風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒門段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

石秉楠，錢華，劉麒祥，毛忠興，于雙江

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒門段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

石秉楠，錢華，劉麒祥，毛忠興，于雙江

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

文章提出了兩種新的塔筒門段結(jié)構(gòu)形式，一種是將門洞進(jìn)行整體鋼板切割，焊好門框后，再整體與塔筒段筒體焊接；另一種也是將門洞進(jìn)行整體鋼板切割，但取消門框，同時加厚門洞所在塔筒壁厚。兩種結(jié)構(gòu)靜強度分析均滿足設(shè)計要求，且塔筒段減重明顯，為塔筒門段結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，塔筒，門段，結(jié)構(gòu)設(shè)計

0　引言

塔筒門段結(jié)構(gòu)是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)的重要組成之一，是塔筒結(jié)構(gòu)的薄弱處［1］，是人員或設(shè)備進(jìn)出塔筒、機(jī)艙的主要通道。塔筒門段部分形狀不規(guī)則，且存在門洞的缺口效應(yīng)，應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，門段設(shè)計的好壞直接影響到塔筒結(jié)構(gòu)的可靠性，對整個塔筒的結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性影響較大［2-3］。目前大多數(shù)塔筒門段設(shè)計均是根據(jù)塔筒門洞的形狀，分別在底部塔筒段的兩相鄰?fù)补?jié)筒壁上切出半橢圓形，組對焊接后即出現(xiàn)門洞缺口，再將門框焊接在門洞缺口上進(jìn)行結(jié)構(gòu)補強［3］，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。但該結(jié)構(gòu)要求門洞所在的筒節(jié)壁厚較厚，且被切除的半橢圓形鋼板大多作為廢料處理，利用率不高。

圖1　常規(guī)塔筒門段結(jié)構(gòu)示意圖

為此，本文在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的前提下，對現(xiàn)有塔筒門段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了另外兩種塔筒門段結(jié)構(gòu)形式，以減輕塔筒重量，提高鋼板利用率和塔筒經(jīng)濟(jì)性。下面以某機(jī)組塔筒為例，分別進(jìn)行說明。

1　門洞整體切割成形后焊接門框，再整體與筒體焊接（結(jié)構(gòu)一）

塔筒門洞由兩相鄰?fù)补?jié)筒壁上切出橢圓形缺口，改為整體鋼板切割門洞，焊接好門框后，再與塔筒段筒體部分焊接，如圖2所示。

圖2　塔筒結(jié)構(gòu)示意圖（焊接方式改為整體鋼板焊接）

從結(jié)構(gòu)強度角度分析，焊接后焊縫強度不低于筒壁強度，門洞段作為一個整體，兩種焊接結(jié)構(gòu)在門洞極限強度分析中是一樣的，不對門洞靜強度結(jié)果產(chǎn)生影響。

門洞采用整體鋼板切割，再將鋼板四周與塔筒筒壁焊接的方式制造，將省去門洞中部位置的橫向焊縫，可避免因焊縫質(zhì)量問題引發(fā)的門洞強度降低。修改焊接方式后，門洞兩側(cè)的垂直焊縫與受力方向平行，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017—2003），可不做焊縫強度分析［5-6］。

根據(jù)修改后的焊接方式，保持門洞所在鋼板厚度，可減小門洞段非門洞側(cè)鋼板厚度（見圖3），壁厚由26 mm改為24 mm，下段塔筒筒體重量由42.86 t降低為41.92 t。

圖3　壁厚修改位置

在ANSYS Workbench中用四面體劃分網(wǎng)格模型，對門框處進(jìn)行網(wǎng)格加密，單元尺寸為40～80 mm，采用Solid185、Solid187類型的體網(wǎng)格。

塔筒底部全約束。在距離塔筒門段約1～2倍塔筒直徑處建立遠(yuǎn)程力，模型中塔筒法蘭頂部中心節(jié)點為控制點，法蘭上表面為控制面，在此處施加塔筒門段處各極限工況載荷。

采用ANSYS Workbench 14.0求解器，修改前后門洞靜強度結(jié)果如圖4～圖5所示。

壁厚修改后門洞最大應(yīng)力為229.57 MPa，小于材料的許用應(yīng)力304.5 MPa（材料Q345-E），滿足極限強度要求。

圖4　壁厚修改前的門洞應(yīng)力云圖

圖5　壁厚修改后的門洞應(yīng)力云圖

由上述分析可知，該結(jié)構(gòu)滿足極限強度的要求。由于塔筒門洞為整體切割，切割下來的鋼板可作為門板等其他結(jié)構(gòu)件使用。門洞所在筒節(jié)除門洞區(qū)域外的部分壁厚減薄，從而重量減少。因此，本結(jié)構(gòu)形式在鋼板選取及材料利用率上優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。

2　門洞整體切割成形（壁厚加厚），再整體與筒體焊接（結(jié)構(gòu)二）

塔筒門段整體切割下料，取消門框，見圖6。為提高門洞強度，門洞所在區(qū)域壁厚增大，其余區(qū)域壁厚在原有基礎(chǔ)上作適當(dāng)減薄，門洞加厚鋼板與筒壁相接處采用1:5的倒角進(jìn)行焊接坡口過渡。本文以門洞區(qū)域厚度增加到60 mm分析塔筒門洞極限強度。

圖6　塔筒結(jié)構(gòu)示意圖（無門框門洞）

計算分析過程同結(jié)構(gòu)一相同，靜強度分析結(jié)果如圖7所示，門洞附近最大應(yīng)力為275.18 MPa，小于材料的許用應(yīng)力304.5 MPa，安全裕度為10.6%。門洞結(jié)構(gòu)滿足極限強度要求。

圖7　門洞應(yīng)力云圖

由上述分析可知，該結(jié)構(gòu)滿足極限強度的要求。由于塔筒門洞為整體切割，材料利用率提高。取消塔筒門框，減少塔筒重量。在該基礎(chǔ)上，根據(jù)載荷情況，還可減小門洞段非門洞側(cè)鋼板厚度，實現(xiàn)對塔筒重量的進(jìn)一步優(yōu)化。

3　比較分析

本文提出的兩種結(jié)構(gòu)形式與原設(shè)計方案的對比如表1所示。

表1　分析結(jié)果對比

由表1對比可知，本文提出的兩種塔筒門段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案均滿足結(jié)構(gòu)強度要求。結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二的應(yīng)力大小與原設(shè)計方案偏差不大，其中，結(jié)構(gòu)一的應(yīng)力狀況、安全裕度、減重幅度均優(yōu)于結(jié)構(gòu)二。若按1萬元/噸計算，結(jié)構(gòu)一可節(jié)約約1萬元/臺，結(jié)構(gòu)二可節(jié)約約0.5萬元/臺，按一個標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)場計算結(jié)構(gòu)一可節(jié)約33萬元，結(jié)構(gòu)二可節(jié)約16.5萬元。

4　總結(jié)

本文對塔筒門段的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究，并提出了兩種優(yōu)化后的塔筒門段結(jié)構(gòu)，兩種新的結(jié)構(gòu)形式均采用門洞區(qū)域整體切割下料的方式，但其中一種帶有門框，另一種不帶門框。這兩種結(jié)構(gòu)形式均可提高板材的利用率，但對制造、加工水平要求較高。通過對門段筒體壁厚優(yōu)化，達(dá)到降低總量的目的，從而提高機(jī)組塔筒經(jīng)濟(jì)性。為機(jī)組塔筒設(shè)計提出了新思路和新方法。

［1］代魯平，白從凱，徐苾璇，等.大型風(fēng)電機(jī)組塔筒門洞的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計［J］.電力與能源，2014，35（2）：211-217.

［2］賀德馨，等.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［3］R Toriumi，H Katsuchi，N Furuya.A study on spatial correlation of natural wind［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2000，87（2）：203-216.

［4］任瑞杰，王林，麻磊，等.影響風(fēng)機(jī)塔筒門設(shè)計的主要因素［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2011，（6）：45-47，84.

［5］龍凱，吳繼秀，桑鵬飛.大型水平軸風(fēng)力機(jī)塔筒門洞屈曲分析研究［J］.現(xiàn)代電力，2013，30（1）：90-94.

［6］易權(quán)，蔡全，尚剛，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒門框段屈曲分析［J］.機(jī)械制造與自動化，2012，41（4）：212-214.

Structural Optimization Design of Wind Turbine Tower Door Segment

Shi Bingnan，Qian Hua，Liu Qixiang，Mao Zhongxing，Yu Shuangjiang
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper presents two new structures of tower door segment，one is the door hole overall plate cutting，post welds frames，and then the whole section of the column with the cylinder barrel is welded，the other is the whole plate cutting，but cancels the door frames，while the thickness of the tower wall is increased.Static strength analysis of the two programs meet the design requirement，and the weight of tower segment is decreased significantly.It provides a reference for structure design of the tower door segment.

wind turbine，tower，door segment，structure design

TK83

A

1674-9987（2016）03-0067-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.015

石秉楠（1984-），男，碩士研究生，工程師，2010年畢業(yè)于重慶大學(xué)機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械部件的設(shè)計工作。