风力发电机组塔筒螺栓断裂对结构的影响分析

2021-11-22欧阳儒贤胡良明向凯黄昊

可再生能源 2021年11期

欧阳儒贤，胡良明，向凯，黄昊

（1.郑州大学，河南郑州 450000；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450046；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

近年来，我国风力发电行业发展迅速，总装机容量多年来位居世界第一。随着对风机单机功率需求的增大，风机的规模也越来越大，因此对风机安全运行的要求也越来越高。目前，MW级的风机塔架高度已经超过100 m，塔架一般由多段塔筒通过法兰-螺栓相连，并施加一定的螺栓预紧力，以维持其刚度和整体性。在长期的风荷载交变作用下，螺栓会产生松动并损失预紧力，预紧力的降低又会加剧疲劳损伤导致螺栓断裂，引起倒塔事故[1]。目前，检测螺栓的方法大多是通过人工定期检查，但螺栓数量众多且不易检测，因此，需要一种方便观测且有效的指标来判断螺栓工作情况。已有不少学者研究了螺栓损伤对结构的影响。瞿伟廉[2]基于共轭梯度法，将杆截面刚度折减等效为螺栓损伤，建立了等效模型，证明了螺栓松动会引起刚度折减。殷越[3]研究了机匣结构的螺栓联接部分的拉伸刚度与预紧力、内压载荷之间的关系，并通过固有频率来间接表示。邵俊[4]以刚性机匣为模型，研究不同预紧力作用下频率的变化，结果表明预紧力会使模型固有频率增大，且对各阶频率影响程度不同。陈凯[5]经过简化建立了风机弹簧-梁模型，并对其进行了动力分析，发现只有在螺栓大面积松动或断裂时，才会导致塔筒频率明显降低。

以上研究均为简化或局部模型，虽然提高了模型的计算速度，但未对塔筒关键部位法兰等位置的受力情况进行深入探究。为此本文基于ABAQUS有限元软件，采用C3D8R实体单元建立风力机塔筒精细化计算模型，对其进行静力及模态分析，研究螺栓断裂对塔架结构影响的规律，为今后在实际工程中判断螺栓的工作性态提供了参考。

1 计算模型

1.1 几何参数及材料参数

风力机塔筒结构如图1所示。

图1 风力机塔筒组结构图Fig.1 Wind turbine structure

塔架形式为锥形塔筒结构，材料为Q345E钢材，总高度为81.86 m，塔筒自重为156.8 t，机舱、轮毂及叶片总重为127 t。塔底直径为4.2 m，塔顶直径为3 m，最大壁厚为34 mm，最小壁厚为20 mm，分为4段，由上至下分别定义为A，B，C和D段。

每段塔筒之间由法兰-螺栓相连，并给螺栓施加一定预紧力，法兰由下至上分别定义为FL1，FL2和FL3，每层法兰分布的螺栓分别为98，96根和102根，螺栓规格为10.9级，材料为42CrMo。各材料参数见表1。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

1.2 有限元建模

基于ABAQUS有限元软件建立风力机塔筒计算模型，模型整体采用C3D8R实体单元。借鉴文献[6]～[8]的建模及接触设置方法，对模型做出一定简化，具体操作为省略内部附属设备和门洞结构。将机舱与叶片以质量点RP-1代替，设置在塔顶中心位置，并与塔筒顶部耦合接触。建立简化混凝土基础模型，并与塔筒绑定接触，基础底部视为完全固结。将螺栓和螺母分开建模，忽略其螺纹结构，把六边形螺母、螺帽简化为圆形，螺母与螺栓之间施加绑定约束tie，各段塔筒法兰-法兰以及法兰-螺栓之间均设为摩擦接触，并设置为小滑移。整体模型划分为六面体网格，塔筒整体模型及模型局部细节如图2所示。

图2 塔筒整体模型及模型局部细节Fig.2 Overall model and local details of tower drum

1.3 荷载施加

风力发电机组主要受3种外力，分别为叶片和塔身所受的风荷载、螺栓预紧力和自身重力荷载。本次模拟塔筒在暴风风速为40 m/s时的停机状态，模型荷载施加情况如图3所示。

图3 塔筒施加荷载示意图Fig.3 Diagram of tower loads

根据《结构风压和风振计算》[9]计算风荷载，将塔顶气动力Fxy以集中力的形式施加于塔顶质量点上，塔身风荷载ωk以面压力的形式施加于塔筒的迎风侧。

式中：Ab为风机桨叶的投影面积；CT为推力系数，通常取1.6；n为风机叶片的数目，该风机叶片数为3；ρ为空气密度，取1.08 kg/m3；V为暴风风速。

式中：βz为z高度处的风振系数；μz为风压高度变化系数；μs为风荷载体型系数；ω0为基本风压，约取600 N/m2。

因螺栓数量较多，采用降温法施加螺栓预紧力[10]，其原理为通过螺栓降温使螺栓产生收缩变形，当收缩受到法兰的阻碍时，就会产生内部拉力，即预紧力。螺栓所受的温度荷载为

式中：Q0为螺栓预紧力；α为螺栓材料的线膨胀系数；E为螺栓材料的弹性模量；A为螺栓的截面面积。

1.4 计算工况

为研究螺栓断裂对风机的影响，探究了多种工况下的塔筒应力、位移及频率。

①螺栓断裂只出现在FL1主风向一侧，且断裂比例分别为5%，10%，15%和20%。

②螺栓断裂只出现在FL2主风向一侧，且断裂比例分别为5%，10%，15%和20%。

同时对比分析了在螺栓未受损伤情况下的风机静动态响应。共拟定9种工况，各工况以代号表示，如表2所示。

表2 模拟方案Table 2 Simulation scheme

2 计算结果分析

2.1 塔架应力与位移分析

由ABAQUS有限元软件计算得到塔筒应力云图和位移云图（图4，5）。

图4 塔筒应力云图Fig.4 Nephogram of tower stress

由图4可知，在D0工况时，塔筒迎风侧应力水平略大于背风侧，且随高度的增加而减小。在塔筒连接处，法兰部分应力水平会明显大于周围塔壁应力，塔筒最大等效应力值（222.6 MPa）出现在塔筒根部位置。塔筒材料Q345E钢材屈服强度为345 MPa，考虑材料安全系数，许用应力[σ]=230 MPa，塔筒最大等效应力小于塔筒许用应力，因此塔筒是安全的。由图5可知，塔筒位移随着高度的增加而增加，最大值为73.66 cm。根据《高耸结构设计规范》[11]中的规定，结构最大位移限值为塔架高度的1/75，因此塔架满足设计要求。

图5 塔筒位移云图Fig.5 Nephogram of tower displacement

各工况下法兰盘局部应力云图如图6，7所示。

图6 各工况下FL1局部应力云图Fig.6 Nephogram of FL1 local stress under various working conditions

由图6和图7可知：当FL1和FL2处螺栓断裂时，断裂螺栓处的法兰均出现应力集中现象，应力值远超过塔筒材料允许应力值，这是由于螺栓断裂导致法兰处发生不协调变形，法兰位置会比塔筒壁先进入屈服状态；当螺栓断裂比例相同，FL1处螺栓断裂时，法兰及筒壁的应力水平明显大于FL2处；当FL2处螺栓断裂比例达到15%时，法兰处最大应力值才会超过其材料允许应力值；FL1处螺栓断裂比例为10%时，法兰最大应力值就达到了材料的屈服强度345 MPa。因此，在螺栓发生断裂后应及时维护，避免损伤进一步扩大。

图7 各工况下FL2局部应力云图Fig.7 Nephogram of FL2 local stress under various working conditions

塔顶变化率ai为

式中：U0为D0工况下塔顶位移；Ui，j为塔筒顶部位移，i为螺栓断裂位置，i=1，2，j为螺栓断裂比例，j=0，5%，10%，15%，20%。

各工况下塔筒的最大位移均出现在塔筒顶部，各工况下塔顶位移值及变化率a如表3所示。由表3可知：随着螺栓断裂比例增加，塔顶位移也在增加，并且FL1处螺栓断裂比FL2处螺栓断裂对塔筒位移影响大；工况D1-15的塔筒位移增量为7.2%，工况D1-20的塔筒位移增量更是达到了18.5%，随着断裂比例增加，位移增量也逐渐增大。可见螺栓断裂对塔顶位移有显著影响，因此可作为观测指标来判定螺栓的断裂情况。

表3 塔顶位移值Table 3 Tower top displacement value

2.2 模态分析

由于塔筒受低阶频率的影响较大，因此本次取前三阶频率进行分析，由ABAQUS有限元软件计算得到的风机各阶频率如表4所示。

表4 各工况塔筒频率Table 4 Tower frequency under various working conditionsHz

由表4可知：风机的各阶频率均随着螺栓断裂比例增大而减小，且在螺栓断裂比例相同情况下，FL1处螺栓断裂造成频率下降的幅值更大；在工况D1-20，风机的一阶频率为0.298 07 Hz，处于风轮旋转频率f的±10%内，有引起风电塔共振的危险。因此，螺栓断裂比例增大前应及时修理，以避免造成更大的危害。

当风机未受损伤时，一阶频率f1，0为0.308 21 Hz，根据文献[12]中经验公式计算得到该风机的一阶频率为0.319 Hz，误差仅为3%，模拟结果与计算结果相近，说明该模型具有较高的准确性。该风机工作额定转速为16.5 r/min，则风轮旋转频率fa为0.275 Hz，叶片通过频率fb为0.825 Hz，塔架的固有频率要求在±10%内避开这两个值。风机的一阶频率正好避开fa与fb的±10%，因此结构是安全的。

令βi=fi，0/fi，j-1，fi，j为固有频率，i为风机固有频率的阶数（i=1，2，3），j表示螺栓断裂比例（j=0，5%，10%，15%，20%）。变化率β与FL1，FL2处螺栓断裂比例的关系如图8所示。由图可知：螺栓断裂比例对风机一阶频率的影响较大，对二、三阶频率的影响不大，二、三阶频率的变化率一直保持在1%以内；FL1位置处的螺栓断裂对频率的影响更大，当螺栓断裂比例为20%时，一阶频率相比正常状态下降低了0.01 Hz。因此，可以通过塔筒的一阶固有频率的变化来反映螺栓的断裂程度。