不同结构形式对风电机组塔架轻量化设计的影响研究*

宋恭杰，裘慧杰，何先照，许 斌，王克峰，汤永江

(1.浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州 310000)

0 引 言

近年来，随着我国风力发电行业的快速发展，风力发电机组越来越趋向于大型化。塔架作为风电机组的重要承重部件，吸收机组振动的同时对机舱和叶轮起着重要的支撑作用，使叶轮等部件得以在高处平稳运行，以获得足够的风能驱动发电[1]。然而，塔架作为一种高耸的钢结构，在承受着机组重量的同时，也承受着巨大的弯矩作用，这就要求塔架必须具有足够的刚度以保障机组的安全。

随着风电补贴政策逐步的退出，平价上网时代的来临，市场的竞争愈加激烈，陆上风场的投资商越来越注重设备投入成本的控制。塔架作为风电机组的大部件之一，根据机组兆瓦、风轮不同，其90 m～100 m高的塔架重量一般在170 t～290 t左右，其成本大概占据了一台风机20%～25%的投资比例。因此，在未来的风电竞争中，投资商和各主机厂商势必在塔架轻量化方面进行研究，以降低风场投资[2]。

目前，针对塔架轻量化的设计，各大主机厂商的研究主要集中在以下几个方面：(1)对控制策略进行研究及优化[3]；(2)对各风场进行定场址载荷计算；(3)对塔架内件的减重优化；(4)对塔门局部加强形式[4]的研究设计等，而对于塔架不同结构形式的研究较少。

据此，本文将通过在同等计算条件下，计算不同结构形式的塔架受载情况，对比研究结构形式对塔架轻量化的影响。

1 塔架轻量化的对比方法

1.1 研究对象

本文针对结构形式对塔架轻量化的影响研究，将通过两种不同形式的对比方式展开：

(1)相同结构、不同底径。针对3.0 MW机组，选择两种不同高度的塔架即90 m(风轮直径采用140 m)和100 m(风轮直径采用147 m)，每种高度均采用4.5 m和4.3 m的两种塔底直径进行建模。

相同结构、不同底径的塔架模型如图1所示。

图1 相同结构、不同底径的塔架模型图

(2)相同底径、不同结构。针对2.5 MW机组(风轮直径采用140 m)，采用同一塔底直径、4种不同结构形式的塔架进行对比研究。

相同底径、不同结构的塔架模型如图2所示。

图2 相同底径、不同结构的塔架模型图

塔架详细结构形式说明如表1所示。

表1 塔架详细结构形式说明

在风场条件方面，挑选一个较典型风况条件的风场，其风场的风况基本参数如表2所示。

表2 研究风场的风况基本参数

1.2 对比方法

在同等计算参数、同一控制策略、塔架重量保持一致的条件下，笔者针对1.1节中提出的两种对比形式的8款塔架分别进行计算，通过对比整机的固有频率、各截面极限载荷、各截面疲劳载荷、塔架各截面余量，以及在该载荷下塔架可优化到的最轻重量，来判断不同结构形式对塔架轻量化的影响程度。

2 塔架设计原则

塔架的设计原则是应在规定的外部条件、设计工况和载荷情况下，能稳定地支撑机舱和风轮的运行，且应具有足够的强度、屈曲稳定性和抗疲劳性能[5-8]。

本文主要对比校核塔架的强度、屈曲稳定性和焊缝疲劳是否满足设计要求，对比过程中不考虑塔架内附件重量和门框有限元等的影响。

塔架强度，主要指塔架静强度计算，由正应力和切应力组成，求解得到的等效应力需满足钢材许用应力。

根据第四强度理论，可以得到塔架强度计算公式为：

(1)

式中：σeq,Ed—等效应力，MPa；σx,Ed—总的正应力，MPa；τxθ,Ed—总的切应力，MPa。

总的正应力由重力产生的轴向正应力和主力矩产生的弯曲正应力组合而成，如下式所示：

(2)

式中：Fz—重力，kN；Mxy—主力矩，kNm；rcan—各塔筒塔节底部位置的平均半径，m；tcan—各塔筒塔节的塔壁厚度，m；β—各塔筒塔节的锥角。

总的切应力由剪切切应力和扭转切应力组合而成，如下式所示：

(3)

式中：Fxy—剪切力，kN；Mz—扭转力矩，kNm。

塔架屈曲稳定性，主要用于研究结构在特定载荷下塔架是否会产生屈曲失稳破坏，其判断公式如下：

(4)

根据经验，环向应力非常接近0，可以忽略不计，因此，以上公式便可简化为：

(5)

式中：σx,Rd—正应力的抗屈曲系数；τxθ,Rd—剪应力的抗屈曲系数；kx,kτ—屈曲相互作用参数。

塔架焊缝疲劳，即当焊缝受到多次重复的载荷作用后，应力值虽没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生疲劳破坏。

风机塔架的焊缝疲劳损伤需按照满足20年运行进行校核，如下式所示：

(6)

式中：D20—风机运行20年实际损伤值；N20—风机运行20年实际循环次数；Nallowable.20—风机20年许用循环次数。

3 不同结构形式塔架的对比计算

作用在风电机组塔架的外部载荷主要由塔架本身的气动载荷、由风轮和机舱产生的空气动力载荷、力载荷以及塔架自重等组成。

塔架分析坐标系如图3所示。

图3 塔架分析坐标系

在图3的塔架坐标系中：ZF为垂直方向，XF沿水平方向指向下风向，YF垂直于XF和YF[9-11]。

3.1 相同结构、不同底径的塔架计算

针对1.1节中的第1种对比方式，按照图1所示的塔架结构，笔者利用BLADED载荷仿真软件进行建模，并加载计算。其中，3.0 MW机组90 m的两款塔架均按照176 t(不含塔架内附件)进行建模；3.0 MW机组100 m的两款塔架均按照290 t(不含塔架内附件)进行建模。

塔架模型参数如表3所示(因各款塔架的钢板数量较多，表中仅挑选部分钢板列出)。

表3 塔架模型参数

在BLADED软件中，求解得到的相同结构、不同底径的塔架固有频率数据如表4所示。

表4 相同结构、不同底径的塔架固有频率

由表4可知：4.5 m底径的塔架整机固有频率比4.3 m的略大。

塔架各截面极限载荷(Mxy)和等效疲劳载荷(My)计算结果如图所示(为便于视图，图中仅显示20 m高度内的载荷状态)。

根据图4对比上述几款塔架计算的实际载荷数值可以得到：极限载荷，4.5 m底径的塔架比4.3 m的小3%左右；而等效疲劳载荷较接近，4.5 m底径的塔架比4.3 m略小一点。

图4 第1种对比方式各款塔架的极限载荷和等效疲劳载荷

根据计算得到的载荷，利用第2节所述的校核内容计算塔架的强度、屈曲稳定性以及20年疲劳损伤，可以得到以下结论：(1)在塔架强度校核方面，4.5 m底径的塔架比4.3 m多8%～12%左右的余量；(2)在屈曲稳定性校核方面，4.5 m底径的塔架比4.3 m多5%～10%左右的余量；(3)在20年疲劳损伤校核方面，4.3 m底径塔架的损伤比4.5 m大0.15左右。

3.2 相同底径、不同结构的塔架计算

针对1.1节中的第2种对比方式，按照图2所示的4种塔架结构，笔者同样利用BLADED载荷仿真软件进行建模，并加载计算。

塔架均按照180 t(不含塔架内附件)进行建模，具体的4款塔架模型参数如表5所示。

表5 4款塔架模型参数

计算4款相同底径、不同结构的塔架固有频率如表6所示。

表6 相同底径、不同结构的塔架固有频率

由表6可知：编号2的塔架固有频率最大，编号3略小，编号4的塔架固有频率最小。

塔架各截面极限载荷(Mxy)和等效疲劳载荷(My)计算结果如图5所示(为便于视图，图中仅显示20 m高度内的载荷状态)。

图5 第2种对比方式各款塔架的极限载荷和等效疲劳载荷

根据图5对比上述4款塔架计算的实际载荷数据可知：(1)极限载荷，编号2最小，编号3与编号2非常接近，载荷折线图基本重合，但编号1比编号2大3%左右，编号4比编号2大10%左右；(2)等效疲劳载荷，从载荷折线图上看，各款塔架载荷比较接近，但从实际数据上比较，编号2的等效疲劳载荷最小，编号1和编号3与之非常接近，编号4比编号2大2%左右。

3.3 塔架轻量化验证及结果分析

在3.1节和3.2节的极限载荷、等效疲劳载荷基础上，笔者对8款塔架做最优化壁厚处理，即运用第2节塔架设计原则中的工程计算方法，并使其同时满足以下3个要求：强度余量>0，屈曲稳定性>5%，20年疲劳损伤<1。

最终得到8款塔架调整后的状态如表7所示。

表7 8款塔架调整后状态表

笔者通过工程算法对塔架重量优化后的结果进行分析，得到的结果表明：

(1)相同结构、不同底径的塔架，塔底直径越大，其塔架固有频率越高、各截面极限载荷和等效疲劳载荷越小、屈曲稳定性和疲劳损伤余量越大，塔架的设计可以更轻量化；

(2)相同底径、不同结构的塔架，在塔架设计允许的情况下，靠近塔底的直段数量越多(即保持各塔节尽可能多的大直径状态下)，其塔架固有频率越高、各截面极限载荷和等效疲劳载荷越小、屈曲稳定性和疲劳损伤余量越大，塔架的设计同样可以更轻量化。

4 结束语

本文基于塔架设计原则的相关计算理论，通过两种不同形式的对比方式展开了研究，构建了8款不同塔架模型；同时运用BLADED仿真软件和塔架工程算法，对所有塔架模型的固有频率、各截面载荷、屈曲和疲劳损伤等进行了对比计算，研究了不同塔架结构形式对风电机组塔架轻量化的影响。

研究结果表明：在塔架结构尺寸设计允许的情况下，塔架底部直径越大或靠近塔架底部的塔节直段数量越多，越有利于提高塔架的本体刚度、抗极限性能和抗疲劳性能，也就越有利于塔架的轻量化设计。