顶部推力下风力发电机塔筒可靠性设计

76低温建筑技术2010年第8期总第146期顶部推力下风力发电机塔筒可靠性设计阳平，程忠庆，姜海波海军T程大学天津校区海军节能技术研究中心河北塘沽300450【摘要】对风力发电机塔筒在顶部水平推力作用下的可靠性进行了分析。采用JC法计算了塔筒的可靠指标；计算过程中，使用牛顿迭代法以提高收敛速度。选用焊接钢管作塔筒，在塔筒高度固定的前提下，依据国家标准规定的钢管尺寸，计算了可靠指标，确定了满足可靠性要求的塔筒最佳尺寸。【关键词】塔筒；可靠性；JC法；牛顿迭代法【中图分类号】TU392【文献标识码】B【文章编号】10016864201008007602随着经济、技术的发展，风力发电因其对环境无污染及风能的可再生性，得到广泛的应用。塔筒作为风力发电机的支撑结构，是保证风力发电机正常运行的重要构件。塔筒的可靠性直接关系到风力发电机的可靠性。因此，在风力发电机的设计过程中，塔筒的可靠性设计便显得非常重要。1风力发电机塔筒的可靠性分析模型11塔简的主要破坏模式塔筒是风力发电机的支撑结构，其承受多种荷载。在台风等恶劣天气下，塔筒的破坏主要是弯曲折断。可见弯矩是风力发电机塔筒破坏的主要原因。塔筒的设计须保证具有足够的抵抗弯曲破坏的能力。12建立塔筒的可靠性分析模型实际的风力发电机塔筒有多种样式。为简化计算，本文以长直圆筒作为塔筒的计算模型。风荷载通过对叶片的压力作用，产生了对塔筒顶部的水平推力。本文将分析在这一水平推力作用下塔筒的可靠性，并通过可靠性的计算，寻找满足可靠性要求的最节省材料的塔筒尺寸。2塔筒的抗弯可靠性计算方法以塔筒顶部受到恒定的水平集中力F作用这一情形为例分析。由材料力学和结构可靠性原理相关知识，建立塔筒抗弯可靠性的功能函数Z一川一1式中，为塔筒所用材料的许用弯曲正应力；D为塔筒外径；为塔筒厚度；H为塔筒高度。采用验算点法JC法计算塔筒的抗弯可靠指标。假定功能函数中的变量相互独立且均服从正态分布。即L。AID肛D，D一J7、R，FNZF，OFHIVH，H将功能函数中变量、D、W、F、H用验算点具体定义及求法见文献1处的变量值代替，则塔筒的新功能函数为ZS舰萎DC咖一业一FCOSOFFHCOSODRH卢为塔筒的可靠指标；C。S为的方向余弦，定义为C。S一OZI。TRF,K,式中，CI。O加ZI。OZCF。25PREN199318，DESIGNOFSTEELSTRUCTURESPART18DESIGN9刘永华，张耀春半刚性钢框架实用非线性分析J工程力OFJOINTSSEUROPEANCOMMITTEEFORSTANDARDISATIONCEN，2OO36GB500172003，钢结构设计规范S7KISHIN，CHENWF，GOTOY，HASANRBEHAVIOROFTALLBUILDINGSWITHMIXEDUSEOFRIGIDANDSEMIRIGIDCONNEETIONSJCOMPUTERSSTRUCTURES，1996，6161193一L2O68KIMSE，CHOISHPRACTICALADVANCEDANALYSISFORSEMIRIGIDSPACEFRAMESJINTERNATIONALJOURNALOTSOLIDSANDSTRUCTURES，2001，3850519L一9131学，2007，241261210BARAKATMA，CHENWPRACTICALANALYSISOFSEMISGIDFRAMESJENGINEERINGJOURNAL，AISC，1990，2725468收稿日期20100331作者简介阮宗波1983一，男，山东威海人，硕士研究生，从事钢结构方面的研究工作。阳平等顶部推力下风力发电机塔筒可靠性设计77式中，表示在验算点处取值。其它变量方向余弦求法类似。将各变量方向余弦代人2式，即可得到用可靠指标JB表示的塔筒的功能函数。采用迭代法计算，直到本次计算结果与上次相差小于设定值根据需要的精度设定时，即为塔筒可靠指标。迭代计算时，可能不收敛，或收敛速度很慢。为了保证迭代收敛并减少迭代次数，本文采用牛顿迭代法计算，其迭代形式为一盟PKL一ZZ为用表示的功能函数。3实例计算以几个不同功率的小型风力发电机为例进行分析。风力发电机参数见表1。该风力发电机风轮由3个叶片组成；塔筒选用普通电焊钢管材料选Q235A钢，同一功率风力发电机的塔简高度固定；钢的许用弯曲正应力按安全系数取15计算值取160MPAJ。按最大工作风速计算300W，500W，1KW，3KW和5KW风力发电机塔筒顶部受到的水平推力分别为2，25，32，88和114KN。对各不同功率的风力发电机，将通过计算不同外径和厚度组合下塔筒的可靠指标，选择最节省材料的塔筒尺寸。假定水平推力的变异系数为001，塔筒高度的变异系数为001。根据CBT137932008直缝电焊钢管规定，钢管外径为520RAM时，其允许偏差为03MM；外径为2O50RAM时，其允许偏差为05MM；外径大于50MM时，其允许偏差为1；壁厚为051OMM时，其允许偏差为01MM；壁厚为1055MM时，其允许偏差为10；壁厚55RAM时，其允许偏差为125。相邻两次迭代计算得到的可靠指标值相差小于0叭时，即为所要结果。表1不同功率的小型风力发电机参数根据GB500682001建筑结构可靠度设计统一标准规定J，结构的可靠指标应不小于37。本文根据GBT218352008焊接钢管尺寸及单位长度重量中规定的钢管外径和厚度，计算塔筒用钢管在不同外径、不同厚度下，塔筒的可靠指标及塔简用钢材的体积。对每一外径，可靠指标计算结果中取大于37的最小值。以300W风力发电机为例，计算结果列于表2。表2300W风力发电机塔简计算结果对于300W的风力发电机，塔筒外径大于219MM时，按照该外径下的最小厚度计算，塔筒用钢材体积已大于00235M。而外径小于139MM时，按照该外径下的最大厚度计算，可靠指标不能达到要求，因此，表2中只列出塔筒外径为139219MM的计算结果。由表2可知，300W的风力发电机塔筒应选择外径219MM，厚度23MM的钢管焊接，这样最省钢材。对于其它功率风力发电机，计算过程相同。根据计算结果，不同功率的风力发电机塔筒最佳外径、厚度列于表3。表3不同功率风力发电机塔筒最佳外径、厚度4结语通过采用JC法计算300W，500W，1KW，3KW和5KW五个系列的小型发电机塔筒的抗弯可靠指标，确定了不同功率风力发电机塔筒在高度固定时，满足可靠指标不小于37的最节省材料的外径与厚度。在计算过程中，采用牛顿迭代法保证了迭代收敛并减少了迭代次数。参考文献1李清富，高健磊，乐金朝，等工程结构可靠性原理M郑州黄河水利出版社，20022何建，刘宗民圆柱壳形构件在轴心压力作用下可靠性分析J低温建筑