風(fēng)力機(jī)塔筒靜態(tài)強(qiáng)度的理論分析

風(fēng)力機(jī)塔筒靜態(tài)強(qiáng)度的理論分析

0臺(tái)風(fēng)和地面局隨著我國風(fēng)力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是風(fēng)電站在東南沿海的快速建設(shè)，提高風(fēng)電機(jī)的抗臺(tái)風(fēng)能力尤為重要。水平軸風(fēng)力機(jī)的塔筒要承受風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)組和傳動(dòng)系統(tǒng)等重量,它直接影響風(fēng)力機(jī)的工作可靠性。在自然風(fēng)場(chǎng)中除了承受機(jī)組本身的重力外,還要承受風(fēng)剪切、雷擊、冰雪、鹽霧、塵沙損害,特別是在島嶼和沿海地區(qū)應(yīng)用時(shí)經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)襲擊。據(jù)日本福岡市氣象臺(tái)統(tǒng)計(jì),在1991～1997年間,日本臺(tái)風(fēng)共發(fā)生201次,年平均28.7次;臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速為18～60m/s,臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間為24～396h。近年來我國東南沿海臺(tái)風(fēng)一年比一年頻繁且強(qiáng)度不斷增大。2006年夏季的桑美臺(tái)風(fēng),給浙江蒼南風(fēng)電場(chǎng)帶來了毀滅性的破壞。該風(fēng)電場(chǎng)共有28臺(tái)機(jī)組,裝機(jī)總?cè)萘?5.85MW,其中20臺(tái)機(jī)組都遭到不同程度的破壞(槳葉破壞最為嚴(yán)重,15臺(tái)Vestas600kW機(jī)組僅可拼湊成2～3臺(tái)。2臺(tái)Windey750kW機(jī)組的基礎(chǔ)被吹翻,2臺(tái)Dewind600kW機(jī)組的塔筒下段折斷,倒地后又折為兩段。1臺(tái)Vestas660kW機(jī)組在塔筒與基礎(chǔ)連接處的螺栓拉斷后,被完全吹倒)。由此可見,研究在不同風(fēng)速條件下塔筒各螺栓結(jié)合面的彎矩,螺栓的拉應(yīng)力以及塔筒各段的撓度、彎曲應(yīng)力等均對(duì)風(fēng)力機(jī)的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要意義。1集中重量g偏離塔筒中心引起的彎矩計(jì)算大型風(fēng)力機(jī)塔筒通常都采用變截面的錐形筒體形式,根據(jù)其受力狀況,可將它視為頂端受橫向力P作用的變截面懸臂梁結(jié)構(gòu)。將機(jī)艙、輪轂和葉片的重量作為集中重量G加載在塔筒頂端,同時(shí)考慮集中重量G偏離塔筒中心引起的彎矩。若將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在塔筒頂端,則其力學(xué)模型與變形情況如圖1所示。圖中G、P、M和q分別為作用于塔筒頂端的重力、橫向力、彎矩和沿其高度方向作用的風(fēng)力。風(fēng)力按沿塔筒高度方向的均布力來處理。彎矩為集中重量(G)的偏心彎矩和橫向力(P)在塔筒頂端產(chǎn)生的彎矩的合彎矩。即:式中,h1——輪轂中心線到塔筒頂端的距離,m;h2——集中重量重心偏離塔筒中心的距離,m。圖1中,f——在上述載荷共同作用下塔筒頂端所產(chǎn)生的水平位移,m;y——距離坐標(biāo)原點(diǎn)x處的變形量,m。2計(jì)算過程2.1cd—橫向力P橫向力P由風(fēng)力機(jī)葉片、輪轂和機(jī)艙的迎風(fēng)阻力組成。由流體力學(xué)知繞流物體的阻力為:其中,CD——無量綱的阻力系數(shù),其值大小取決于雷諾數(shù)和繞流物體的形狀;ρ——來流密度,kg·m-3;V—來流速度,m·s-1;A—物體的迎流面積,m2。所以:式中,CD1、CD2、CD3,A1、A2、A3—分別為葉片、輪轂和機(jī)艙的阻力系數(shù)和面積。2.2塔筒的均布力由材料力學(xué)可知:其中,q——沿塔筒高度方向上作用的均布力,N·m-1;y——G偏離塔筒中心軸線的距離,m;f4——塔筒的繞流阻力;H—塔筒高度,m;CD4——塔筒阻力系數(shù);A4——塔筒的迎流面積,m2。2.3塔筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)彎矩由材料力學(xué)中的莫爾積分得:式中,M(x)——距塔筒頂端距離為x的某一截面的彎矩,N·m;——作用于塔筒頂端單位橫向力P=1時(shí)對(duì)距頂端距離為x的任一截面所產(chǎn)生的彎矩,N·m,;E——塔筒結(jié)構(gòu)材料的彈性模量,N·m-2;I(x)——距塔筒結(jié)構(gòu)頂端距離為x處的某截面慣性矩,m4。所以:式(8)中,等號(hào)右邊4項(xiàng)依次分別表示橫向力、彎矩、均布載荷及集中重量對(duì)位移的貢獻(xiàn)。由于集中重量所引起的位移相對(duì)其他幾項(xiàng)要小得多,可略去不計(jì),故可改寫為:式中,D——塔筒外徑,m,對(duì)于變截面塔筒,D可以用x的函數(shù)來表示;d——塔筒內(nèi)徑,m,可用式(11)表示:其中,△——塔筒壁厚,m。計(jì)算所得的f(x)代入公式(4)得:3螺栓和螺栓的應(yīng)力螺栓校核的基本公式:1)承受軸向靜載荷的螺栓校核公式:其中,F0——螺栓的軸向總作用力,N;d1——螺栓的螺紋小徑,mm;[σ]——螺栓的許用拉應(yīng)力,MPa;σ——螺栓的拉應(yīng)力,MPa;2)螺栓的總軸向作用力:式中,Fp——螺栓的預(yù)緊力,N;——螺栓的相對(duì)剛度,可以通過查表確定;F——螺栓的工作載荷,N。翻轉(zhuǎn)彎矩對(duì)螺栓產(chǎn)生的最大作用力:式中,z——螺栓的個(gè)數(shù);Li——第i個(gè)螺栓的軸線到O-O轉(zhuǎn)軸的距離,m,如圖2所示;Lmax——螺栓軸線到O-O轉(zhuǎn)軸的最大距離,m。螺栓的最大工作載荷F=Fmax。將計(jì)算得到的F代到公式(14)確定F0,從而由公式(13)校核螺栓強(qiáng)度。4螺栓和塔筒材料對(duì)以上計(jì)算過程用FORTRAN語言編寫計(jì)算程序,以1.5MW的風(fēng)力機(jī)為例,計(jì)算塔筒在不同風(fēng)速下的靜態(tài)撓度、彎矩、彎曲應(yīng)力及螺栓拉應(yīng)力等。此風(fēng)力機(jī)塔筒分3段,第1段高25.40m,第2段高19.25m,第3段高16.50m,總高61.15m,底端直徑4m,頂端直徑2.955m。共有4個(gè)螺栓結(jié)合面,從上往下,各結(jié)合面上的螺栓個(gè)數(shù)分別為84、120、136、144。螺栓材料DIN6914,其屈服強(qiáng)度σ0.2為900MPa,若安全系數(shù)取1.2,則螺栓許用應(yīng)力為750MPa,預(yù)緊力510kN,螺栓螺紋小徑為35.38mm。塔筒材料采用Q345-D鋼材,鋼板最小厚度10mm,最大厚度24mm,屈服強(qiáng)度σ0.2為325MPa,若安全系數(shù)取1.5,則塔筒許用應(yīng)力為216.67MPa。計(jì)算了變槳距風(fēng)力機(jī)在颶風(fēng)情況下葉片順槳成功及順槳成功后風(fēng)向突然偏轉(zhuǎn)90°這兩種工況下風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)強(qiáng)度特性。結(jié)果見圖3～圖6。5塔筒的橫向力由圖6知,在順槳工況,當(dāng)風(fēng)速V=75m/s時(shí),塔筒底端結(jié)合面上單個(gè)螺栓的最大拉應(yīng)力為708.31MPa(葉片的迎風(fēng)面積取為30m2,繞流阻力系數(shù)取0.2),各種載荷對(duì)螺栓拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)如表1所示。可以看出,塔筒結(jié)合面上螺栓的拉應(yīng)力主要是由預(yù)緊力引起的,且占的比重極大,是螺栓應(yīng)力的一個(gè)非常大的基數(shù)值。相比之下,順槳工況下,由葉片的迎風(fēng)阻力引起的螺栓應(yīng)力非常小。但在葉片全面積迎風(fēng)時(shí),葉片平均繞流阻力系數(shù)取1時(shí),即使不考慮機(jī)艙阻力,塔筒底端結(jié)合面上單個(gè)螺栓的最大應(yīng)力達(dá)801.59MPa,超過了螺栓的許用應(yīng)力[σ](750MPa)。此時(shí)塔筒頂端的橫向力引起的應(yīng)力為96.84MPa,占12.08%。由此可見,葉片迎風(fēng)阻力的大小對(duì)塔筒螺栓的安全性影響較大,而且在風(fēng)速一定的條件下,完全取決于葉片的迎流面積和阻力系數(shù)(迎流面的形狀結(jié)構(gòu)影響阻力系數(shù)的大小)。當(dāng)風(fēng)速為75m/s、順槳成功時(shí),塔筒頂端的靜撓度速為25m/s時(shí)就要切出,所以在這一風(fēng)速后,風(fēng)力機(jī)約為0.2m。由圖3知,風(fēng)速在0～20m/s的變化過程應(yīng)該是順槳的,計(jì)算所得的靜撓度與實(shí)際應(yīng)該是符合中,塔筒各截面的撓度均為負(fù)的(即向風(fēng)輪方向偏的。由圖3可知,當(dāng)風(fēng)速為25m/s風(fēng)力機(jī)切出時(shí),塔轉(zhuǎn)),這個(gè)過程與實(shí)際有出入,因?yàn)槿~片在風(fēng)速0～筒頂端靜撓度剛好為零。各作用力對(duì)順槳工況下靜20m/s變化過程中并不是順槳的。但是,風(fēng)力機(jī)在風(fēng)撓度的貢獻(xiàn)如表2所示。由表2可知:在順槳工況下,塔筒上的均布力引起的撓度占相當(dāng)大的比重,首先是因?yàn)樗驳睦@流面積比葉片順槳時(shí)的迎流面積大的多,其次是在撓度的計(jì)算公式中,與均布力有關(guān)的項(xiàng)與坐標(biāo)x的關(guān)系為四次方的乘積關(guān)系。但是在順槳成功后風(fēng)向突然變化90°這一工況下,引起撓度的主要因素是葉片和機(jī)艙上的橫向力P,這是因?yàn)榇斯r下葉片和機(jī)艙的合面積很大(約228.6m2),且繞流阻力系數(shù)約取1,所以橫向力P的值相當(dāng)可觀,因此這是一個(gè)危險(xiǎn)工況。6順槳工況下的挑戰(zhàn)由以上分析可知:1)各工況下,塔筒最大彎矩、彎應(yīng)力均在塔筒的底部。因此底端結(jié)合面上的螺栓將承受最大的翻轉(zhuǎn)彎矩和拉應(yīng)力,所以我們主要校核塔筒底端結(jié)合面上的螺栓強(qiáng)度。螺栓的預(yù)緊力在螺栓中引起很大的預(yù)應(yīng)力,在順槳工況下、風(fēng)速V為75m/s時(shí),預(yù)應(yīng)力占螺栓所有應(yīng)力的95.21%。即使在順槳成功后,風(fēng)向突然偏轉(zhuǎn)90°這一工況下,預(yù)應(yīng)力也占螺栓所有應(yīng)力的84.13%。但是,在相同風(fēng)速下,決定螺栓是否超過其許用應(yīng)力的還是取決于風(fēng)輪葉片的迎流面積和阻力系數(shù)。當(dāng)風(fēng)力機(jī)順槳成功后(風(fēng)速V為75m/s),若風(fēng)向突然偏轉(zhuǎn)90°,葉片和機(jī)艙將全面積迎風(fēng),計(jì)算結(jié)果顯示此時(shí)螺栓應(yīng)力為801.6MPa,超過了許用應(yīng)力;而且塔筒底部彎曲面應(yīng)力(224.8MPa)也超過了許用應(yīng)力。解決的辦法:一方面要盡量減少變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,另一方面可以把槳葉設(shè)計(jì)成柔性槳葉,當(dāng)臺(tái)風(fēng)襲來時(shí),槳葉變形,使其受力大大減少,保護(hù)機(jī)組主體不受損壞;2)塔筒的最