风力发电机塔筒结构静力特性探析

李 村，文 鹏

(甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

风力发电机组塔筒是风轮的关键受力部件，风电机组服役过程中，塔筒承受来自风轮的可变性、无序性的载荷作用，易出现结构破坏，展开塔筒的静力分析对保证风力发电机组稳定运行具有重要意义，目前大多考虑采用有限元法进行静力分析[1]。文献[2]考虑到预应力混凝土塔筒结构特点，依据《混凝土结构设计规范 2010》标准要求，计算了4种组合状态下塔筒各个截面载荷，采用有限元法讨论不利工况下塔筒的静态特性，结果表明塔筒结构的静强度符合标准要求。文献[3]利用三维建模软件建立了3段塔筒结构，采用风力发电机组专用载荷计算软件GH Bladed，基于塔顶坐标系计算了塔筒的极限载荷，采用有限元法对塔筒的应力分布进行探究。文献[4]通过建立3种不同类型的塔筒有限元模型，采用GH Bladed软件计算特定风速下的塔筒，分析了塔筒的静力响应，为建立合理塔筒有限元模型奠定了基础。文献[5]建立了3种不同塔筒结构的有限元模型，探究了不同有限元结构对静力性能的影响规律，提出了针对不同目标应建立合理的有限元模型。

本文以2 MW风力发电机组塔筒结构为研究对象，计算了极端风切变模型、极端阵风模型和极端风速模型作用下塔筒的静力特性，验证了塔筒可满足极端工况需求。

1 塔筒结构及载荷计算

本研究对象为锥筒型钢制塔筒，由厚度不一的钢板卷制，然后沿周向和纵向焊接制成。考虑到我国道路运输条件，塔筒多为分段制造，各段间通过法兰连接。此外，塔筒内部布置电缆、控制柜、防坠装置、照明设备等部件。

1.1 塔筒结构参数

在进行塔筒静力学分析时可忽略对其影响较小的零部件(电缆、照明设备等)，塔筒主要结构参数见表1。

表1 塔筒结构参数

1.2 塔筒载荷计算

塔筒在服役过程中，所受载荷主要来源于风轮所传递的外界风载，此外塔筒还受来自于叶轮、机舱以及内部附件重力的作用。本文计算塔筒载荷时采用塔顶坐标系，塔顶坐标系如图1所示。

图1 塔顶坐标系

依据国际电工委员会标准要求[3]，塔筒服役风况可分为正常服役条件下额定风况以及循环周期为1年或50年一遇的极端风况。本文对塔筒进行静力分析时，选择以50年为循环周期的极端风速模型下的塔筒静力特性进行研究，挖掘塔筒结构的不足之处。本文应用GH-Bladed软件计算极端风况下塔筒载荷。首先在GH-Bladed软件中构建2 MW风力发电机组整机模型，依据国际电工委员会IEC61400-1—2019标准规定，在软件中确定以50年一遇的极端风况为风力发电机组环境工况，设置该工况下的风速粗糙度、风力发电机组状态、参考风速59.5 m/s、安全系数以及风力发电机组偏航角度，最终得到该工况下塔筒各分量载荷，见表2。

表2 极端风速模型下塔筒载荷

2 塔筒有限元静力特性

静力学研究是指塔筒在静态外界载荷作用下，其结构抵抗变形的能力及应力响应特性，是体现塔筒结构性能的主要因素。如果塔筒最大位移超出工程许用范围1%，将直接影响到风电机组稳定运行[6]。因此，有必要对塔筒进行静力分析。

本文对塔筒进行静力分析时采用有限元法，该方法对于求解塔筒静、动态分析具有很强适应性，且该方法易于通过计算机实现[7]。

2.1 前处理

本文中风电机组各部件塔筒、机舱、风轮质量分别为1.97×105、8.0×104、4.6×104kg，其中塔筒材料为Q345FT。

2.1.1 定义单元类型设置材料属性

将塔筒三维几何模型链接至有限元Geometry模块，定义塔筒材料属性为Q345FT，弹性模量E=206 GPa，泊松比σ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3，屈服强度σs=345 MPa。

2.1.2 网格划分

进行静力网格划分时，塔筒采用混合四面体和六面体单元离散；为减少计算成本，提高计算精度，确定网格尺寸为400 mm，法兰与塔筒连接采用绑定接触，法兰与法兰间连接面采用MPC形式(多点约束算法)；得到68 130个单元和140 030个节点。

2.1.3 施加约束和载荷

将计算得极端风速模型下载荷施加至塔筒顶部，其次考虑塔筒、风轮和机舱自重，将风轮和机舱两者简化为集中质量点(point mass)的施加至塔筒顶部。最后对塔筒底部施加固定约束，开展静力分析。工况极端风速模型的塔筒受力情况如图2所示。

图2 塔筒受力示意

2.2 静力分析结果与讨论

通过研究塔筒在的静态特性，找到塔筒结构可能存在的安全隐患问题。在有限元静力分析模块Static Structural中，对塔筒结构在极端风速模型下进行静力学研究，分析时塔筒与基础结构固定连接，所以不考虑Z轴方向位移，塔筒X轴和Y轴方向上的位移和整体位移如图3所示。

由图3可知：极端风速模型工况中，塔筒各方向上和整体最大位移均出现于塔筒顶部。原因为进行静力分析时，塔筒视为悬臂梁结构，对其底部法兰处施加固定约束，顶端在风载和风轮重力等联合作用下，所以最大位移出现于塔筒最顶端。另外，由图3(a)可知：极端风速模型对塔筒X轴影响最大，位移最大值达到715.86 mm，方向为X轴负方向，Y轴最大位移为98.41 mm。由图3(c)可知：塔筒整体位移最大值为722.38 mm，占塔筒总体高度的0.9%，接近设计极限。表明此工况下塔筒各轴向位移以及整体位移均符合工程规范要求。极端风速模型作用下塔筒应力云图如图4所示。

(a) X轴方向位移

(b) Y轴方向位移

(c) 整体位移图3 极端风速模型作用下塔筒位移云图(单位：mm)

(a) X轴方向应力

(b) Y轴方向应力

(c) Z轴方向应力

(d) 整体应力图4 极端风速模型作用下塔筒应力云图(单位：MPa)

由图4可知：塔筒最大应力出现位置并不相同，这是由于不同高度处塔筒抗弯模量不同导致；极端风速模型对塔筒Z轴方向应力影响最大，最大值为135.26 MPa，出现于塔筒门洞处，最小值为125.25 MPa，方向为Z轴负方向，出现于塔筒中上部；极端风速模型对塔筒X轴应力影响最小，此时最大应力16.85 MPa，方向为X轴负方向，最小应力为15.54 MPa，二者均出现于塔筒中部法兰附近；塔筒Y轴最大应力为46.53 MPa，方向为Y轴负方向，出现于塔筒门洞附近，最小应力为24.37 MPa，出现于塔筒底部法兰附近；塔筒最小应力塔筒最大应力为138.25 MPa，位于塔筒门洞附近，最小应力为0.07 MPa，位于塔筒底部法兰处。此工况下，塔筒应力距离材料Q345FT许用应力仍有很大裕度。

结合图3～4可知，极端风速模型作用下塔筒强度和刚度均符合工程规范要求。

3 结语

通过极端风速模型作用下塔筒静力分析可知，塔筒X轴和Y轴以及整体位移均沿塔筒轴线方向，自塔筒底部至顶端法兰处逐渐增大，且最大值均出现于顶部法兰处。应力方面，塔筒的最大应力和最小应力响应位置并不相同，最大应力出现位置多集中于门洞处。本文通过静力分析可知，在以50年为循环周期的极端风速工况中，塔筒应力和位移均符合工况工程规范要求，为塔筒设计制造提供指导意义。