风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究

1、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

4、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

5、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

6、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 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

7、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 = (1式中,(z 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 为z 高度处的风振系数;(s z 为风荷载体型系数;(z

8、z 为风压高度变化系数;0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 可按下式计算2:(0.32z 0.1z z = (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 =+ (3 式中,v 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 =1.5;B 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;1为脉动增大系数,根据文献2近似取为2.16;1为脉动影响系数,当地面粗糙度为B 类时,根据文献2查得1=v B 0.885*

9、;z 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 =-+ (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。风力发电塔筒在额定风速作用下受到下列荷载作用: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 = (5 式中,p C 为风能

10、利用系数;p V 为额定风速(m/s ;R 为风轮半径(m 。 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 。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 = (7式中,为风速与风轮轴线间的夹角(。 转矩x M 可用下式计算6:x 9550/M P n = (8式中,P 为风机功率(kw ;n 为风轮转速(rpm ;为机械效率。偏转力矩y1M可按下式计算5:22y1p 4sin cos 9MV R e (9式中,e 为风轮中心与塔筒轴线间距离(m 。俯仰力矩由于风速分布不均匀而

11、产生的俯仰力矩z1M用下式计算5: (322z121427MRVV B=- (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 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y2M分别用下式计算5:2x2F e m = (12y2M I = (13 式中,为风轮绕塔筒轴线旋转角速度,取0.51(1/s ;为风轮旋转角速度(1/s ;I 为风轮转动惯量(kgm 2。风力发电塔筒在切出风速作用下受到下列荷载作用:气动荷载风轮的旋转速度随着风速的变化而变

12、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

13、叶在切出风速作用下受到的气动载荷x F 可用下式计算:22x p d 0.4F C V R = (14式中,d V 为切出风速(m/s 。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。 偏转力矩y M 可按下式进行计算5:22yd 4sin cos 9MV R e (15风力发电塔筒在极限风速作用下受到下列荷载作用: 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xF 可用下式计算5:2x t s 0.5F C V A = (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

14、平面内的投影面积(m 2。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。 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 1Q 1kQ cQ 2ni ii ii S S SS Q =+ (18 式中,G 为永久荷载分项系数,按文献2规定取1.2;Q i 为第i 个可变荷载的分项系数,其中Q 1为可变荷载1Q 的分项系数,按文献2规定取

15、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 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,