单桩式风电机塔架设计和强度计算

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1、单桩式风电机塔架设计和强度计算杜鹏飞，何炎平，莫继华，葛川（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240）摘要：本论文根据API（美国桩基规范）海上固定平台规划、设计和建造的推荐方法—工作应力设计法，以及DNV（挪威船级社）有关风电机的设计规范，应用SACS软件建立了2MW单桩式风电机组的塔架包括桩—土模型，并用SACS软件计算出在外载荷下的各构件的内力、弯矩和应力并与许用应力值进行校核，并用ANSYS做了塔架的振动特性研究和塔架的挠度分析，最终得到塔架的尺寸。关键词：近海风电机组；塔架；SACS，ANSYS中图分类号：TK

2、83文献标识码：ADesignschemeofthesupportingstructureofmonopilewindturbineDuPengfei,HeYanping,MoJihua,GeChuan（ShanghaiJiaoTongUniversitySchoolofnavalarchitecture,oceanandcicilengineering,shanghai200240）ABSTRACT：AccordingtoAPIrecommendedpracticeforplanning,designingandconstruct

3、ingfixedoffshoreplatform-workingstressdesignandthestandardizationofDNVaboutthewindturbinedesign,thisthesissetupa2MWoffshorewindturbinesupportstructuremodelanditspile-soilmodelwiththehelpofSACS,calculatedtheloadactingonthesupportstructurecausedbytheoutsideload,andthenco

4、mpareditwiththeallowancestress.Finallythethesisgivesaoptimizedschemeofsupportstructureofthewindturbine.Keywords:offshorewindturbine；supportstructure；SACS0引言单桩式风电机塔架包括支撑着风电机组的塔身以及与塔身相连的基础桩。风电机塔架顶端装有质量较大的风轮以及风机舱。塔架既要承受风轮、风机舱的重力和工作时风机舱对塔架产生的工作载荷，又要承受环境（风，浪，流）对塔架的环境载荷。塔架的固

5、有频率还需和转子转动频率以及叶轮转动频率错开，以保证避免共振的发生。在满足塔架安全性的同时也要兼顾其经济性。通过合理的安排塔架的分段情况以及各段的半径大小可以有效的控制壁厚，从而节约材料。1塔架外载荷计算方法1.1工作载荷计算风机舱工作时对塔架的载荷包括对塔架的各轴向力以及各轴向弯矩，示意图如下。应运[1]最简载荷方法计算，这种简化模型是基于系统化的测量和试验得出的。这种模型建立在如下三个参数之上：（1）静态的水平气流载荷FA=300（N）（1）02式中：A为叶片旋转时扫过的面积，A=πR；R为叶片的旋转半径，m。（2）推进扭矩M=

6、Pn/(2πη)（2）enom,nomr式中：Pnom为风机的额定功率；nr为叶片的旋转频率；η为效率，通常η≤0.9。（3）转子重量mg。其中：m为转子的质量，g为重力加速度。作者简介：杜鹏飞（198？-），男，硕士研究生。基金项目：2006年度国家科技支撑计划，近海风电机组安装及维护多功能作业船的研制，编号：2006BAA01A25风机舱所受的风载荷即风机舱对塔架的载荷可用上述的三个参数表示，见表2-2。弯矩[1]计算中，假定了气流载荷F0在作用中心与水平的转轴有一定的偏心距，该偏心距为e=R/6。表1-1用三参数表示的风机舱对

7、塔架的载荷载荷成分载荷符号静载荷X轴向力FXF0对X轴力矩MX1.3Me,nomY轴向力FY0对Y轴力矩MYeF0Z轴向力FZ-mg对Z轴力矩MZeF0图1风机舱对塔架的载荷示意图1.2环境载荷计算1.2.1风载荷计算理论[1]作用在一个物体上的风载荷，可根据下式计算：Fp=A（3）22式中：p为受风构件表面上的风压，N/m；A为构件垂直于风向的轮廓投影面积，m；F为作用在构件上的风力，N。风压p可以表示为：12pC=Cγv（4）HS2g式中：CH为考虑风压沿高度变化的高度系数；CS为考虑受风构件性质影响的形状系数，g为重力加速度，

8、γ为空气重量密度，v为设计风速，m/s1.2.2浪载荷计算理论[2]这里选用Airy波理论计算浪载荷。[1]直立桩柱的波浪力计算，工程中常用的方法是用Morrison方程，这是一个半经验的公式，它认为作用在柱体上的水平力是水平速度与水