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1、第6期(总第199期)机械工程与自动化No.62016年12月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONDec.文章编号:1672-6413(2016)06-0115-03风电机组塔筒设计和优化﹡朱少辉(太原重工股份有限公司技术中心,山西太原030024)摘要:基于风电机组整机性能匹配和提升总体净收益,介绍了半刚性塔筒设计的一般流程,总结了塔筒设计的技术和经济影响因素,为塔筒优化设计提供了依据。关键词:风电机组;半刚性塔筒;设计;优化中图分类号:TM614文献标识码:A0引言塔筒高度可用下式计算:风电机组塔架的作用是支撑机舱
2、和风轮至合适的H=h+C+D／2.(1)高度,使风轮获得较高且稳定的风速以捕获尽可能多其中:h为风电机组附近障碍物高度;C为风轮扫掠最的风能。塔架承受机组自重以及风作用下的推力、弯低点到障碍物顶部的距离;D为风轮直径。通常安装[1]矩、扭矩,对于保证机组安全运行至关重要。大型风于海上、沿海滩涂、草原等平坦区域的风电机组可以采电机组普遍采用钢制锥形塔筒,其一阶固有频率位于用相对较低的高度。风轮旋转频率的1~3倍之间,可称为“半刚性塔”,本文主要介绍该型塔筒的设计和优化过程。1塔筒设计的主要技术问题及其受力分析1.1主要技术问题塔筒设计的主要技术条件
3、有风资源情况、叶片长度、载荷、寿命、环境温度、基础型式、制造运输限制等,对应的主要技术问题如下:①结构问题,即外形尺寸限制;②动力学问题,主要指塔筒固有频率的选择;③静强度问题,即极限载荷作用下的承载能力;④疲劳强度问题,即交变载荷作用下塔筒的疲劳寿命;⑤稳定性问题,主要指轴向力(产生弯矩)和横向力作用下的屈曲图1塔筒受力简图稳定性;⑥螺栓强度问题,主要包括各法兰螺栓连接强直径对塔筒强度和刚度有较大影响,塔顶直径由度;⑦内件设计,即人机工程。偏航轴承确定,塔底直径按运输限高确定,对大型机组越大越好。1.2塔筒受力分析塔筒受力简图如图1所示,塔筒载
4、荷主要包括推2.2强度计算力、竖向力和弯(扭)矩。图1中,m1为叶轮和机舱自塔筒设计必须在各种工况下对塔筒进行静强度分重;m2为塔筒自重;F1为风对叶轮和机舱的水平合成析,判断塔筒能否承受极限载荷,即塔筒静载荷下的最推力,该力对塔筒强度影响最大;F2为风对塔筒的水大应力必须低于结构的许用应力。同时还需要对塔筒平推力;F3为风电机组对塔筒的竖向力;H、L分别为进行疲劳分析,可采用基于Miner线性累积损伤理论塔筒高度和轮毂中心高度;D1、D2分别为塔筒底径和的等效常域谱简化疲劳分析方法。另外,塔筒最大变顶径。形量也必须满足一定要求。塔筒强度取决于材
5、料性能及各截面尺寸,一般根2塔筒设计计算的基本原则据环境温度按照GB／T1591选择Q345C／D／E低合2.1外形尺寸高度是整机和塔筒设计的基础参数,其高度可按金高强度结构钢。塔顶壁厚大约取直径的0.5%,塔底壁厚考虑门框应力集中可适当加大,中间壁厚可采0.8~1.2倍风轮直径初定,考虑地形地貌因素的最低﹡国际合作项目(2015DFE62800)收稿日期:2016-07-19;修订日期:2016-09-08作者简介:朱少辉(1980-),男,河北定州人,工程师,硕士,主要从事风电机组设计工作。·116·机械工程与自动化2016年第6期用插值法渐
6、变。为了达到塔筒整体等强度效果以节约αvn=vi(Zn／Zi).(2)重量,可采用锥形渐变截面形状。其中:vi为Zi高度的风速,m／s;α为风切变指数。根据中国船级社规范,取塔筒金属材料局部安全随着高度的增加,塔筒载荷近似线性增加,而刚度系数γm=1.1,重要失效局部安全系数γm=1.3(按三及频率下降,为保持塔筒强度与刚度不变,就需要额外类构件考虑),故静载荷应力安全系数为1.43,疲劳载增加塔筒的直径和壁厚,使得塔筒重量增加幅度大于荷安全系数为1.265。高度增加幅度。再考虑到塔筒运输和吊装成本增加,高耸结构设计规范对高耸结构正常使用极限状态
7、动力电缆加长,增加的总成本往往也较为可观。图4下的水平变形限值为H／75,约为1.33%。塔筒作为为统计得到的某型2MW风电机组塔筒高度与成本一种特殊的高耸钢结构形式,其顶部存在较大质量和集的关系(假定70m高度塔筒成本100万元),可见,随中载荷,为确保风电机组正常运行,建议将塔顶最大变形着高度增加,成本近似呈指数增长,因此,是否增加塔量即许用挠度控制在总高度H的0.5%~0.8%,在极端筒高度应取决于风电机组发电量增量与塔筒成本增量工况下,塔顶最大变形量可放宽至H的1%以上。的效费比。2.3模态分析3.2其他影响因素根据风电机组设计要求,为防
8、止出现共振,在机组塔筒一般设计为若干分段,各段长度主要取决于工作转速范围内,塔筒固有频率必须与激振频率保持制造和运输成本,如山区出于路况
