風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合研究

1、1風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合研究和荷載組合研究趙文濤曹平周陳建鋒(河海大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210098)(CollegeofCivilEngineeringHohaiUniversityNanjing210098)[摘要]目前我國相關(guān)規(guī)范和規(guī)程尚沒有對風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒給出具體的荷載計算方法。本文分析研究了風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點，總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合。對水平氣動載荷公式進(jìn)

2、行修正，提出修正系數(shù)0.4，并對某MW級風(fēng)力發(fā)電塔筒的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析，提出塔筒設(shè)計時可變荷載中的第一可變荷載和最不利工況。[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電；鋼塔筒；荷載；有限單元法ABSTRACT：AtpresenttherearenospecificloadcalculationmethodsaboutwindturbinetowerinChinesestards.Inthispaperitwasanalyzedsummarizedabo

3、utloadacterloadcalculationmethodsloadscombination.Thepaperproposescrectioncoefficient0.4whileaerodynamicloadequationwascrected.AfterfiniteelementanalysisofoneMWwindturbinetowerthepaperproposesthefirstvariableloadthewstlo

4、adcaseaboutthedesignofwindturbinetower.KEYWDS：windturbinesteeltowerloadfiniteelementmethod引言風(fēng)能作為一種綠色能源，得到世界各國的重視和開發(fā)利用。塔筒作為風(fēng)力發(fā)電機和葉輪的支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性是確保風(fēng)力發(fā)電機組正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素之一。塔筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計，首先要涉及到荷載作用。除了自身的重力外，塔筒還要受到風(fēng)輪和機艙的重力作用以及作用在塔身上的風(fēng)

5、荷載，另外還要受到通過風(fēng)輪作用在塔筒頂端的氣動荷載、偏轉(zhuǎn)力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒所受荷載具有特殊性，目前我國還沒有統(tǒng)一的風(fēng)力發(fā)電塔筒承受作用計算方法，已建塔架考慮所受荷載采用的計算公式差別較大。本文分析風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點，結(jié)合相關(guān)研究成果，總結(jié)系統(tǒng)的塔筒荷載作用類型和計算方法以及荷載組合方式。對某MW級風(fēng)力發(fā)電塔筒的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析，提出塔筒設(shè)計時可變荷載中的第一可變荷載和最不利工況。1風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點與荷載計算方

6、法風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點與荷載計算方法1.1風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點風(fēng)力發(fā)電塔筒的荷載特點風(fēng)力發(fā)電塔筒屬于自立式高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載通常是引起結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和振動的主要因素，起控制作用。風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展方向是容量增大，隨之風(fēng)輪直徑加大，塔架高度增加，導(dǎo)致作用在塔身上的風(fēng)荷載增大。研究表明，由風(fēng)壓增大造成的荷載增加要小于塔高增加引起擋風(fēng)面積的增加而引起的荷載增加[1]。除了塔身受到風(fēng)荷載作用，塔筒頂端還受到風(fēng)輪和機艙傳來的多種力和力矩作用。在風(fēng)輪

7、運行過程中，風(fēng)輪將作用在其掃掠面上的氣動荷載以及自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳給塔架。由于風(fēng)輪直徑較大，可達(dá)70m作用在風(fēng)輪掃掠面積上端的風(fēng)速不同于下端的風(fēng)速，這種風(fēng)速分布的不均勻性以及風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力、偏轉(zhuǎn)力矩及俯仰力矩。由于旋轉(zhuǎn)著的風(fēng)輪能夠隨著風(fēng)向的改變自動調(diào)節(jié)迎風(fēng)方向，即風(fēng)輪會繞著塔筒軸線轉(zhuǎn)動，因此塔筒還受到陀螺力和陀螺力矩的作用。現(xiàn)代風(fēng)機功率較大，塔筒高度較高，作用在塔壁上的風(fēng)荷載沿塔高有較大變化。通過風(fēng)輪和機艙傳遞給塔筒的荷載可以簡化

8、為沿三個坐標(biāo)軸方向的集中力和力矩。風(fēng)力發(fā)電塔3類時，根據(jù)文獻(xiàn)[2]查得=；為第一振型系數(shù)，對于風(fēng)電塔筒應(yīng)按彎曲型1?vB0.885??z?考慮，采用下式計算:??22344z643zHzHzH????（4）1.3作用于塔頂?shù)暮奢d作用于塔頂?shù)暮奢d在風(fēng)輪運行過程中以及由于風(fēng)速超出切出風(fēng)速而停機時，風(fēng)輪和機艙都將由風(fēng)荷載和自身運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的集中力和力矩傳遞給塔筒。由于風(fēng)輪在不同的風(fēng)速工況下旋轉(zhuǎn)的速度不同，風(fēng)輪和機艙傳遞給塔筒的荷載不同。因此，作

9、用于塔筒頂端的荷載效應(yīng)應(yīng)分額定風(fēng)速、切出風(fēng)速和極限風(fēng)速三種工況計算。1.3.1額定風(fēng)速工況荷載風(fēng)力發(fā)電塔筒在額定風(fēng)速作用下受到下列荷載作用：⑴氣動荷載風(fēng)輪正常工作時，作用于風(fēng)輪掃掠面上的氣動荷載用下式計算[4]：x1F22x1ppFCVR??（5）式中，為風(fēng)能利用系數(shù)；為額定風(fēng)速（ms）；為風(fēng)輪半徑（m）。pCpVR⑵垂直力由風(fēng)輪和機艙的質(zhì)量引起的垂直力用下式計算[5]：yFyFmg?（6）式中，為風(fēng)輪和機艙的質(zhì)量之和（kg）。m⑶偏轉(zhuǎn)

10、力由于風(fēng)向變化引起的偏轉(zhuǎn)力用下式計算[5]：zFzxcossinFF???（7）式中，為風(fēng)速與風(fēng)輪軸線間的夾角（）。?⑷轉(zhuǎn)矩可用下式計算[6]：xMx9550MPn??（8）式中，為風(fēng)機功率（kw）；為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（rpm）；為機械效率。Pn?⑸偏轉(zhuǎn)力矩可按下式計算[5]：y1M22y1p4sincos9MVRe?????（9）式中，為風(fēng)輪中心與塔筒軸線間距離（m）。e⑹俯仰力矩由于風(fēng)速分布不均勻而產(chǎn)生的俯仰力矩用下式計算[5]：z1M??