某工程風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒連接系強(qiáng)度分析

安孟德，李 旭，張少飛

（鄭州國(guó)水機(jī)械設(shè)計(jì)研究所有限公司，河南 鄭州 450044）

目前，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)無(wú)論是裝機(jī)總?cè)萘?，還是裝機(jī)的新增容量，都保持著較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其他相關(guān)國(guó)家也有較快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。但是，隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，近些年來(lái)，該行業(yè)發(fā)生了許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架傾倒的事故。經(jīng)過(guò)對(duì)部分事故的分析及鑒定，得知出現(xiàn)倒塔的原因，除了是極端強(qiáng)風(fēng)天氣造成塔筒所受載荷過(guò)大外，還與風(fēng)電設(shè)備安裝連接的高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度不足、螺栓緊固施工安裝不當(dāng)、實(shí)際安裝質(zhì)量不符合安裝工藝、質(zhì)量檢測(cè)手段無(wú)法滿足質(zhì)量要求等有關(guān)。風(fēng)電設(shè)備中的塔筒作為風(fēng)機(jī)的高聳支撐部件，如果其存在強(qiáng)度不足或安裝質(zhì)量隱患的問(wèn)題，那么一旦損壞，將會(huì)對(duì)整臺(tái)機(jī)組中其他相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生非常大的安全威脅。此外，如果機(jī)組已并網(wǎng)發(fā)電，單臺(tái)機(jī)組的事故對(duì)地區(qū)局部電網(wǎng)也會(huì)帶來(lái)運(yùn)行安全方面的影響。

1 工程概況

1.1 風(fēng)機(jī)概況

文章研究分析的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要由頂部發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、輪轂、葉片及底部支撐塔筒構(gòu)成，其中塔筒分為三段。風(fēng)機(jī)頂部各部分結(jié)構(gòu)重量及主要尺寸如下：發(fā)電機(jī)重4.39×104㎏，機(jī)艙重1.17×104㎏，輪轂及葉片組合重3.25×104㎏，中心高約65m，其他系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)重7.95×103㎏。三段支撐塔筒結(jié)構(gòu)重量及尺寸如下：底部塔筒重約3.7×104㎏，高度為15m；底部法蘭直徑約4200mm，中部塔筒重量約3.18×104㎏，高度為22.8m，下部法蘭的直徑約為3800mm；上部塔筒重量約為2.3×104㎏，高度為25m，下部法蘭的直徑約3200mm。三段塔筒整體重約9.18×104㎏，安裝高度約62.8m，風(fēng)機(jī)整體重約1.88×105㎏。

該項(xiàng)目風(fēng)機(jī)位于新疆布爾津縣，該型號(hào)風(fēng)機(jī)額定功率為1.5MW，額定運(yùn)行風(fēng)速為11m/s，風(fēng)機(jī)抗最大風(fēng)速3s平均值為59.5m/s，風(fēng)機(jī)切入、切出風(fēng)速分別為3m/s、25m/s。

1.2 塔筒連接法蘭概況

文章研究的風(fēng)機(jī)塔筒間連接法蘭為一種反向的平衡法蘭，其主要特點(diǎn)是便于安裝施工、受力較明確、抗疲勞的性能較好、結(jié)構(gòu)剛度較強(qiáng)，而且該類型法蘭的極限受力能力可達(dá)到1.5倍多的設(shè)計(jì)受力水平，從而能得到很高的承載安全儲(chǔ)備。該法蘭結(jié)構(gòu)主要特征是法蘭板反向布置，上下法蘭筋板的接觸面為加工的平衡面，與一般的鍛造法蘭不同之處在于該法蘭的筋板在上下兩法蘭環(huán)之間。因此，如果需要提高法蘭剛度，只需加長(zhǎng)其中間筋板的長(zhǎng)度即可，同時(shí)筋板長(zhǎng)度增加會(huì)加長(zhǎng)螺栓長(zhǎng)度，該特點(diǎn)有利于對(duì)螺栓緊固安裝的精度控制[1]。該法蘭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 法蘭結(jié)構(gòu)圖

該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)層與下層、下層與中層、中層與上層連接法蘭的螺栓數(shù)量分別為140個(gè)、100個(gè)、84個(gè)。所有緊固螺栓規(guī)格為M36、10.9級(jí)、設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度1040MPa、設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1120MPa、42CrMo材質(zhì)。

2 風(fēng)機(jī)塔筒荷載計(jì)算

該風(fēng)機(jī)整體承受的風(fēng)力載荷為q(z)，風(fēng)機(jī)塔頂風(fēng)葉承受的推力為Fh，頂部機(jī)頭的重力為Gt，風(fēng)機(jī)塔筒的重力為G1，頂部輪轂承受的扭矩為Mx，風(fēng)機(jī)頂部重心因偏心所產(chǎn)生的偏心距為My。該風(fēng)機(jī)所受上述各類載荷如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)所受荷載示意圖

2.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)力載荷計(jì)算

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50135—2019），按照實(shí)際情況簡(jiǎn)化，該風(fēng)機(jī)風(fēng)載荷按式（1）計(jì)算[2]。

式中：μz為高度z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為風(fēng)載荷的體型系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50135—2019），結(jié)合風(fēng)機(jī)所處地區(qū)的風(fēng)力條件及該風(fēng)電塔架的外形尺寸，計(jì)算得出暴風(fēng)工況基本風(fēng)壓、額定工況基本風(fēng)壓、切出工況基本風(fēng)壓。

根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)備的形體、塔身風(fēng)荷載作用位置的不同，μz、μs與作用在風(fēng)機(jī)塔筒上任意高處的風(fēng)載荷以及平均風(fēng)速有關(guān)。由此，作用于風(fēng)機(jī)塔筒表面高度z位置的風(fēng)壓ω(z)可以用式（2）表示。

根據(jù)風(fēng)壓風(fēng)速一般計(jì)算公式，結(jié)合風(fēng)機(jī)所在地實(shí)際環(huán)境條件，額定風(fēng)速下的基本風(fēng)壓為0.076kN/m2；根據(jù)相關(guān)規(guī)范，式（2）中基本風(fēng)壓ω0的取值不得＜0.35kN/m2，故額定工況風(fēng)速下，基本風(fēng)壓按0.35kN/m2取值。

風(fēng)機(jī)塔筒各位置處的風(fēng)荷載按“中心至中心”進(jìn)行劃分的計(jì)算原則，由P(z)=A(z)ω(z)計(jì)算得到。其中，A(z)表示相鄰劃分高度區(qū)段的迎風(fēng)投影面積。通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算，可得各工況下風(fēng)機(jī)塔筒各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載，如表1～表3所示。

表1 額定風(fēng)速下塔筒風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

表2 切出風(fēng)速（25m/s）下塔筒風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

表3 暴風(fēng)風(fēng)速下塔筒風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

按照《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》（GB/T 18451.1—2012）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)頂部氣動(dòng)推力可按式（3）計(jì)算[3]。

式中：CT為推力系數(shù)；ρ為空氣密度；S為掃風(fēng)面積；V為風(fēng)速。機(jī)組各工況風(fēng)速下的推力系數(shù)如圖3所示。由機(jī)組技術(shù)參數(shù)可知切入風(fēng)速、額定工況、切出風(fēng)速下的氣動(dòng)推力。

圖3 機(jī)組推力系數(shù)曲線圖

在暴風(fēng)風(fēng)速下風(fēng)機(jī)葉輪處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，該工況下頂部的氣動(dòng)推力計(jì)算按照公式（1）計(jì)算。

式中：CT為推力系數(shù)，取1.6；Ab為風(fēng)機(jī)葉片的迎風(fēng)投影面積，m2；n為風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量。

2.2 其他荷載

（1）重力荷載。該風(fēng)機(jī)的機(jī)頭重力荷載為Gt；塔身由三部分組成，底層為G1、中層為G2、上層為G3。

（2）機(jī)艙、輪轂和葉片產(chǎn)生的偏心彎矩為My。

2.3 風(fēng)機(jī)各工況下法蘭螺栓校核

風(fēng)機(jī)各選取高度節(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載P根據(jù)表1～表3參數(shù)計(jì)算取值；風(fēng)機(jī)塔架的風(fēng)荷載對(duì)下層塔筒法蘭螺栓所產(chǎn)生的傾覆力矩M1、頂部風(fēng)葉的推力所產(chǎn)生的傾覆力矩M2、偏心彎矩My，根據(jù)各層螺栓個(gè)數(shù)n、設(shè)計(jì)預(yù)緊力510kN、緊固螺栓的參數(shù)，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)各工況下實(shí)際受載荷左右情況，可得出各典型運(yùn)行工況下反向法蘭螺栓實(shí)際受力。根據(jù)簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)比分析上述工況各層法蘭螺栓的最大應(yīng)力，對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行安全校核，通過(guò)計(jì)算可得暴風(fēng)工況下中層法蘭螺栓受載最大，約890MPa。

3 風(fēng)機(jī)塔筒有限元分析

3.1 有限元模型的建立

（1）風(fēng)機(jī)連接法蘭模型簡(jiǎn)化。文章所研究的風(fēng)機(jī)支撐塔筒包含上、中、下三節(jié)塔筒及基礎(chǔ)層連接法蘭結(jié)構(gòu)，通過(guò)上述理論分析計(jì)算可得，59.5m/s暴風(fēng)風(fēng)速下下層塔筒法蘭與中層塔筒法蘭連接螺栓的受力最大，故文章只對(duì)該部位法蘭連接螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，整體模型如圖4（a）所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算分析，文章僅對(duì)該結(jié)構(gòu)中單個(gè)螺栓連接系加載最危險(xiǎn)工況和額定風(fēng)速工況下的最大受力載荷，單個(gè)法蘭螺栓模型如圖4（b）所示。

（2）單元選取及網(wǎng)格劃分。考慮該反向平衡法蘭連接系結(jié)構(gòu)模型較為復(fù)雜，網(wǎng)格質(zhì)量需要較為精確，所以選用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，solid185為單元類型，其大小設(shè)為10mm。經(jīng)網(wǎng)格劃分，最終得39359個(gè)單元，劃分結(jié)果如圖5所示。

圖4 幾何模型圖

圖5 模型網(wǎng)格劃分示意圖

（3）材料性能的選定。文章采用理想的彈塑性材料進(jìn)行模型分析，單元?jiǎng)偠群筒牧系膹椝苄园l(fā)展由Mises屈服準(zhǔn)則和其相關(guān)流動(dòng)法則所確定，選用等向的強(qiáng)化理論。塔筒法蘭與連接螺栓的屈服強(qiáng)度分別為345MPa和1040MPa，其彈性模量E分別取2.11E11Pa和2.06E11Pa，泊松比按0.3取值。

（4）荷載施加和接觸的設(shè)置。在兩邊界接觸問(wèn)題中，選定一個(gè)作為目標(biāo)面，取另一個(gè)作為接觸面。對(duì)柔體與剛體接觸的問(wèn)題，設(shè)定目標(biāo)面為剛性，接觸面為柔性，兩面共同構(gòu)成接觸對(duì)。采用Targe169、Conta171、Conta172來(lái)定義2-D的接觸對(duì)，選用Conta174、Conta 173、Targe170定義3-D接觸對(duì)，軟件使用相同的實(shí)常收號(hào)來(lái)識(shí)別接觸對(duì)。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖所示，模型中有三個(gè)接觸對(duì)，分別為下法蘭面和螺栓頭部接觸對(duì)、下法蘭和上法蘭接筋板平衡面接觸對(duì)、上法蘭和螺母的接觸對(duì)。在下法蘭面和螺栓頭部的接觸對(duì)中選取螺栓頭部作為接觸面，下法蘭面為目標(biāo)面；在下法蘭和上法蘭接筋板平衡面接觸對(duì)中選取下法蘭筋板平衡面為接觸面，上法蘭筋板平衡面為目標(biāo)面；在上法蘭和螺母的接觸對(duì)中選取螺母下部為接觸面，上部法蘭面為目標(biāo)面。

3.2 荷載的施加

風(fēng)電塔架主要承受三種荷載，分別為作用在塔筒和風(fēng)葉上的風(fēng)載荷、法蘭螺栓的緊固力以及其自身的重力載荷。在有限元分析中，結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換為作用在模型上的對(duì)應(yīng)荷載進(jìn)行施加，在確定法蘭螺栓荷載時(shí)設(shè)定螺栓上的荷載的大小、方向及一個(gè)受力截面，如圖6所示。

圖6 模型荷載的施加示意圖

3.3 模型位移分析

在笛卡爾坐標(biāo)系下，模型的最大位移產(chǎn)生在螺栓上部緊固螺母?jìng)?cè)頭部，額定風(fēng)速下數(shù)值為1.458mm，如圖7（a）所示；暴風(fēng)風(fēng)速下數(shù)值為1.463mm，如圖7（b）所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓拉伸時(shí)的力學(xué)性能可得計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果相一致。

3.4 應(yīng)力計(jì)算

兩種典型工況下螺栓應(yīng)力分布云圖如圖8所示。從圖8（a）中可以看出，額定風(fēng)速（11m/s）工況下，在底部法蘭面處的螺栓頭部位置，螺栓的最大應(yīng)力值達(dá)到685MPa，緊固螺栓其他部位處的應(yīng)力值在530～610MPa。根據(jù)圖8（b）顯示結(jié)果可以看出，暴風(fēng)風(fēng)速（59.5m/s）工況下，同樣是在底部法蘭面處的螺栓頭部位置，螺栓應(yīng)力值達(dá)到726MPa的最大值，其他部位的應(yīng)力值在484～646MPa。

如圖8所示，在兩種典型工況下，有限元分析計(jì)算顯示的螺栓最大應(yīng)力值為726MPa。上文通過(guò)理論簡(jiǎn)化分析計(jì)算得出的緊固螺栓最大應(yīng)力約893MPa，該風(fēng)機(jī)法蘭螺栓的力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告其屈服強(qiáng)度是1040MPa，上述分析計(jì)算的最大應(yīng)力值均小于其屈服強(qiáng)度。

圖7 模型變化圖

圖8 應(yīng)力分布云圖

由于風(fēng)機(jī)實(shí)際的荷載與理論分析計(jì)算條件存在部分差異，文章理論分析計(jì)算過(guò)程中考慮了法蘭螺栓的螺紋因素，但在幾何建模進(jìn)行有限元分析時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，沒(méi)有對(duì)螺紋進(jìn)行幾何建模；此外，有限元分析計(jì)算過(guò)程中，模型受網(wǎng)格劃分質(zhì)量的影響較大，計(jì)算結(jié)果存在一定的不確定性[4]。上述原因?qū)е铝擞邢拊?jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比偏小的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)典型工況下風(fēng)電塔架所承受載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化理論計(jì)算和有限元分析，并對(duì)極限工況下的緊固螺栓最大應(yīng)力值進(jìn)行校核。結(jié)果表明，緊固螺栓內(nèi)部應(yīng)力最大值不超過(guò)其材料屈服強(qiáng)度的80%，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足實(shí)際工況需要，連接安全可靠。同時(shí)，有限元分析計(jì)算的結(jié)果與理論分析計(jì)算得到的結(jié)果基本吻合，有關(guān)塔筒的這種分析方法也可以用在其他類似連接系統(tǒng)中，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，為其他類似結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算分析提供了一定的參考[5]。