风力发电机塔段法兰防变形研究

□ 李勇芝 □ 周眉宏

上海电气风电集团股份有限公司 上海 200030

1 研究背景

风能是可再生能源之一,使用清洁,环境效益好。风力发电机在陆上和海上都能建设,占地面积小。风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时,可以有效缓解空气污染、全球变暖等问题。

我国风力发电机装机容量逐年增大,根据资料显示,2019年新增并网装机容量为26.8 GW,2020年新增并网装机容量为71.67 GW。随着风力发电机装机容量的增大,单机容量也在逐步增大。2019年陆上风力发电机市场主流机型为3.X系列,到2020年则为4.X和5.X系列。2019年海上风力发电机主流机型为4.X系列,到2020年则为6.X和8.X系列。

随着风力发电机机组容量的增大,风力发电机塔架质量也在增大。风力发电机塔架为便于生产、运输、吊装,通常分为若干塔段,每个塔段两端布置法兰。塔段运输至现场后,再组合为风力发电机塔架。在风力发电发展早期,风力发电机塔架高度较低,载荷较小,塔段直径一般为4 300 mm左右,单段质量一般在40 t以内,两端法兰正常情况下不会出现变形。随着风力发电机单机容量的增大和风力发电平价时代的到来,风力发电机塔段板厚越来越薄,直径越来越大,目前比较常见的海上风力发电机机型,塔架直径为6 500 mm,塔段质量已经达到100 t,在存储、运输过程中,两端法兰出现明显椭圆变形。笔者结合实际项目情况,通过ANSYS有限元分析软件分析风力发电机塔段法兰的变形,提出相应的改进措施,以确保塔段在生产、存储、运输过程不出现变形,不影响现场吊装。

2 塔段概述

塔段在黑塔车间完成焊接,在白塔车间完成内外表面喷漆,转入内装车间进行内饰件安装。安装内饰件时,如图1所示,油漆后的塔段两端需要放置在滚轮架上,沿圆周转动,以便顺利安装内饰件。受限于滚轮架的数量,在内饰件安装完成后,需要在塔段两端的法兰上增加托架支撑,以避免塔段与地面接触,损坏油漆。然后将塔段放置在合适位置,等待运输至现场吊装。塔段现场吊装如图2所示。

图1 塔段放置于滚轮架上

图2 塔段现场吊装

3 塔段法兰防变形措施

塔段法兰变形的主要原因为塔段自身的重力。塔段发生弹性变形,使端面法兰长轴大于理论尺寸,短轴小于理论尺寸。将塔段运输到安装位置后,将塔段竖立,短时间内两端法兰很难恢复到理论尺寸,这样会导致塔段之间对接出现错位,不能安装法兰之间的高强度紧固件。对此,需要在塔段存储、运输时在法兰两端增加防变形措施,以便于在现场能顺利安装高强度紧固件。

进行市场调研,为防止塔段两端法兰在塔段存储和运输过程中变形,所采用的防变形措施主要是槽钢组合支撑,一般有三字支撑结构、米字支撑结构、一字支撑结构三种,依次如图3、图4、图5所示。

图3 三字支撑结构

图4 米字支撑结构

目前的塔段法兰防变形措施主要是基于实践经验提出,往往针对小容量风力发电机组。随着风力发电机单机容量越来越大,风力发电机塔架直径越来越大,为使塔段法兰防变形措施效果更好,统一塔段法兰防变形结构,方便供应商备货与安装,笔者进行了有限元分析,确定合理的塔段法兰防变形结构。

图5 一字支撑结构

4 有限元分析

塔段生产完成后至在现场吊装前,一般会经历两种工况。工况一是存储过程中的带托架支撑工况,如图6所示。工况二是转运过程中的吊起工况,如图7所示,吊点在法兰内侧,图中仅体现法兰,其余隐去。进行有限元分析时,风力发电机塔架直径为6 500 mm,塔段质量为100 t。

图6 工况一

图7 工况二

采用Unigraphics软件进行全实体建模,放置和吊起对象均为单段塔段。考虑有三种塔段法兰防变形结构,为方便后处理,不重复设置接触和划分网格,将各种塔段法兰防变形结构均建立在模型中,分析时激活相应的塔段法兰防变形结构即可。另一方面,在建模时托架与法兰小面积接触,分析工况二时抑制托架即可。

采用ANSYS有限元软件,模型中塔段、法兰,以及塔段法兰防变形结构的材料均采用结构钢,材料密度为7 890 kg/m3,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.269,抗拉屈服强度为250 MPa,抗拉极限强度为460 MPa。

以三字支撑结构为例,将塔段与法兰绑定为一个单元,上下法兰均切割为两个实体,一个为吊点实体,一个为非吊点实体,并假设塔段与法兰之间的接触为绑定。分析时,并不重点关注环向焊缝强度,因此以上假设是合理的。此外,塔段法兰防变形结构分别与相关法兰孔接触。

正确合理的网格划分对求解结果精度与计算规模有很大影响,为了保证有限元分析的准确性,同时为避免在划分网格时出现畸形单元,采用Automatic和Sweep网格划分方法,这两种方法的优点是易于控制网格。对于规则几何体,如塔段和法兰吊点实体,采用Sweep网格划分方法,可以得到较好的规则六面体单元网格,提高仿真结果的收敛性和计算精度,减少计算求解时间。其它结构均不是规则几何体,采用Automatic网格划分方法即可。通过三次网格细化后,应力分析结果的误差在2%左右,在工程允许误差范围内。网格划分后查看网格统计,单元总数为34 537,节点总数为175 886。网格划分如图8所示。

图8 网格划分

重力安全因数为1.3。实际起吊缓慢,可设为匀速。对于工况二,仅在吊点实体内侧施加固定约束即可。对于工况一,在托架底部施加固定约束,需注意托架圆弧面与法兰圆弧面不是完全面接触,而是线接触。不采取塔段法兰防变形措施,有限元分析结果如图9、图10所示。横向变形关于塔段中心对称,可以验证模型的正确性。工况一下变形为32.4 mm,工况二下变形为46.5 mm,对于风力发电机塔架直径6 500 mm而言,采取塔段法兰防变形措施是必要的。

图9 不采取塔段法兰防变形措施工况一有限元分析结果

图10 不采取塔段法兰防变形措施工况二有限元分析结果

采用三字支撑结构,有限元分析结果如图11、图12所示。采用米字支撑结构,有限元分析结果如图13、图14所示。采用一字支撑结构,有限元分析结果如图15、图16所示。

图11 三字支撑结构工况一有限元分析结果

图12 三字支撑结构工况二有限元分析结果

图13 米字支撑结构工况一有限元分析结果

图14 米字支撑结构工况二有限元分析结果

图15 一字支撑结构工况一有限元分析结果

图16 一字支撑结构工况二有限元分析结果

对三字支撑结构、米字支撑结构、一字支撑结构的有限元分析结果进行汇总,见表1。

表1 有限元分析结果

5 结束语

风力发电有着广阔的发展前景。当前,风力发电机单机容量越来越大,风力发电机塔架直径也越来越大,并且塔段质量增大。为保证现场吊装时高强度紧固件能顺利安装,笔者对风力发电机塔段法兰防变形措施和防变形结构进行研究。有限元分析结果表明,当风力发电机塔架直径为6 500 mm,塔段质量为100 t时,采用三字支撑结构,塔段法兰防变形效果最好。