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,上海 200240)

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,上海 200240)

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,并应用SACS软件计算出在外载荷下的各构件的内力、弯矩和应力,然后将计算出的与许用应力比较,再用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。

近海风电机组;塔架;SACS;ANSYS

Abstract:According to API recommended method for planning,designing and construction of the fixed offshore platform-working stress design method,and the standard of DNV about the wind turbine design,a 2 MW single pile wind turbine(and its pile-soil)model is set up by SACS.The internal forces and stress of each component under outer load are also calculated by SACS.Then we compare the calculated stress,the vibration characteristics research and flexibility of the tower are analyzed by ANSYS.Finally,the size of tower is obtained.

Key words:offshore wind turbine;tower;SACS;ANSYS

0 引言

单桩式风电机塔架包括支撑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和风机舱。塔架既要承受风轮、风机舱的重力和风机舱工作时所产生的载荷,又要承受风、浪、流等的环境载荷。塔架的固有频率还需和转子转动频率以及叶轮转动频率错开,以避免共振的发生。在满足塔架安全性的同时,也要兼顾其经济性。通过合理安排塔架的分段以及各段的半径大小,可以有效控制壁厚,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及各轴向弯矩(如图1所示),对塔架的载荷可通过简化模型[1]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3个参数之上:

(1)静态的水平气流载荷

式中A=πR2,其中A为叶片旋转时扫过的面积,R为叶片的旋转半径。(2)推进扭矩

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。

风机舱所受的风载荷即风机舱对塔架的载荷可用上述3个参数表示,见表1。在弯矩计算中,假定气流载荷 F0在作用中心与水平的转轴有一定的偏心距,则该偏心距为e=R/6[1]。

表1 用3个参数表示的风机舱对塔架的载荷

1.2 环境载荷计算

1.2.1风载荷计算理论

作用在一个物体上的风载荷,可根据下式计算[1]:

式中:p为受风构件表面上的风压;A为构件垂直于风向的轮廓投影面积;F为作用在构件上的风力。风压 p可以表示为

图1 风机舱对塔架的载荷示意图

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;γ为空气重量密度;v为设计风速。

1.2.2 浪载荷计算理论

选用Airy波理论[2]计算浪载荷。

对直立桩柱的波浪力计算,工程中常采用的是Morrison[1]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平加速度的函数,可用下式表示:

式中:F(t)为作用在柱体上z处的水平力;U为在柱体z处的水平方向上水分子的速度;D为柱体直径;ρ为水的密度;CM为质量系数;CD为拖曳力系数。对于粗糙圆柱形构件的参考值,CM=1.2,CD=1.05[1]。

1.2.3 流载荷计算方法

影响海流载荷大小的因素主要有:海流流速、海流流速沿深度方向的分布规律、海流流向、结构构件的形状和尺度。海流流速及其流向,一般要通过分析海域的统计资料后获取;而海流流速沿深度方向的分布规律,可从DNV规范[1]中得知:

式中:Uc(z)为离海底的高度z处的海流总速度;Ut(z)为离海底的高度z处的潮流流速;Uw(z)为离海底的高度z处的风海流流速;Ut0为在静水面处的潮流流速;Uw0为在静水面处的风海流流速;d为水深。在单独考虑海流的作用时,由于海流不会引起水质点的加速度,因此可将Morison方程中的惯性力项忽略,只计算拖曳力项,即:

式中:U为在柱体z处的流速;D为柱体直径;ρ为水的密度;CD为拖曳力系数。

2 塔架的设计方法

本文参照了API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,以及工程设计原理和在近海石油资源开发中所取得的有益经验 。为防止发生环向变形,API规范对于受静水压力的构件作了明确规定,以确定其是否需要加强构件。

作用于环向膜应力 fh应该不超过环向临界屈服应力fhc除以相应系数[3]。

式中:fh为静水压力引起的环向应力;p为静水压力;S Fh为静水压崩溃安全系数;D为圆柱体外直径;t为壁厚。

环向临界屈曲应力 fhc=2ChEt/D,其中 Ch为临界环向屈曲系数,由下式决定:

式中:t为壁厚;D为直径。

本文参照了DNV的风电机结构设计规范,规范规定塔架的固有频率应该避开转子频率 P以及叶片转动频率nP(n为叶片数量),以避免共振情况的发生。本文将用ANSYS软件做塔架的振动特性分析。

塔架是发电机的重要组件,是风机的主要受力部件之一。塔架的安全直接决定了整个风电机的安全,因此设计时必须对塔架性能进行仔细的校核。常规的设计方法[4]为:类比—经验设计—制造样机—性能测试—样机尺寸修改—再制造样机,直至满意。本文所用的设计方法参照该常规设计方法,区别在于用软件建模代替样机制造。优化流程为:初定塔架参数—SACS建模—强度计算—与许用值比对分析—振动特性分析—修改模型参数,直至符合API以及DNV规范,输出塔架结构的各参数。

3 算例

3.1 目标风电机塔架支持结构介绍

本文拟定风电场场址为上海东海大桥畔,根据水深条件选择单桩式风力发电机为目标风电机,拟定水深为13.6 m。

海上单桩式风电机组通常由叶片、发电机舱、支撑塔、基础桩及支撑塔与基础桩之间的过渡段组成。支撑塔、基础桩和它们之间的过渡段构成了风电机组的塔架结构,整体呈圆锥台形状,上部直径小,底部直径大。目标风电机及塔架的示意图如图2所示,风电机参数如表2所示。需要确定的塔架参数:支撑塔、过渡段和基础桩3段的壁厚和直径。并根据受力情况以确定是否需要结构加强构件。

表2 风电机参数

3.2 塔架所受载荷

3.2.1 工作载荷

依据表2中的风电机参数以及表1中的计算公式可以得到风机舱对塔架各轴的载荷,效率η取为0.9,得到结果如表3所示。

表3 风机舱对塔架各轴的载荷

图2 单桩式风电机示意图

这部分载荷应当作为外载荷加载到SACS软件模型中。

3.2.2 环境载荷

选取极限风速25 m/s,流速1.08024 m/s,波浪周期13 s,波幅5 m。对风浪流同向状况——最危险的载荷状况作计算,将参数加载到模型中,计算后即可得到风机受到的环境载荷。当风速超过25 m/s时,风机将处于空转状态[5],不工作,以减小塔架载荷,由于出现概率较小,本文不予考虑。

3.3 SACS软件建模,设计及计算

建立塔架模型,主要考虑塔架的尺寸、节点、材料特性以及海洋环境、载荷等。根据相关资料,本文将塔架分为3段,坐标系以及塔架尺寸如图3所示。选用钢材的材料特性为:弹性模量 E=200 GPa;剪切模量G=80 GPa;屈服应力 Fy=345MPa;密度ρ=7.849×103kg/m3。创建基础桩文件,其中包含基础桩尺寸和海床泥土的特性。本文将海床泥土分为2层。土层参数如表4所示,垂直于海平面的轴为垂向轴,海平面在垂向轴上的坐标为0。

表4 泥土土层参数

通过SACS软件可以确定塔架各段的z轴轴向内力、剪切内力、扭矩,x轴轴向弯矩,y轴轴向弯矩。假设分析的塔架段的直径为D,计算得到相应的 z轴轴向应力、剪切应力、弯曲应力。各许用应力可以由SACS软件直接计算得到。满足条件为各实际应力小于各许用应力,考虑安全系数,取为0.85。在ANSYS计算中,塔架顶部挠度不超过整个塔身长度的0.8%[1],即0.83 m。经过多次调整本文给出的塔架尺寸如表5所示。

表5 塔架构件尺寸表

3.4 设计方案实际最大应力与许用应力的对比

支撑塔壁厚为3.2 cm,过渡段壁厚为4 cm,其各应力与许用应力的对比如表6所示。

基础桩壁厚为5 cm。根据API规定基础桩壁厚不应小于:

故5 cm基础桩壁厚符合条件。表7中为基础桩壁厚5 cm时的基础桩应力与许用应力对比。

图3 风电机塔架结构尺寸示意图

表6 支撑段与过渡段最大应力与许用应力比较表

表7 基础桩最大应力和许用应力的比较

3.5 塔架的阵型分析

依照塔架的尺寸,通过ANSYS软件建模。依照前述方法计算出塔架所受环境载荷,如表8所示。

将工作载荷与环境载荷加载至模型中,并用模态分析得到塔架的前4阶固有频率以及前4阶阵型。塔架前4阶固有频率如表9所示。由表中可以看出,本塔架的一阶固有频率为0.94357。转子频率为15 r/min,即 P=0.25。叶片转动频率3P=0.75。塔架固有频率与 P和3P相差较大,所以不存在发生共振的可能。

表8 塔架所受环境载荷

表9 塔架前4阶固有频率

塔架的前4阶阵型如图4所示。

通过ANSYS软件进行静力分析可以得到塔架沿风、浪、流方向的最大挠度,如表10所示。由表中可以看到,塔架顶部挠度为0.829 m,小于整体塔架高度的0.8%,符合DNV规范的要求。

图4 塔架振型示意图

表10 塔架挠度表

3.6 各塔架段加强结构的讨论情况

风电机支撑段和过度段均没有静水压力,故无需考虑由静水压力造成环向屈服现象的问题,不需要安装加强环。对于基础桩,其直径为5.5 m,壁厚为5 cm,水深为13.6 m,波幅为5 m。由API规范,S Fh取2[3],计算出实际最大环向膜应力为 fh=10.33 MPa,临界环向膜应力为fhc=26.56 MPa,fhc>fh满足API规范的要求,故基础桩无需安装加强环。

4 小结

单桩风电机塔架的设计意在使符合强度、屈曲条件下的塔架的质量最小。本文从东海大桥畔的实际环境出发,通过SACS软件建模,并用以计算出单桩式风电机塔架各部分的应力以及许用应力,然后将两者做比较,再用ANSYS软件做了塔架的振型分析,得到了塔架的整体挠度情况,在符合API以及DNV的相关规定后,给出了符合这一地区的风电机塔架的分段情况,以及塔架各部分的直径与壁厚。

[1] Det Norske Veritas.Guidelines for Design of Wind Turbines[M].Denmark:JydskCentraltrykkeri,2002.

[2] Randall R E著.杨槱,包丛喜译.海洋工程基础[M].上海:上海交通大学出版社,2002.

[3] 中国海洋石油总公司.API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[S],2000,5.

[4] 庞强,董湘怀,王鹏.基于有限元模拟的风力机塔架优化[J].机械设计与计算,2008,8:1-3.

[5] Det Norske Veritas.DNV-OS-J101-2007 Design of Offshore Wind Turbine Structures,2004.

Design and Strength Calculation of Single Pile Wind Turbine

DU Peng-fei, HE Yan-ping, MO Ji-hua, GE Chuan
(Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

TK83

A

1001-4500(2010)01-0016-06

2009-04-25; 修改稿收到日期:2009-07-24

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)

杜鹏飞(1984-),男,硕士生,主要从事近海风力发电机支撑结构的研究。