转着的风轮能够随着风向的改变自动调节迎风方向,即风轮会绕着塔筒轴线转动,因此塔筒还受到陀螺力和陀螺力矩的作用。 现代风机功率较大,塔筒高度较高,作用在塔壁上的风荷载沿塔高有较大变化。通过风轮和机舱传递给塔筒的荷载可以简化为沿三个坐标轴方向的集中力和力矩。风力发电塔筒受 载示意如图1所示。 图1 塔筒受力示意图 注图中e 为风轮中心与塔筒轴线间距离m ,x F 、y F 、z F 及x M 、y M 、z M 分别为风轮和机舱作用在塔筒顶部沿三个方向的合力kN 及合力矩kNm ,z ω为作用在塔壁上的风荷载标准值kN/m 2。 1.2 塔身风荷载标准值 大量顺风向风荷载的实测资料表明,风作用可分解为平均风和脉动风两种形式。平均风将结构吹到一个平衡位置,脉动风使其围绕平衡位置作振动。我国常用的1.5MW 级风力发电塔筒高度通常在80m 左右,底部直径约在4m 左右,在平均风和脉动风的作用下会产生振动。塔筒属于悬臂型高耸结构,在工程抗风分析中,第1振型往往起控制作用。可将平均风乘以风振系数来考虑脉动风对结构的影响作用。 我国建筑结构荷载规范GB50009-2001 [2] 规定垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值按下式计算 z s z 0z z z ωβμμω 1 式中,z ω为作用在塔筒表面任一高度z 处的风荷载标准值kN/m 2;z β为z 高度处的风振系数;s z μ为风荷载体型系数;z z μ为风压高度变化系数;0ω为基本风压 kN/m 2。 风力发电场通常设在风力资源较丰富、周围建筑物较少的地区,按文献[2]属于B 类地区,此时z z μ可按下式计算[2] 0.32 z 0.1z z μ 2 对于风力发电塔筒这种变截面自立式高耸结构的风振系数可按下式计算[3] z 11v B z z 1/z βξνθθϕμ 3 式中,v θ为考虑截面变化的修正系数,根据塔筒顶面及底面直径,由文献[2]查得v θ1.5;B θ为考虑截面和质量变化的修正系数,为高度z 处迎风面宽度与底部宽度的比值;1ξ为脉 动增大系数,根据文献[2]近似取为2.16;1ν为脉动影响系数,当地面粗糙度为B 类时,根据文献[2]查得1νv B 0.885*θθ;z ϕ为第一振型系数,对于风电塔筒应按弯曲型考虑,采用下式计算 22344z 64/3z H z H z H ϕ- 4 1.3 作用于塔顶的荷载 在风轮运行过程中以及由于风速超出切出风速而停机时,风轮和机舱都将由风荷载和自 ω 身运转而产生的集中力和力矩传递给塔筒。由于风轮在不同的风速工况下旋转的速度不同,风轮和机舱传递给塔筒的荷载不同。因此,作用于塔筒顶端的荷载效应应分额定风速、切出风速和极限风速三种工况计算。 1.3.1 额定风速工况荷载 风力发电塔筒在额定风速作用下受到下列荷载作用 ⑴气动荷载 风轮正常工作时,作用于风轮扫掠面上的气动荷载x 1F 用下式计算[4] 22x 1p p F C V R π 5 式中,p C 为风能利用系数;p V 为额定风速m/s ;R 为风轮半径m 。 ⑵垂直力 由风轮和机舱的质量引起的垂直力y F 用下式计算[5] y F m g 6 式中,m 为风轮和机舱的质量之和kg 。 ⑶偏转力 由于风向变化引起的偏转力z F 用下式计算[5] z x cos sin F F δδ 7 式中,δ为风速与风轮轴线间的夹角。 ⑷转矩x M 可用下式计算[6] x 9550/M P n η 8 式中,P 为风机功率kw ;n 为风轮转速rpm ;η为机械效率。 ⑸偏转力矩y1 M 可按下式计算[5] 22 y1 p 4sin cos 9 M V R e ρπδδ≤ 9 式中,e 为风轮中心与塔筒轴线间距离m 。 ⑹俯仰力矩 由于风速分布不均匀而产生的俯仰力矩z1 M 用下式计算[5] 3 2 2 z1 2 1 4 27M R V V B ρ π ⋅ - 10 式中,B 为风叶数量;1V 、2V 分别为风轮扫掠中心上、下各2/3风叶半径处的风速m/s 。 由风轮和机舱重力引起的力矩z2M 可用下式计算 z2M mg e ⋅ 11 ⑺陀螺力及陀螺力矩 由风轮绕塔筒轴线旋转产生的陀螺力x2F 和陀螺力矩y2 M 分别用下式计算[5] 2 x2F e m ω 12 y2M I ωΩ 13 式中,ω为风轮绕塔筒轴线旋转角速度,取0.511/s ;Ω为风轮旋转角速度1/s ;I 为风轮转动惯量kgm 2 。 1.3.2 切出风速工况荷载 风力发电塔筒在切出风速作用下受到下列荷载作用 ⑴气动荷载 风轮的旋转速度随着风速的变化而变化,转速范围一般在919rpm 之间。当风轮受到 额定风速作用时,风叶的旋转速度可达最大值19rpm 。此时,单位时间1s 内三片风叶的总扫掠面面积接近于以风叶长为半径的圆的面积,额定风速工况的气动荷载用式5计算。随着风速的增加风叶的旋转速度逐渐加快,在额定风速时达到最大值。随着风速的继续增加,风叶的旋转速度会逐渐减慢,切出风速时风叶旋转速度会达到最小值9rpm 。此时,单位时间1s 内三片风叶的总扫掠面积接近于以风叶长为半径的圆面积的1/3,亦即切出风速工况下的气动荷载应在式5前乘以1/3。为计算方便且偏于安全,建议切出风速工况下的气动荷载在式5前乘以0.4的系数来进行计算。 因此,风叶在切出风速作用下受到的气动载荷x F 可用下式计算 22 x p d 0.4F C V R π 14 式中,d V 为切出风速m/s 。 ⑵垂直力y F 、转矩x M 和力矩z M 可分别用公式6、8和11进行计算。 ⑶偏转力矩y M 可按下式进行计算[5] 22 y d 4sin cos 9 M V R e ρπδδ≤ 15 1.3.3极限风速工况荷载 风力发电塔筒在极限风速作用下受到下列荷载作用 ⑴气动荷载 当风速超出风轮的切出风速时,风轮便会停止转动。此时,作用在风叶上的气动荷载x F 可用下式计算[5] 2 x t s 0.5F C V A ρ 16 式中,t C 为阻力系数,一般取1.6;s V 为极限风速m/s ;A 为机舱在与风向垂直的平面 内的投影面积m 2。 ⑵由风轮和机舱的重力引起的垂直力y F 和力矩x M 可分别用公式6和11计算。 ⑶力矩z M 由风荷载作用在机舱侧壁上引起的力矩z M 可用下式计算 z x /2M F h ⋅ 17 式中,h -机舱侧壁高m 。 1.4荷载组合方式 风力发电塔筒属高耸悬臂结构,水平风荷载对其应力、变形起控制作用。按照文献[2]规定,应采用下式计算荷载效应组合 G G k Q 1 Q 1k Q c Q 2 n i i i i i S S S S Q γγ γψ∑ 18 式中,G γ为永久荷载分项系数,按文献[2]规定取1.2;Q i γ为第i 个可变荷载的分项系数,其中Q 1γ为可变荷载1Q 的分项系数,按文献[2]规定取1.4;G k S 为按永久荷载标准值k G 计算的荷载效应值;Q k i S 为按可变荷载标准值ik Q 计算的荷载效应值,其中Q 1k S 为诸可变荷载 效应中起控制作用者;c i ψ为可变荷载i Q 的组合值系数,按文献[2]规定统一取0.6。 由大量计算可知,塔顶的力矩数值远小于塔顶集中力在塔底产生的弯矩。由于风力发电塔筒高度较大,水平控制荷载对塔底的应力增长与塔顶位移起控制作用。因此,在本文的荷载组合中,分别将塔壁上的水平风荷载和塔顶的气动荷载作为第一可变荷载进行计算分析。 2 算例 华东地区某兆瓦级风力发电钢塔筒轮毂高度65m ,塔筒底部直径4m ,塔筒顶部直径2.378m ,塔体各段直径及壁厚如图2所示。筒体钢材为Q345C ,密度为7850kg/m 3,弹性模量E 2.06105 N/mm 2,基本风压为0.45kN/m 2。本塔筒底部径厚比达到150,属于 薄壳结构。塔筒顶部有一法兰盘,实现塔筒与顶部发电机舱的连接,法兰盘厚度远大于顶部塔筒壁厚,为了施加荷载方便和模拟较为真实的边界条件,在塔顶附加一圆形厚钢板来模拟法兰盘的作用。在进行分析时,利用有限元软件ANSYS 对塔筒进行映射网格划分,塔顶厚钢板采用Solid45号单元,塔筒采用Shell181号单元。 按照上述计算方法,作用在塔身不同高度处的风压标准值和作用 在塔顶的荷载计算结果分别见表1和表2。 图2 塔体几何尺寸 注力的单位为kN ,力矩的单位为kNm 。 按照前述荷载组合方式,分别将水平风荷载和气动荷载作为第一可变荷载,对本塔筒进行有限元计算,有限元模型节点最大应力、最小应力值及位置,顶点位移计算结果分别见表3和表4。 表3 应力及位移计算结果水平风荷载为第一可变荷载 表 4 应力及位移计算结果（气动荷载为第一可变荷载） 工况 额定风速 切出风速 极限风速 最大应力（N/mm2） 应力值 118 166 75.2 位置 背风侧 25m 高附近 背风侧 25m 高附近 背风侧 25m 高附近 最小应力（N/mm2） 应力值 0.218 0.365 0.187 位置 背风侧 41m 附近 背风侧 41m 附近 背风侧 41m 附近 顶点位移m W 0.524 0.746 0.331 由计算结果可以看出， 切出风速工况下塔顶的气动荷载作为第一可变荷载时， 塔筒的最 大应力和最大位移均大于其它荷载工况下的应力和位移。其它算例也具有相同特性，因此， 在进行风力发电塔筒设计时，塔筒顶部的气动荷载应作为荷载组合中的第一可变荷载。 第一可变荷载不论是水平风荷载还是气动荷载， 切出风速工况均是三种工况中最不利的 一项，最大应力及位移均大于其它两种工况计算结果。其它算例也具有相同特性，在进行塔 筒设计时，应以切出风速工况为最不利工况进行设计。由表 3 和表 4 可见，切出风速工况下 的最大应力均小于钢材强度设计值， 顶点位移小于 高耸结构设计规范 GB 50135-2006 中对该类结构最大位移的限值，即塔顶位移不大于总高的 1/75，即 0.867m。 3 结论 （1） 切出风速工况下， 计算风荷载作用在风轮上产生的气动载荷时， 作者建议在公式 （5） 前乘以 0.4 的折减系数，即采用公式（14）进行计算； （2）本文较为系统的总结了风力发电塔筒荷载计算方法，在进行荷载组合时，应取气动 荷载作第一可变荷载； （3）切出风速工况下的计算结果是荷载组合方式中最为不利的。因此，在进行风力发电 塔筒设计时，应以切出风速工况为最不利工况进行设计； 参考文献 [1] 黄健，屠海明，潘汉明.单管塔的简化设计[J].钢结构，2003，18234-35. [2] 中华人民共和国国家标准， 建筑结构荷载规范GB 50009-2001 [S].北京中国建筑工业出版社， 2002. [3] 张相庭. 结构风工程 理论规范实践[M].北京中国建筑工业出版社，2006. [4] 谢峰，赵吉文，沈维蕾，周必诚.600KW 风力机塔架结构的仿真设计[J].系统仿真学报，2004，161 70-72. [5] E.C.Klaver,陈孝耀.风力机塔架的静载和动载[J].风力发电，1989，344-49. [6] 徐道远，黄孟生，朱为玄，王向东.材料力学[M].南京河海大学出版社，2004. [7] 中华人民共和国国家标准， 高耸结构设计规范GB 50135-2006 [S].北京中国计划出版社，2007 [8] 中华人民共和国机械行业标准， 风力发电机组 设计要求JB/T 10300-2001 [S].中国机械工业联合 会发布，2001 [9] 顾岳飞.兆瓦级风力发电机组塔架结构的优化设计[J].上海电力，2007，5518-520. [10] 陆萍.有限元软件在风力机塔架结构分析中的应用[J].农业机械学报，2000，312116-117. [11] 阎石，郑伟.简谐波叠加法模拟风谱[J].沈阳建筑大学学报自然科学版，2005，3111-4. [7] 6