新型分段式风力发电塔架结构改进及性能研究

2016-10-18程友良薛占璞渠江曼

制造业自动化 2016年9期

关键词：塔架风力分段

程友良，薛占璞，渠江曼

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定 071003）

新型分段式风力发电塔架结构改进及性能研究

程友良，薛占璞，渠江曼

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定 071003）

为提高风力发电塔架生产与运输效率，提出一种分段式结构，并且从空气动力学和结构动力学分析了该塔架的优越性。利用Solidworks对分段式塔架进行强度校核，进行可行性分析，将分段式与不分段的锥筒式塔架进行结构强度对比，得到了分段式塔架连接处受载荷时的应力云图；利用FLUENT软件对分段式和不分段锥筒式塔架空气流场进行数值模拟，得到了分段式塔架的风振响应时程曲线并与不分段锥筒式的进行了对比。结果表明，在额定风速和暴风下，分段式塔架时程曲线中的最大应力值与位移值比不分段锥筒式小，采用分段式比不分段锥筒式更适应各种工况下风载荷响应。

分段式风力发电塔架；结构改进；性能；风振响应；空气动力学；结构动力学

0　引言

随着传统能源日益枯竭及环境问题日益突出，风能作为一种清洁无污染的可再生能源，已经并且正在受到世界各国越来越多的重视。风能具有较大的开发价值和大规模利用的可行性。世界风能总量约200亿瓦，相当全世界总发电量的8倍，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。如果人类可以利用地面风力的1%，那么就能满足全球发电能量的需求，由此可见，风力是一个相当巨大的电力能源宝库。塔架在风力发电系统中除了支撑风力机结构之外，还承受环境、自重并与整个运行过程有关，是整个系统的基础保障［1］。

塔架的结构直接影响承载能力，郭智［2］对塔架的承载能力进行了研究，对结构线性屈服与非线性屈服利用有限元法表述，应用尺寸优化技术对塔架底部进行了屈服优化，得到了塔架门洞尺寸，并且进行了动力响应分析。叶赟［3］利用遗传算法对风力发电机塔架进行了优化设计，对在脉动风作用下塔架的工作机理进行了分析，对比了优化前后结果，发现一阶屈服特性值减小。祝水琴［4］等对风力机塔架进行了模态分析，根据模态结果进行了结构改进，改进后的结构减少了材料的用量，重量减小。余俊伟［5］在屋顶集风效应下，分析了塔架的静动力性能，研究了塔架在地震作用下的鞭梢效应。王志生［6］设计了索塔式风力发电塔架，利用有限元法进行一阶优化，得出了风速功率谱与目标功率谱基本吻合。张冬冬等［7～10］对塔架的综合性能进行了研究，对正八边形预应力混凝土塔架、圆形预应力混凝土塔架和钢椎管塔架进行了结构设计，并按照机械设计手册校核了承载能力、变形能力和疲劳能力；采用模态分析方法确定塔架的动力特性，其受力时稳定性的探究及仿真，一般采用几何非线性的有限元分析方法得到它的屈曲临界载荷和变形云图，进而为后续塔架的屈曲优化和结构动力响应提供理论分析依据；利用仿真技术，发现机组及塔架设计的不合理处，提出针对某个结构的修改方案。罗喜清等［11～16］分析了风力发电机组倒塌事故的原因，探讨了机组塔架的设计中是否存在不合理的因素；研究了塔架设计参数对于塔架破坏极限承载力影响规律，结果表明，结构参数中的塔架宽度、塔柱径厚比等，对塔架极限承载力和破坏影响较大。

鉴于以上分析，锥筒式塔架采用单一的结构，运输、拆卸等不方便，对其进行动力响应采用传统的悬臂梁等模型，因此，有必要对塔架进行结构改进。本文提出一种分段式风力发电塔架［16］，采用标准化塔筒分段组装塔架，简化了产品生产工艺，减少了运输中因塔筒过大而折损变形的现象，解决了塔架过长不便运输的问题，降低了因塔筒质量过大不易起吊安装的难度，可降低生产成本提高生产效率。从结构动力学和空气动力学角度，分析了分段式塔架比锥筒式的优越性，并得到了结论。

1　新型分段式风力发电塔架及计算方法

1.1新型分段式风力发电塔架简介

图1　新型分段式塔架示意图

图1为新型分段式塔架示意图，是我们自己设计并已获专利授权［16］。该塔架的具体结构为，上部塔筒和下部塔筒采用标准化生产，脚踏板用于高空作业支撑，其面积大小根据塔架高度而定。脚踏板上设有槽孔，螺栓设有双层螺母，脚踏板通过其槽孔挂在外层螺母与螺栓的六角端头之间。两个塔筒的连接处，凸台包括空腔凸台和内层凸台，凸台之间用螺栓连接。塔筒下部的外周设有对称的空腔凸台，塔筒上部的外周设有对称的可嵌入空腔凸台的内层凸台，在内层凸台以上的塔筒设有台肩；下部塔筒的台肩插入上部塔筒的内壁，下部塔筒的内层凸台嵌入上部塔筒的空腔凸台内并通过螺栓紧固连接；底座盘上设有立筒，立筒外周设有对称的内层凸台，在立筒上部设有台肩，立筒的台肩插入下部塔筒的内壁，立筒的内层凸台嵌入下部塔筒的空腔凸台内并通过螺栓紧固连接。凸台和螺栓的作用限制了两个塔筒的自由度，使两个塔筒能够保持竖直方向，同时承受风机及其他载荷。

1.2几何模型

模型的材料为玻璃钢，其在结构上具有对称性，在结构强度允许的情况下，利用标准化的塔筒，可分为两段或者三段、四段等多段，塔筒的连接处利用螺栓均布固定。塔筒的壁厚根据表1序号1数据［2］，设置壁厚为35mm，地基高2.5m，分为两段，底部外径4m，顶部外径3.5m，总高度为10m。图2为新型分段式塔架几何模型，表1为塔架壁厚参数表。根据分段式塔架结构特点，对几何模型提出如下三点假设［17～21］：

1）分段式凸台连接可近似为刚性连接；

2）校核塔架刚度可应用当量直径法；

3）空腔凸台和内层凸台间隙可以忽略。

图2　新型分段式塔架几何模型

表1　塔架壁厚参数表

1.3控制方程

分段式塔架附近空气流动为粘性不可压缩流体流动，运动类型为湍流运动，雷诺数为4200。风力发电塔的结构主要承受风载荷，为了使湍流运动分布均匀，连续性强，采用k-ε湍流模型，鲁棒性好，可以分段对塔架周围空气动力分析，并且满足以下控制方程：

连续性方程：

动量方程：

式（1）、式（2）中：ui（i=1，2，3）分别为x、y和z方向的雷诺平均速度，ρ为流体的密度，P为压强，v为流体的运动学黏性系数，为雷诺应力项，fi为体积力。

1.4数学模型验证

为了验证该结构的正确性，采用机械学科的刚度是否满足自身要求来验证模型的正确性，塔架的刚度能否满足要求是塔架设计的主要考虑因素，其在受载荷时变形量直接影响塔架的正常运行，如果变形量超出允许的范围，则塔架由于较大的变形量会发生断裂，利用当量直径法［12］对分段式塔架进行刚度校核。到目前为止，以往文献资料还没有分段式的塔架数值模拟结果，验证该结构采用机械学科的当量直径法，即验证其刚度是否满足要求，是验证结构设计正确性有效方法。

式（3）中：L为塔架高度，l为各分段的高度，d为直径。

经过塔架结构参数相关计算，此塔架满足轴的刚度条件，即：

扰度：y=0.002m≤［y］=（0.0003～0.0005）L；

偏转角：θ≤［θ］；

因此，该塔架结构设计是可行和正确的。

2　仿真分析

2.1不分段锥筒式（以下简称“锥筒式”）与分段式结构强度对比

图3为锥筒式塔架实物及模型。结构参数与图1新型分段式塔筒相同，单元选择SHELL63，该单元是一种应用于大变形和应力刚化的四节点弹性壳单元，每个节点自由度具有绕X 、Y 、Z轴的转动和沿 X 、Y 、Z方向的平动6个自由度。通过赋予四个节点来建立不同厚度分布的模型，对于不规则形状的结构具有较高精度［5］。图4为网格化的锥筒式塔架，图节点数15343，单元总数8067。塔架底端固定，边界条件对塔架底端施加全约束。

图3　锥筒式塔架实物及模型

图4　网格化的锥筒式塔架

通过施加相同载荷的工况下，风等效为静力载荷作用于塔架，从而描述塔架响应。拟静力分析是指求解等效静力荷载作用下风力发电塔架的应力和位移［6］。等效静力荷载是采用我国规范推荐的平均风荷载乘以风振系数法求得［22～24］，其计算公式为：

式（4）、式（5）中：zµ为风压高度变化系数；

wk为风荷载标准值（kN/m2）；

µs为风荷载体型系数；

w0为基本风压（kN/m2）；

βz为高度Z处风振系数；

Pk为等效风荷载；

Ak为风荷载作用面积。

增加网格的密度，其模拟结果误差在0.4%之内，进行了网格无关性验证，证明此网格模拟的可行性。经过拟静力分析得到锥筒式与分段式塔架应力与位移云图，图5为锥筒式塔架应力变化云图，图6为分段式塔架应力变化云图。从图5、图6可知，塔架的极限应力均小于材料的许用应力，锥筒式最大应力为（X方向分量）6.3kN/m2，最小应力为（X方向分量）5.8kN/m2，应力变化为0.5kN/m2，最大位移为3.165mm，而分段式最大应力为（X方向分量）7.2kN/m2，最小应力为（X方向分量）6.8kN/m2，应力变化为0.4kN/m2，最大位移为2.606mm。经过数据对比，分段式比锥筒式塔架结构强度大，应力变化范围小，位移小；运输、拆卸、维修方便，符合塔架应用发展方向。

图5　锥筒式塔架应力变化云图

图6　分段式塔架应力变化云图

2.2风载荷作用下风压分析

为了比较分段式与锥筒式塔架的性能，进行风载荷作用下风压响应分析，在ANSYS设置计算域，分别对两种塔架进行了风压模拟。风由于塔架的阻挡，使四周的空气受到阻力，动压下降，静压升高。侧面和背面产生局部涡流，静压下降，动压升高。风压变化能够反映塔架经过风载荷之后的工作运行状态情况，风压曲线侧面反映了塔架工作状态［25～27］。

风速由两部分组成［2］，t时刻Z高度的风速V（z，t）可写作：

式（6）中：U（z）为平均风速；

V1（z，t）为脉动风速。

图7为风载荷计算域大小，长度40m，宽度20m，高度25m。塔架的底端与计算域的底端重合，在ICEM CFD环境中划分网格，网格类型为Tetra/Mixed，节点数为16392，单元数为8392。计算域左侧端面为风载荷入口，右端面为风载荷出口。两个侧面、顶面为对称边界条件；底面、顶面为无滑移壁面［28，29］。

图7　流体计算域

图8、图9分别为分段式、锥筒式塔架风压曲线，从图中可知，分段式塔架压力与风速之间的曲线关系，不是线性的，风速从5m/s～8m/s，与之对应的压力逐渐下降，缓慢下降，而锥筒式则线性下降，这样对于塔架周围的空气流动容易形成漩涡，因此分段式塔架更适合空气动力学。

图8　分段式风压曲线

图9　锥筒式风压曲线

3　结论

本文在我们提出的一种分段式塔架结构基础上，从结构动和空气动力学方面，与锥筒式塔架进行了对比，其应力变化和空压动力都优于锥筒式塔架，得出如下结论：

1）分段式塔架比锥筒式塔架，抵抗破坏能力强，应力与位移变化幅度小，应力集中不明显，承载能力大，更适合结构动力学。

2）分段式塔架风速与压力曲线变化平缓，斜率较小，更适合在各种风载荷下工作。

3）分段式相对于锥筒式塔架，能够实现标准化生产，提高了生产效率，解决了传统的锥筒式塔架在运输、拆卸、维修方面的难题。

在数值模拟过程中，其值与实际监测有误差是必然的，但要保证在一定允许误差范围内数据的正确性。分段式风力发电塔架具有良好的结构动力性能，因此，对分段式风力发电塔分析与改进是未来的研究重点。

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