河西學(xué)院新能源研究所 張曉峰 張靜 姚金山

一 引言

塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的承載部件，它除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量，還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)荷載，其設(shè)計(jì)水平將直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受損的諸多因素中，塔架占18%，為各項(xiàng)破壞因素之首，這說(shuō)明目前塔架的設(shè)計(jì)還存在許多問(wèn)題[1]。本文以酒泉風(fēng)電基地瓜州風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的某大型1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架(錐筒式)為研究對(duì)象，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行塔架靜態(tài)強(qiáng)度與剛度分析，以提高塔架的設(shè)計(jì)使用水平。

二 力學(xué)模型與技術(shù)參數(shù)

1 模型簡(jiǎn)化原則

(1)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常采用錐筒型高聳塔架，根據(jù)其幾何特征和受力特點(diǎn)可將其簡(jiǎn)化成集彎曲變形、軸向壓縮變形及扭轉(zhuǎn)變形為一體的復(fù)雜梁柱問(wèn)題來(lái)處理。

(2)機(jī)艙、輪轂和葉片的重量作為集中力加載在塔架頂端，同時(shí)考慮集中力偏離塔架中心引起的彎矩。

(3)將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在塔筒底部中心位置。塔架底部固定，即約束所有自由度。

(4)采用荷載等效原則，將作用在塔架結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載進(jìn)行靜力等效，也就是將塔架上的面荷載等效為節(jié)點(diǎn)集中荷載。

2 力學(xué)模型

塔架力學(xué)模型如圖1所示。根據(jù)水平軸風(fēng)力機(jī)基本原理，塔架在運(yùn)行的過(guò)程中，其承受的主要荷載有:Fx、Fy、Fz及 Mx、My、Mz分別為風(fēng)輪和機(jī)艙作用在塔筒頂部沿三個(gè)方向的合力(kN)及合力矩(kN·m)，ω(z)為作用在塔壁上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)。

圖1 錐筒型風(fēng)力機(jī)塔架的力學(xué)模型

3 技術(shù)參數(shù)

酒泉風(fēng)電基地瓜州風(fēng)電場(chǎng)某大型1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架高57.65m，塔底外徑4m，塔頂外徑2.955m，變截面錐筒型。最大壁厚20mm，最小壁厚10mm。塔架整體由3段組成，長(zhǎng)度分別為13.00m、19.25m 和25.40m，底座1m，塔筒間用法蘭盤聯(lián)接而成，如圖2所示。

圖2 塔架幾何尺寸

葉輪與機(jī)艙總重為(61+34)kg；葉輪及機(jī)艙的中心距塔頂高1.755m；葉輪及機(jī)艙質(zhì)量中心距塔架中軸線的距離為0.4m。塔架所用材料為Q345E鋼，屈服強(qiáng)度σs=345MPa，彈性模量E=210GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7850kg/m3。風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速為12.5m/s，切出風(fēng)速為20m/s，50年一遇風(fēng)速為51.6m/s，分別視為工況1～4，推力系數(shù)分別為1.1、0.385、0.09、1.6。瓜州地區(qū)空氣密度為1.05kg/m3[2]。

4 荷載計(jì)算

由文獻(xiàn)[3]～[5]所述方法求得塔架頂端沿水平方向的軸向推力Fx、沿塔架高度方向的集中壓力Fy、推力在塔架頂端和集中壓力的偏心產(chǎn)生的合彎矩Mx和作用于塔身的風(fēng)荷載P1～P5值見(jiàn)表1。

三 ANSYS Workbench分析步驟[6]

1 建立幾何模型

(1)在ANSYS Workbench自帶的幾何建模模塊Design Modeler中根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙直接建立幾何模型。

表1 塔頂和塔身載荷計(jì)算值

(2)本文模型是在CAD/CAM軟件Pro/Engineer中建立塔架幾何模型，再利用ANSYS Workbench支持的導(dǎo)入接口將模型文件讀入到ANSYS Workbench環(huán)境中。

2 選擇Static Structural分析模塊

啟動(dòng)AWE，然后雙擊添加Static Structural分析模塊。

3 導(dǎo)入幾何模型

(1)選擇Geometry→Import Geometry→Browse命令。

(2)在彈出菜單中，選中塔架幾何模型文件，并打開。

4 添加材料信息

(1)雙擊 Static Structural 中 Engineering Data圖標(biāo)，在該窗口中，新建材料“Q345E”，添加彈性模量和泊松比，然后返回Project窗口。

(2)在Project界面中雙擊“Model”進(jìn)入分析界面，更改模型材料。

5 設(shè)定接觸選項(xiàng)

因?yàn)樗苋糠忠言赑ro/e中合并為一個(gè)零件，在此無(wú)需設(shè)置。

6 設(shè)定網(wǎng)格劃分參數(shù)并進(jìn)行網(wǎng)格劃分

(1)選擇Mesh，右擊，激活網(wǎng)格尺寸命令Sizing。塔架網(wǎng)格劃分，由于塔架的三個(gè)方向尺度相差太大，受制于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式劃分網(wǎng)格。

(2)在Sizing的屬性菜單中，選中整個(gè)塔架實(shí)體，并指定網(wǎng)格尺寸為100mm。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)為727178，單元為365471，自動(dòng)劃分的網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)劃分的網(wǎng)格模型

7 施加荷載以及約束

(1)施加固定端約束

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架與基礎(chǔ)固接，在進(jìn)行靜力分析時(shí)對(duì)塔底施加全約束。選擇塔底法蘭表面，選擇Supports→Fixed Support (固定支座)。

(2)施加塔頂集中荷載

塔頂集中荷載作用于塔頂中心點(diǎn)，通過(guò)塔頂法蘭表面?zhèn)鬟f到整個(gè)塔身。選擇Loads→Remote Force，選擇塔頂法蘭表面為參考受力面，并指定受力點(diǎn)的坐標(biāo)值為(0, 57650, 0)，荷載為Components，方向?yàn)閥軸負(fù)方向，大小為表1所列Fx與Fy計(jì)算值。

(3)施加塔頂彎矩

選擇Loads→Moment，選擇塔頂法蘭表面為參考受力面，荷載為Components，方向?yàn)閤軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，大小為表1所列Mx計(jì)算值。

(4)施加風(fēng)的壓力

①風(fēng)荷載如表1所示已簡(jiǎn)化為作用與不同迎風(fēng)面上的集中荷載P1～P5。選擇Loads→Force，荷載為Components，方向?yàn)閦軸正方向，大小為表1所列P1～P5計(jì)算值。

②在塔架上施加的所有荷載與約束如圖4的A～H。

8 設(shè)定求解結(jié)果參數(shù)

(1)選擇Solution→Insert→Deformation→Total，添加變形分析。

(2)選擇Solution→Insert→Strain→Equivalent(Von-Mises)，添加等效應(yīng)變分析。

圖4 載荷與約束定義

(3)選擇Solution→Insert→Stress→Equivalent(Von-Mises)，添加等效應(yīng)力分析。

9 求解

單擊Solve求解。

四 分析結(jié)果

塔頂中心點(diǎn)位移及塔架最大應(yīng)力、最小應(yīng)力及位置計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 分析結(jié)果

五 強(qiáng)度與剛度校核

1 強(qiáng)度校核

式中:σmax為實(shí)際計(jì)算出的最大應(yīng)力，MPa；[σ]為許用應(yīng)力，MPa；σ為材料的屈服極限，MPa；n為安全系數(shù)，此處取1.1。

有門洞，極限風(fēng)速下的最大應(yīng)力為211.19MPa，發(fā)生在塔架背風(fēng)側(cè)門框下邊沿400mm處(圖5)。材料的屈服極限為345MPa，其許用應(yīng)力為:

σmax＜[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

需要說(shuō)明的是:這里的極限風(fēng)速51.6m/s是按照風(fēng)電機(jī)組50年一遇風(fēng)速計(jì)算的，而瓜州地區(qū)50年一遇風(fēng)速是48.9m/s[2]，所以塔架靜態(tài)強(qiáng)度有較大儲(chǔ)備。

圖5 塔架門洞附近最大等效應(yīng)力圖

2 剛度校核

圖6為無(wú)門洞額定風(fēng)速等效變形云圖，從圖6可以得到塔頂中心最大的位移。剛度校核是根據(jù)塔頂最大位移進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷是否超過(guò)其控制值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架作為一種特殊的高聳鋼結(jié)構(gòu)形式，其許用的塔頂位移條件目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部設(shè)備的性能要求，將高塔架H 的頂部許用位移控制在塔架總高度的 0.5%～0.8%的范圍[8]，即:

式中:[ f ]為塔架許用位移，m；H為塔架高度，此處取58.65m。頂部許用位移應(yīng)小于0.288～0.461m。

本文塔架的有限元分析中，考慮門洞時(shí)，塔頂最大位移為0.497m，不滿足塔頂位移要求。但此處荷載的計(jì)算有誤差，極限風(fēng)速取得較實(shí)際值大，實(shí)際上剛度能夠滿足要求，但沒(méi)有儲(chǔ)備。

六 結(jié)語(yǔ)

(1)被分析的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架(錐筒式)在50 年一遇風(fēng)速時(shí)，產(chǎn)生的位移和應(yīng)力最大，其中塔頂最大位移為0.497m，最大應(yīng)力為211.19MPa。

(2)該塔架在50 年一遇風(fēng)速時(shí)強(qiáng)度滿足要求，有較大的儲(chǔ)備；剛度基本滿足要求，沒(méi)有儲(chǔ)備。

(3)無(wú)門洞和有門洞塔架的最大應(yīng)力位置不同，有門洞塔架在所有工況下，背風(fēng)側(cè)門框下邊沿和上邊沿應(yīng)力均較大，容易發(fā)生破壞(圖5)。

圖6 無(wú)門洞額定風(fēng)速下等效變形云圖

(4)門洞對(duì)塔架底部應(yīng)力有一定影響，對(duì)頂部位移的影響很小，可以忽略。

[1]朱仁勝,劉永梅,蔣東翔，等. 基于MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011, (5): 104－106.

[2]甘肅瓜州橋?yàn)车谝伙L(fēng)電場(chǎng)200MW工程可行性研究報(bào)告[R].西安，2008.

[3]戴建鑫.風(fēng)力機(jī)塔架的有限元建模與靜動(dòng)態(tài)特性的分析[D]. 蘭州理工大學(xué)，2011: 12－14.

[4]趙文濤,曹平周,陳建鋒. 風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計(jì)算方法和荷載組合研究[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2010, (4):73－76.

[5]GB50009－2001, 建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范[S].

[6]李兵,何正嘉,陳雪峰. ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2011:33－41.