基于扇區(qū)載荷的風(fēng)電機(jī)組塔筒焊縫疲勞強(qiáng)度分析

劉建爽 李鋼強(qiáng) 劉祥銀 田家彬

隨著我國(guó)風(fēng)電競(jìng)價(jià)上網(wǎng)和平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的到來，塔架作為風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，具有生產(chǎn)周期短、可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)載荷定制化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，一直以來都是風(fēng)電行業(yè)研究的重點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)型式主要有圓筒式、桁架式等，按照材料類型又可分為純鋼式、混凝土式等。其中，鋼制圓筒式塔架作為主流技術(shù)被國(guó)內(nèi)外風(fēng)電企業(yè)大量采用。近年來，各地風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)的風(fēng)電機(jī)組倒塌事故主要是由結(jié)構(gòu)疲勞引起斷裂破壞導(dǎo)致的，因此，疲勞特性分析是塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)。

鋼制塔筒通過多個(gè)筒節(jié)焊接而成，焊縫的厚度直接影響塔筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和重量。由于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分布具有時(shí)空變化的特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)一般采用主動(dòng)偏航對(duì)風(fēng)控制以達(dá)到捕捉更多風(fēng)能的目的，然而這種方式導(dǎo)致塔筒在不同偏航扇區(qū)內(nèi)承受的載荷不同。為了更精細(xì)地評(píng)估塔筒焊縫的疲勞強(qiáng)度，有必要考慮由于偏航對(duì)風(fēng)引起的不同扇區(qū)載荷對(duì)塔筒焊縫疲勞強(qiáng)度的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用工程算法和有限元法等對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒進(jìn)行研究。例如，使用DIN18800-4中關(guān)于應(yīng)力計(jì)算的工程算法推導(dǎo)塔筒焊縫等效疲勞損傷計(jì)算公式，提出了等效疲勞損傷和時(shí)序疲勞損傷兩種計(jì)算方法；采用有限元法對(duì)組合式塔筒的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行改進(jìn)分析，獲得了最佳的過渡段設(shè)計(jì)方案；基于ABAQUS協(xié)同仿真平臺(tái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行流固耦合分析，獲得了塔筒的內(nèi)力和變形。綜合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，還未發(fā)現(xiàn)考慮風(fēng)電場(chǎng)扇區(qū)載荷影響的塔筒焊縫疲勞強(qiáng)度分析方面的研究。

本文對(duì)處于運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)電機(jī)組塔筒所承受的扇區(qū)湍流和載荷特性進(jìn)行了詳細(xì)闡述，推導(dǎo)了塔筒相同高度橫截面上不同焊縫點(diǎn)受扇區(qū)載荷作用下的彎曲正應(yīng)力計(jì)算方法，并結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法和塔筒焊縫S-N曲線，以某2.5MW風(fēng)電機(jī)組塔筒為例，獲得了分別考慮扇區(qū)和等效湍流強(qiáng)度的塔筒焊縫疲勞損傷。本文的研究可為風(fēng)電機(jī)組塔筒焊縫疲勞設(shè)計(jì)提供一定參考。

扇區(qū)風(fēng)況分析

等效湍流強(qiáng)度為風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算時(shí)通常采用的數(shù)值，但從上述推導(dǎo)過程中可以發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)電機(jī)組所承受的扇區(qū)湍流不同，為了更精細(xì)地評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的安全性，有必要考慮不同扇區(qū)載荷對(duì)機(jī)組疲勞強(qiáng)度的影響。風(fēng)電機(jī)組塔筒承受的載荷主要有機(jī)艙和風(fēng)輪的重力、來自風(fēng)輪的氣動(dòng)載荷和作用在塔筒上的風(fēng)載荷。其中，來自風(fēng)輪的氣動(dòng)載荷產(chǎn)生的塔筒前后方向的彎矩是影響塔筒疲勞強(qiáng)度的主要因素。因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算并避免考慮剪應(yīng)力等涉及的疲勞多軸性問題，以下疲勞分析僅考慮塔筒前后方向的彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力作用。

焊縫疲勞損傷

風(fēng)電機(jī)組鋼制塔筒由不同的筒節(jié)焊接而成，焊縫形式主要有環(huán)焊縫和縱焊縫兩種。其中，縱焊縫與環(huán)焊縫存在交匯點(diǎn)，所受載荷與環(huán)焊縫基本相同，且縱焊縫疲勞等級(jí)大于環(huán)焊縫（只要環(huán)焊縫滿足疲勞強(qiáng)度要求，縱焊縫也就滿足要求），因此，本文僅對(duì)塔筒環(huán)焊縫進(jìn)行疲勞分析。

一、焊縫彎曲正應(yīng)力

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組塔筒承受前后方向彎矩時(shí)，塔筒某高度橫截面處的彎曲正應(yīng)力分布如圖1（a）所示，其中，塔筒橫截面一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓。在每個(gè)扇區(qū)分別取塔筒環(huán)焊縫位于扇區(qū)中心處的焊縫點(diǎn)作為分析對(duì)象，即在塔筒相同高度橫截面上可按照扇區(qū)均勻選取12個(gè)焊縫點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)運(yùn)行至扇區(qū)1時(shí)，風(fēng)從圖1（b）中所示的虛線方向流過，在扇區(qū)載荷作用下，每個(gè)焊縫點(diǎn)至中性軸的距離如圖所示，此時(shí)焊縫點(diǎn)H1和H7至中性軸的距離y1和y7最長(zhǎng)，焊縫點(diǎn)H4和H10至中性軸的距離y4和y10最短，為零。

三、疲勞損傷計(jì)算

根據(jù)扇區(qū)湍流強(qiáng)度對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒進(jìn)行載荷模擬，以塔筒某高度橫截面扇區(qū)1內(nèi)的焊縫點(diǎn)H1為例，在設(shè)計(jì)壽命期20年內(nèi)基于扇區(qū)載荷的塔筒焊縫疲勞損傷計(jì)算流程如下：

根據(jù)上述方法對(duì)鋼制塔筒不同高度橫截面上的所有焊縫點(diǎn)進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，即可獲得基于扇區(qū)載荷的風(fēng)電機(jī)組鋼制塔筒焊縫疲勞損傷結(jié)果。

算例分析

以某2.5MW風(fēng)電機(jī)組87m鋼制塔筒為例，進(jìn)行基于扇區(qū)載荷的風(fēng)電機(jī)組塔筒焊縫疲勞損傷計(jì)算，該塔筒部分焊接截面幾何參數(shù)如表1所示。

該風(fēng)電機(jī)組輪轂中心處的年均風(fēng)速為7.35m/s，尺度參數(shù)和形狀參數(shù)分別為6.89和1.96。扇區(qū)湍流強(qiáng)度、等效湍流強(qiáng)度和年扇區(qū)累積時(shí)間分別如圖2和圖3所示。其中，等效湍流強(qiáng)度為考慮12個(gè)扇區(qū)湍流強(qiáng)度和扇區(qū)累積時(shí)間等效合成而來。從圖中可以看出，最大和最小湍流強(qiáng)度分別發(fā)生在扇區(qū)7和扇區(qū)2，等效湍流強(qiáng)度介于最大和最小湍流強(qiáng)度之間；最大和次大扇區(qū)累積時(shí)間分別發(fā)生在扇區(qū)2和扇區(qū)7，即主風(fēng)向?yàn)楸逼珫|，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟稀?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/04/19/qkimagesfennfenn202008fenn20200814-7-l.jpg"/>

采用上述湍流強(qiáng)度對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒載荷進(jìn)行模擬，獲得塔筒前后方向彎矩。按照塔筒焊縫疲勞損傷計(jì)算流程分別采用扇區(qū)和等效湍流強(qiáng)度對(duì)塔筒所有高度橫截面上的焊縫點(diǎn)進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，獲得塔筒焊縫疲勞損傷結(jié)果，其中塔筒10m、30m、60m和80m高度橫截面上的焊縫點(diǎn)疲勞損傷分布如圖4所示。

從圖中可以看出，塔筒各截面焊縫疲勞損傷均小于1，滿足疲勞強(qiáng)度要求。當(dāng)采用扇區(qū)湍流強(qiáng)度時(shí)，處于塔筒相同橫截面上的焊縫點(diǎn)疲勞損傷不同，4個(gè)截面的最大疲勞損傷均發(fā)生在扇區(qū)7的H7焊縫點(diǎn)，疲勞損傷分別為0.4843、0.8912、0.5843和0.8075；當(dāng)采用等效湍流強(qiáng)度時(shí)，由于塔筒對(duì)稱性，處于塔筒相同截面上的不同焊縫點(diǎn)疲勞損傷相同，分別為0.5289、0.9335、0.6143和0.8468，比采用扇區(qū)湍流強(qiáng)度時(shí)分別增加9.2%、4.7%、5.1%和4.9%。由此可以看出，若采用等效湍流強(qiáng)度對(duì)塔筒焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，會(huì)高估塔筒焊縫的疲勞損傷。此外，選取的塔筒截面的扇區(qū)疲勞損傷分布趨勢(shì)與扇區(qū)湍流強(qiáng)度和扇區(qū)累積時(shí)間大小呈現(xiàn)較高的相關(guān)性，扇區(qū)湍流強(qiáng)度直接影響塔筒扇區(qū)載荷大小，扇區(qū)累積時(shí)間直接影響風(fēng)速發(fā)生的概率，因此，扇區(qū)載荷受扇區(qū)湍流強(qiáng)度和扇區(qū)累積時(shí)間的影響較大。由于扇區(qū)7的湍流強(qiáng)度最大，扇區(qū)累積小時(shí)數(shù)也較高，焊縫疲勞損傷最大點(diǎn)均發(fā)生在扇區(qū)7的H7點(diǎn)；雖然扇區(qū)2的湍流強(qiáng)度最小，但由于扇區(qū)2的累積小時(shí)數(shù)最大，焊縫點(diǎn)H2的疲勞損傷較大。因此，塔筒相同截面上不同焊縫點(diǎn)的疲勞損傷受扇區(qū)載荷的影響較大。

總結(jié)

本文在推導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組扇區(qū)和等效湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及塔筒相同高度橫截面上不同焊縫點(diǎn)彎曲正應(yīng)力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，采用雨流計(jì)數(shù)法和疲勞損傷疊加原理獲得了基于扇區(qū)載荷的塔筒焊縫疲勞損傷計(jì)算方法。

風(fēng)電機(jī)組塔筒截面的扇區(qū)疲勞損傷分布趨勢(shì)與扇區(qū)湍流強(qiáng)度和扇區(qū)累積時(shí)間具有一定的相關(guān)性，若采用等效湍流強(qiáng)度對(duì)塔筒焊縫進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，會(huì)高估塔筒焊縫的疲勞損傷。因此，為了更精細(xì)評(píng)估風(fēng)電機(jī)組塔筒的安全性，需要考慮不同扇區(qū)載荷對(duì)塔筒焊縫疲勞強(qiáng)度的影響。

（作者單位：山東中車風(fēng)電有限公司）