风电塔筒在三种工况下的静动态研究

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机械 设 计与 制造Machinery Design & Manufacture第 10期2013年 10月风电塔筒在三种工况下的静动态研究张鹏林 ，曹 力1 7刘九逍 ，王延平 ，邓辉清1 7刘瑞君(1．兰卅l理工大学 有色金属合金及加工教育部重点实验室，甘肃 兰州 730050；2．甘肃省火电工程公司，甘肃 兰州 730070)摘 要：为了预防和监测风电塔筒发生倾倒和断裂，我们对风电塔筒做了静态和动态分析研究。通过FEA有限元分析方法，通过ANSYS12．0有限元软件我们模拟出了在实际环境中运行的风电塔筒有限元模型，从而很好地得到了风电塔筒在运行中受力薄弱点以及缺陷易发生的位置。进而，我们通过FEA方法分别研究了风电塔筒在三种．-z．~)LV=10．6m／s，25m／s，75m／s下的静态和动态状况。实例表明，我们得到了风电塔筒可以在三种工况下安全运行的条件，与此同时，也得到能够满足塔筒设计的应力应变需求。通过对2MW 69m的风电塔筒做静态和动态研究，静态研究表明塔筒最大位移偏移量出现在塔筒顶端，同时，最大应力出现在塔筒底部；另外，塔筒动态结果表明低阶频率是引起共振的主要原因，而高阶频率影响很小。总之，我们所研究的 2MW 69m风电塔筒满足设计和运行要求的前提下，可以做到故障早期发现和监 测。

关键词：风电塔筒；塔筒模型；有限元；位移；等效应力中图分类号：TH16；TK83 文献标识码：A 文章编号：100l一3997(2013)10—0200—03Research on W ind Turbine in the Three Conditions of Static and DynamicZHANG Peng-lin。，CAO Li ，LIU Jiu—xiao ，WANG Yan—ping ，DENG Hui-qing ，LIU Rui-jun(1．Key Laboratory of Nonferrous Aloys and Processing，Lanzhou University of Technology，Gansu Lanzhou 730050，China；2．Gansu Thermal Power Engineering Corpration，Gansu Lanzhou 730070，China)Abstract：In order to prevent a phenomenon of wind tower turbine’S dumping and fracturing On working conditions，it haddone the static and dynamic analysis for wind power towe~By introducing FEA (Finite Element Analysis)me thods andsimulating at：tual working conditions on the computer based on the finite element model，FEA methods Can rationally solvethe phenomenon above．And then，it had made the staic and dynam ic research for wind tower turbine on three workingconditions (V=IO．6m／s，25m／s，75m／s)．Empirical results show that wind power tower turbine van run safely on three workingconditions and meet the strength and stiffness requirements ofdesignment at the soin~time．By making staic and dynamicanalysis for the 2MW 69m wind tower turbine，the static results show that the maximum displacement occurs at the top ofthetower underthe same loads andthe maximum stress OCCurs at the tower cylind er roots．In addition，the dynamic results showthat the lower modes'frequency are dominant；however，the contribution ofhigher modes’ quency is very small In short，the 2MW 69m wind tower turbine me t the designing and running requireme nts.

Key W ords：W ind Turbine Towers；Tower Model；FEA；Displacement；Equivalent Stress1引言随着我国风电事业的大力发展，风电事故屡见不鲜，风电在运行中出现了诸如塔 徊l、断裂等事故。塔简造价昂贵，是风力发电机组的主要承载结构，尤其是目前兆瓦级的风电机组，其高度都在几十米以上 ，大型水平轴风力机塔筒多采用锥筒式塔筒口，由于其检测、检修难度大、成本高，从而对其早起的故障分析尤为重要，—个能够投入运行的风电塔筒，不仅要保证整机的动力稳定性，即塔筒设计不仅要满足空气动力学的要求，而且在结构、工艺、成本、使用等方面进行综合分析日，风力机组在运行时，塔筒受力状况极为复杂，大致可将其载荷归纳为风载荷、机组自重以及有机组重心偏移引起的失效的情况较少见，但因其顶端位移偏移过大，引起机组强烈共振，最终导致机组不能正常运行的事故较多l引，因而对在役风电塔筒进行各种载荷下项研究内容。有限元理论和方法在风力机结构设计中的成功应用日，对这一问题的都得到了有效的解决。借助于有限元方法对塔筒进行静态研究和模态分析，可以比较精确地计算出不同工况下各种载荷作用的塔筒位移、应力状况及固有频率171。通过对计算数据进行POST26后处理，可以比较准确直观描述出塔筒的位移、应力情况，为进一步对塔筒进行优化设计提供依据。就是借助于ANSYS12．0有限元软件，对 2MW 69m风力机塔筒在三种工况条件下，进行静弯矩等 ，在这些载荷对在役风电塔筒的综合作用下，塔筒因疲劳而 强度分析和模态分析，从而为风力来稿日期：2012—12—14基金项目：甘肃省教育厅研究生导师基金项目(1001ZTC086)；兰州理工大学博士基金(0901ZXC112)作者简介：张鹏林，(1973一)，男，副教授，博士，主要研究方向：焊接工艺及设备、无损检测工艺及设备第 1O期 张鹏林等：风电塔筒在三种工况下的静动态研究 2012试验概况2．1试件参数计算采用的有限元模型风电塔简是由东汽生产的2MW风电塔筒．其塔高为69m，塔底和塔顶直径分别为4m和 2．955m。塔筒分为i段．第一段塔高为 I8．95m，第二段塔高为22 65m，第l一段塔高为 27．40m。沿高度方向塔筒壁厚是变化的，最小壁厚为16mm，最大壁厚为 25mm，塔简本身材料采用 Q345E钢材，弹性模量 E=2．1xl0”N／m ，泊松比／z=0．3，密度p=7850kg／m ，屈服强度tro~=345MPa，塔筒顶端的机舱 、轮毂和叶片的总重量为 1 15．26t。

F段 f1段 顶段图 1塔筒结构示意图(单位：mm)Fig．1 Sketch of the Tower Structure (unit：mm)2．2 加载方案有限元分析首先要将实际运行中的风电塔筒描述为相应的数学模型，分析必须针对一个物理原型建立准确的塔简有限元模型。

塔筒有限元模型是通过节点 、单元、材料属性、实常数、边界条件等来表征物理原型的H。风电塔筒出塔筒本身外，还有一些其他附属设备，如平台、爬梯、通风口、门洞等。分析计算时，对塔筒几何模型适当简化，简化原则是在保证计算精度的前提下，对一些与塔筒静态强度无关或者承受载荷情况并不关键的部位做简化，以提高计算速度 在有限元软件ANSYS12．0中建立模型，并进行网格划分，单元类型为SHELL93壳单元，塔筒有限元模型共有节点 22976个单元，单元尺寸为400ram，建立的塔筒三维有限元模型，如图2所示。

r t图2塔筒有限元模型Fig．2 The Finite Element Model of Tower对于塔筒筒体而言，为简化计算，可将塔筒视为悬臂梁，外部载荷施加在塔筒顶部，距离基础面的高度为 ，其中需要考虑的载荷可大致归纳为四个：塔筒顶端的重力(G)、横向力(P)、弯矩(M)和沿其高度方向迎风面作用的风载荷 (q)。其中：重力G=mg(m=1．1526~10 kg；g=9．8m／S )；弯矩 M=Ph。一Gh2(h 为轮毂中心线到塔筒顶端的距离 ； 为集中重量亘蝴 离塔筒中心的距离／n1)；塔筒简体的风 计算公式 H：， )．5C V (P—塔简简体上风／tqPa；c 一简体绕流阻力系常墩 0．7；p一 气密度／kg．m。，取p：1．205Kg．m ；为风速／丌1．s )；沿塔筒l岛度方向 f 作J}】的均布力 q：F／A (F-0．5C，JpI ； =0．5s； 一塔筒表面积，S=~xDxL；，)_一塔简外径；，J一J要；s=s J+s2+s3=rrD1LI+rrD2L2+'n-D o3试验结果分析3．1静态结果模型加载后 ，在地基处塔筒底面施加全约束，进行静强度计算，计算结果包括在一种 I 况载荷下即 =10．6m／s， ?{=25m／s，V =75m／s下塔筒 y方向的位移偏移量，如图 3所示。

图3 l，方向位移偏移量(V=10．6m／s，25trds，75rds)Fig．3 The Y Direction Displacement(V=10．6m／s，25m／s，75m／s)3-2动态结果在风电塔筒在役运行当中，风机的共振是引起风电倒塌事故的重要原因，也是我们在预防风电倒塌以及安全运行评估当中参考的重要因素，通过查阅大量文献以及跟国内风机制造商、风电场的实地考察得出，在风力机塔筒的结构动力响应中，低阶模态占主要地位，高阶模态对响应的贡献很小，阶数越高，其贡献越小{ 。而且，由于结构有阻尼作用，响应ffJ的高阶部分衰减也很快，故对高阶模态可以忽略不计。根据』：述特点，对塔筒有限元模型底端施加全约束，可以计算 2MW69m风机塔筒前 阶固有频率，如表 1所示。

表 1频率与阶数的关系Tab．1 The Relationship Between Frequencies and Order因此在上述三阶频率下的风电塔简振动模型，如图4所示。

图4{阶频率下的塔筒振动模型Fig．4 The Vibratio~1 Mode On Three Order Frequencies202 机械 设 计 与制 造No．100ct．2O134结论对2MW 69m风电塔筒进行静强度计算和动态谐响应计算，同时得到了理想的试验数据，并试验数据进行了分析，得出以下结论：(1)对三种T况下的静态强度计算结果表明，塔简的最大位移发生在塔筒的顶端，并且随高度的增加而增加 ，且呈规则的抛物线分布，与常规计算结果一致；塔筒的最大合应力出现在塔筒根部，且随着高度的增加总体是下降的，但变化不规则，存在明显的突跳 ，这不仅是因为不同高度处塔筒的筒径，厚度不同，更重要的是由于各段不同厚度的简体焊接时存在应力集中；为了增加简体的刚度，且降低焊缝处的应力，不同厚度的简体焊接时，过渡区域应尽量光滑平滑。并且对于本试验所采用 的塔筒壁厚为25ram，材料为 Q345E，其计算结果在满足材料的强度要求，应加强对风电塔简应力集中部位以及受力薄弱部位加强监测。(2)对于研究的 2MW 69m风机而言 ，其转速为(10．6—22．5)r／min，相对应工作频率分别为0．177Hz和0．375Hz。因为风轮有三个叶片，并且每个叶片旋转到底端时都对塔筒进行一次激励，因此，在风力发电组设计中就要使系统的低阶同有频率避开风轮旋转频率的1倍频率和3倍频率，Hfl(o．177-43．531)Hz和(0．375～1．125)Hz两个区间。所以一般要求频率避开±10％左右。由表 1可知，该塔筒的一阶固有频率 、二阶固有频率、 阶同有频率分别为 0．90462Hz，0．91390Hz，4．3753Hz。冈此 风轮 的转 速分 别 为 54．28r／min，54．834dmin，262．518dmin，当风轮转速达到这三个值时，才和系统发生共振 ，而风力发电机组的T作的最大转速为 22．5r／rain，不可能达到那么高的转速，因此塔筒本身不与叶片发生共振，塔简在役运行安全可靠，满足塔简稳态设计要求，但是塔筒振动引起的应力集中主要在塔筒顶端，所以对其应加强实时监测。

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