风力机塔筒静态强度的理论分析

风力机塔筒静态强度的理论分析

0台风和地面局随着我国风力产业的快速发展，特别是风电站在东南沿海的快速建设，提高风电机的抗台风能力尤为重要。水平轴风力机的塔筒要承受风轮、发电机组和传动系统等重量,它直接影响风力机的工作可靠性。在自然风场中除了承受机组本身的重力外,还要承受风剪切、雷击、冰雪、盐雾、尘沙损害,特别是在岛屿和沿海地区应用时经常遭受台风袭击。据日本福冈市气象台统计,在1991～1997年间,日本台风共发生201次,年平均28.7次;台风最大风速为18～60m/s,台风持续时间为24～396h。近年来我国东南沿海台风一年比一年频繁且强度不断增大。2006年夏季的桑美台风,给浙江苍南风电场带来了毁灭性的破坏。该风电场共有28台机组,装机总容量15.85MW,其中20台机组都遭到不同程度的破坏(桨叶破坏最为严重,15台Vestas600kW机组仅可拼凑成2～3台。2台Windey750kW机组的基础被吹翻,2台Dewind600kW机组的塔筒下段折断,倒地后又折为两段。1台Vestas660kW机组在塔筒与基础连接处的螺栓拉断后,被完全吹倒)。由此可见,研究在不同风速条件下塔筒各螺栓结合面的弯矩,螺栓的拉应力以及塔筒各段的挠度、弯曲应力等均对风力机的抗台风设计具有重要意义。1集中重量g偏离塔筒中心引起的弯矩计算大型风力机塔筒通常都采用变截面的锥形筒体形式,根据其受力状况,可将它视为顶端受横向力P作用的变截面悬臂梁结构。将机舱、轮毂和叶片的重量作为集中重量G加载在塔筒顶端,同时考虑集中重量G偏离塔筒中心引起的弯矩。若将坐标原点设在塔筒顶端,则其力学模型与变形情况如图1所示。图中G、P、M和q分别为作用于塔筒顶端的重力、横向力、弯矩和沿其高度方向作用的风力。风力按沿塔筒高度方向的均布力来处理。弯矩为集中重量(G)的偏心弯矩和横向力(P)在塔筒顶端产生的弯矩的合弯矩。即:式中,h1——轮毂中心线到塔筒顶端的距离,m;h2——集中重量重心偏离塔筒中心的距离,m。图1中,f——在上述载荷共同作用下塔筒顶端所产生的水平位移,m;y——距离坐标原点x处的变形量,m。2计算过程2.1cd—横向力P横向力P由风力机叶片、轮毂和机舱的迎风阻力组成。由流体力学知绕流物体的阻力为:其中,CD——无量纲的阻力系数,其值大小取决于雷诺数和绕流物体的形状;ρ——来流密度,kg·m-3;V—来流速度,m·s-1;A—物体的迎流面积,m2。所以:式中,CD1、CD2、CD3,A1、A2、A3—分别为叶片、轮毂和机舱的阻力系数和面积。2.2塔筒的均布力由材料力学可知:其中,q——沿塔筒高度方向上作用的均布力,N·m-1;y——G偏离塔筒中心轴线的距离,m;f4——塔筒的绕流阻力;H—塔筒高度,m;CD4——塔筒阻力系数;A4——塔筒的迎流面积,m2。2.3塔筒结构的内弯矩由材料力学中的莫尔积分得:式中,M(x)——距塔筒顶端距离为x的某一截面的弯矩,N·m;——作用于塔筒顶端单位横向力P=1时对距顶端距离为x的任一截面所产生的弯矩,N·m,;E——塔筒结构材料的弹性模量,N·m-2;I(x)——距塔筒结构顶端距离为x处的某截面惯性矩,m4。所以:式(8)中,等号右边4项依次分别表示横向力、弯矩、均布载荷及集中重量对位移的贡献。由于集中重量所引起的位移相对其他几项要小得多,可略去不计,故可改写为:式中,D——塔筒外径,m,对于变截面塔筒,D可以用x的函数来表示;d——塔筒内径,m,可用式(11)表示:其中,△——塔筒壁厚,m。计算所得的f(x)代入公式(4)得:3螺栓和螺栓的应力螺栓校核的基本公式:1)承受轴向静载荷的螺栓校核公式:其中,F0——螺栓的轴向总作用力,N;d1——螺栓的螺纹小径,mm;[σ]——螺栓的许用拉应力,MPa;σ——螺栓的拉应力,MPa;2)螺栓的总轴向作用力:式中,Fp——螺栓的预紧力,N;——螺栓的相对刚度,可以通过查表确定;F——螺栓的工作载荷,N。翻转弯矩对螺栓产生的最大作用力:式中,z——螺栓的个数;Li——第i个螺栓的轴线到O-O转轴的距离,m,如图2所示;Lmax——螺栓轴线到O-O转轴的最大距离,m。螺栓的最大工作载荷F=Fmax。将计算得到的F代到公式(14)确定F0,从而由公式(13)校核螺栓强度。4螺栓和塔筒材料对以上计算过程用FORTRAN语言编写计算程序,以1.5MW的风力机为例,计算塔筒在不同风速下的静态挠度、弯矩、弯曲应力及螺栓拉应力等。此风力机塔筒分3段,第1段高25.40m,第2段高19.25m,第3段高16.50m,总高61.15m,底端直径4m,顶端直径2.955m。共有4个螺栓结合面,从上往下,各结合面上的螺栓个数分别为84、120、136、144。螺栓材料DIN6914,其屈服强度σ0.2为900MPa,若安全系数取1.2,则螺栓许用应力为750MPa,预紧力510kN,螺栓螺纹小径为35.38mm。塔筒材料采用Q345-D钢材,钢板最小厚度10mm,最大厚度24mm,屈服强度σ0.2为325MPa,若安全系数取1.5,则塔筒许用应力为216.67MPa。计算了变桨距风力机在飓风情况下叶片顺桨成功及顺桨成功后风向突然偏转90°这两种工况下风力机的静态强度特性。结果见图3～图6。5塔筒的横向力由图6知,在顺桨工况,当风速V=75m/s时,塔筒底端结合面上单个螺栓的最大拉应力为708.31MPa(叶片的迎风面积取为30m2,绕流阻力系数取0.2),各种载荷对螺栓拉应力的贡献如表1所示。可以看出,塔筒结合面上螺栓的拉应力主要是由预紧力引起的,且占的比重极大,是螺栓应力的一个非常大的基数值。相比之下,顺桨工况下,由叶片的迎风阻力引起的螺栓应力非常小。但在叶片全面积迎风时,叶片平均绕流阻力系数取1时,即使不考虑机舱阻力,塔筒底端结合面上单个螺栓的最大应力达801.59MPa,超过了螺栓的许用应力[σ](750MPa)。此时塔筒顶端的横向力引起的应力为96.84MPa,占12.08%。由此可见,叶片迎风阻力的大小对塔筒螺栓的安全性影响较大,而且在风速一定的条件下,完全取决于叶片的迎流面积和阻力系数(迎流面的形状结构影响阻力系数的大小)。当风速为75m/s、顺桨成功时,塔筒顶端的静挠度速为25m/s时就要切出,所以在这一风速后,风力机约为0.2m。由图3知,风速在0～20m/s的变化过程应该是顺桨的,计算所得的静挠度与实际应该是符合中,塔筒各截面的挠度均为负的(即向风轮方向偏的。由图3可知,当风速为25m/s风力机切出时,塔转),这个过程与实际有出入,因为叶片在风速0～筒顶端静挠度刚好为零。各作用力对顺桨工况下静20m/s变化过程中并不是顺桨的。但是,风力机在风挠度的贡献如表2所示。由表2可知:在顺桨工况下,塔筒上的均布力引起的挠度占相当大的比重,首先是因为塔筒的绕流面积比叶片顺桨时的迎流面积大的多,其次是在挠度的计算公式中,与均布力有关的项与坐标x的关系为四次方的乘积关系。但是在顺桨成功后风向突然变化90°这一工况下,引起挠度的主要因素是叶片和机舱上的横向力P,这是因为此工况下叶片和机舱的合面积很大(约228.6m2),且绕流阻力系数约取1,所以横向力P的值相当可观,因此这是一个危险工况。6顺桨工况下的挑战由以上分析可知:1)各工况下,塔筒最大弯矩、弯应力均在塔筒的底部。因此底端结合面上的螺栓将承受最大的翻转弯矩和拉应力,所以我们主要校核塔筒底端结合面上的螺栓强度。螺栓的预紧力在螺栓中引起很大的预应力,在顺桨工况下、风速V为75m/s时,预应力占螺栓所有应力的95.21%。即使在顺桨成功后,风向突然偏转90°这一工况下,预应力也占螺栓所有应力的84.13%。但是,在相同风速下,决定螺栓是否超过其许用应力的还是取决于风轮叶片的迎流面积和阻力系数。当风力机顺桨成功后(风速V为75m/s),若风向突然偏转90°,叶片和机舱将全面积迎风,计算结果显示此时螺栓应力为801.6MPa,超过了许用应力;而且塔筒底部弯曲面应力(224.8MPa)也超过了许用应力。解决的办法:一方面要尽量减少变桨距系统的响应时间,另一方面可以把桨叶设计成柔性桨叶,当台风袭来时,桨叶变形,使其受力大大减少,保护机组主体不受损坏;2)塔筒的最