风力发电机组塔筒门段结构优化设计

石秉楠，钱华，刘麒祥，毛忠兴，于双江

（东方电气风电有限公司，四川德阳，618000）



风力发电机组塔筒门段结构优化设计

石秉楠，钱华，刘麒祥，毛忠兴，于双江

（东方电气风电有限公司，四川德阳，618000）

文章提出了两种新的塔筒门段结构形式，一种是将门洞进行整体钢板切割，焊好门框后，再整体与塔筒段筒体焊接；另一种也是将门洞进行整体钢板切割，但取消门框，同时加厚门洞所在塔筒壁厚。两种结构静强度分析均满足设计要求，且塔筒段减重明显，为塔筒门段结构设计提供了参考。

风力发电机组，塔筒，门段，结构设计

0　引言

塔筒门段结构是大型风力发电机组塔筒结构的重要组成之一，是塔筒结构的薄弱处［1］，是人员或设备进出塔筒、机舱的主要通道。塔筒门段部分形状不规则，且存在门洞的缺口效应，应力状态比较复杂，门段设计的好坏直接影响到塔筒结构的可靠性，对整个塔筒的结构强度及稳定性影响较大［2-3］。目前大多数塔筒门段设计均是根据塔筒门洞的形状，分别在底部塔筒段的两相邻筒节筒壁上切出半椭圆形，组对焊接后即出现门洞缺口，再将门框焊接在门洞缺口上进行结构补强［3］，具体结构如图1所示。但该结构要求门洞所在的筒节壁厚较厚，且被切除的半椭圆形钢板大多作为废料处理，利用率不高。

图1　常规塔筒门段结构示意图

为此，本文在满足结构强度要求的前提下，对现有塔筒门段结构进行优化设计，提出了另外两种塔筒门段结构形式，以减轻塔筒重量，提高钢板利用率和塔筒经济性。下面以某机组塔筒为例，分别进行说明。

1　门洞整体切割成形后焊接门框，再整体与筒体焊接（结构一）

塔筒门洞由两相邻筒节筒壁上切出椭圆形缺口，改为整体钢板切割门洞，焊接好门框后，再与塔筒段筒体部分焊接，如图2所示。

图2　塔筒结构示意图（焊接方式改为整体钢板焊接）

从结构强度角度分析，焊接后焊缝强度不低于筒壁强度，门洞段作为一个整体，两种焊接结构在门洞极限强度分析中是一样的，不对门洞静强度结果产生影响。

门洞采用整体钢板切割，再将钢板四周与塔筒筒壁焊接的方式制造，将省去门洞中部位置的横向焊缝，可避免因焊缝质量问题引发的门洞强度降低。修改焊接方式后，门洞两侧的垂直焊缝与受力方向平行，根据钢结构设计规范（GB 50017—2003），可不做焊缝强度分析［5-6］。

根据修改后的焊接方式，保持门洞所在钢板厚度，可减小门洞段非门洞侧钢板厚度（见图3），壁厚由26 mm改为24 mm，下段塔筒筒体重量由42.86 t降低为41.92 t。

图3　壁厚修改位置

在ANSYS Workbench中用四面体划分网格模型，对门框处进行网格加密，单元尺寸为40～80 mm，采用Solid185、Solid187类型的体网格。

塔筒底部全约束。在距离塔筒门段约1～2倍塔筒直径处建立远程力，模型中塔筒法兰顶部中心节点为控制点，法兰上表面为控制面，在此处施加塔筒门段处各极限工况载荷。

采用ANSYS Workbench 14.0求解器，修改前后门洞静强度结果如图4～图5所示。

壁厚修改后门洞最大应力为229.57 MPa，小于材料的许用应力304.5 MPa（材料Q345-E），满足极限强度要求。

图4　壁厚修改前的门洞应力云图

图5　壁厚修改后的门洞应力云图

由上述分析可知，该结构满足极限强度的要求。由于塔筒门洞为整体切割，切割下来的钢板可作为门板等其他结构件使用。门洞所在筒节除门洞区域外的部分壁厚减薄，从而重量减少。因此，本结构形式在钢板选取及材料利用率上优于原结构。

2　门洞整体切割成形（壁厚加厚），再整体与筒体焊接（结构二）

塔筒门段整体切割下料，取消门框，见图6。为提高门洞强度，门洞所在区域壁厚增大，其余区域壁厚在原有基础上作适当减薄，门洞加厚钢板与筒壁相接处采用1:5的倒角进行焊接坡口过渡。本文以门洞区域厚度增加到60 mm分析塔筒门洞极限强度。

图6　塔筒结构示意图（无门框门洞）

计算分析过程同结构一相同，静强度分析结果如图7所示，门洞附近最大应力为275.18 MPa，小于材料的许用应力304.5 MPa，安全裕度为10.6%。门洞结构满足极限强度要求。

图7　门洞应力云图

由上述分析可知，该结构满足极限强度的要求。由于塔筒门洞为整体切割，材料利用率提高。取消塔筒门框，减少塔筒重量。在该基础上，根据载荷情况，还可减小门洞段非门洞侧钢板厚度，实现对塔筒重量的进一步优化。

3　比较分析

本文提出的两种结构形式与原设计方案的对比如表1所示。

表1　分析结果对比

由表1对比可知，本文提出的两种塔筒门段结构优化设计方案均满足结构强度要求。结构一、结构二的应力大小与原设计方案偏差不大，其中，结构一的应力状况、安全裕度、减重幅度均优于结构二。若按1万元/吨计算，结构一可节约约1万元/台，结构二可节约约0.5万元/台，按一个标准风场计算结构一可节约33万元，结构二可节约16.5万元。

4　总结

本文对塔筒门段的结构设计进行了研究，并提出了两种优化后的塔筒门段结构，两种新的结构形式均采用门洞区域整体切割下料的方式，但其中一种带有门框，另一种不带门框。这两种结构形式均可提高板材的利用率，但对制造、加工水平要求较高。通过对门段筒体壁厚优化，达到降低总量的目的，从而提高机组塔筒经济性。为机组塔筒设计提出了新思路和新方法。

［1］代鲁平，白从凯，徐苾璇，等.大型风电机组塔筒门洞的参数化优化设计［J］.电力与能源，2014，35（2）：211-217.

［2］贺德馨，等.风工程与工业空气动力学［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［3］R Toriumi，H Katsuchi，N Furuya.A study on spatial correlation of natural wind［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2000，87（2）：203-216.

［4］任瑞杰，王林，麻磊，等.影响风机塔筒门设计的主要因素［J］.现代机械，2011，（6）：45-47，84.

［5］龙凯，吴继秀，桑鹏飞.大型水平轴风力机塔筒门洞屈曲分析研究［J］.现代电力，2013，30（1）：90-94.

［6］易权，蔡全，尚刚，等.风力发电机组塔筒门框段屈曲分析［J］.机械制造与自动化，2012，41（4）：212-214.

Structural Optimization Design of Wind Turbine Tower Door Segment

Shi Bingnan，Qian Hua，Liu Qixiang，Mao Zhongxing，Yu Shuangjiang
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper presents two new structures of tower door segment，one is the door hole overall plate cutting，post welds frames，and then the whole section of the column with the cylinder barrel is welded，the other is the whole plate cutting，but cancels the door frames，while the thickness of the tower wall is increased.Static strength analysis of the two programs meet the design requirement，and the weight of tower segment is decreased significantly.It provides a reference for structure design of the tower door segment.

wind turbine，tower，door segment，structure design

TK83

A

1674-9987（2016）03-0067-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.015

石秉楠（1984-），男，硕士研究生，工程师，2010年毕业于重庆大学机械设计及理论专业，主要从事风力发电机组机械部件的设计工作。