風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔段法蘭防變形研究

□ 李勇芝 □ 周眉宏

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200030

1 研究背景

風(fēng)能是可再生能源之一,使用清潔,環(huán)境效益好。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在陸上和海上都能建設(shè),占地面積小。風(fēng)力發(fā)電在為經(jīng)濟(jì)增長提供穩(wěn)定電力供應(yīng)的同時(shí),可以有效緩解空氣污染、全球變暖等問題。

我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量逐年增大,根據(jù)資料顯示,2019年新增并網(wǎng)裝機(jī)容量為26.8 GW,2020年新增并網(wǎng)裝機(jī)容量為71.67 GW。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的增大,單機(jī)容量也在逐步增大。2019年陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場主流機(jī)型為3.X系列,到2020年則為4.X和5.X系列。2019年海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)主流機(jī)型為4.X系列,到2020年則為6.X和8.X系列。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組容量的增大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架質(zhì)量也在增大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架為便于生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝,通常分為若干塔段,每個(gè)塔段兩端布置法蘭。塔段運(yùn)輸至現(xiàn)場后,再組合為風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架。在風(fēng)力發(fā)電發(fā)展早期,風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架高度較低,載荷較小,塔段直徑一般為4 300 mm左右,單段質(zhì)量一般在40 t以內(nèi),兩端法蘭正常情況下不會(huì)出現(xiàn)變形。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大和風(fēng)力發(fā)電平價(jià)時(shí)代的到來,風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔段板厚越來越薄,直徑越來越大,目前比較常見的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型,塔架直徑為6 500 mm,塔段質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到100 t,在存儲(chǔ)、運(yùn)輸過程中,兩端法蘭出現(xiàn)明顯橢圓變形。筆者結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目情況,通過ANSYS有限元分析軟件分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔段法蘭的變形,提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,以確保塔段在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸過程不出現(xiàn)變形,不影響現(xiàn)場吊裝。

2 塔段概述

塔段在黑塔車間完成焊接,在白塔車間完成內(nèi)外表面噴漆,轉(zhuǎn)入內(nèi)裝車間進(jìn)行內(nèi)飾件安裝。安裝內(nèi)飾件時(shí),如圖1所示,油漆后的塔段兩端需要放置在滾輪架上,沿圓周轉(zhuǎn)動(dòng),以便順利安裝內(nèi)飾件。受限于滾輪架的數(shù)量,在內(nèi)飾件安裝完成后,需要在塔段兩端的法蘭上增加托架支撐,以避免塔段與地面接觸,損壞油漆。然后將塔段放置在合適位置,等待運(yùn)輸至現(xiàn)場吊裝。塔段現(xiàn)場吊裝如圖2所示。

圖1 塔段放置于滾輪架上

圖2 塔段現(xiàn)場吊裝

3 塔段法蘭防變形措施

塔段法蘭變形的主要原因?yàn)樗巫陨淼闹亓?。塔段發(fā)生彈性變形,使端面法蘭長軸大于理論尺寸,短軸小于理論尺寸。將塔段運(yùn)輸?shù)桨惭b位置后,將塔段豎立,短時(shí)間內(nèi)兩端法蘭很難恢復(fù)到理論尺寸,這樣會(huì)導(dǎo)致塔段之間對(duì)接出現(xiàn)錯(cuò)位,不能安裝法蘭之間的高強(qiáng)度緊固件。對(duì)此,需要在塔段存儲(chǔ)、運(yùn)輸時(shí)在法蘭兩端增加防變形措施,以便于在現(xiàn)場能順利安裝高強(qiáng)度緊固件。

進(jìn)行市場調(diào)研,為防止塔段兩端法蘭在塔段存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中變形,所采用的防變形措施主要是槽鋼組合支撐,一般有三字支撐結(jié)構(gòu)、米字支撐結(jié)構(gòu)、一字支撐結(jié)構(gòu)三種,依次如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 三字支撐結(jié)構(gòu)

圖4 米字支撐結(jié)構(gòu)

目前的塔段法蘭防變形措施主要是基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出,往往針對(duì)小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來越大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架直徑越來越大,為使塔段法蘭防變形措施效果更好,統(tǒng)一塔段法蘭防變形結(jié)構(gòu),方便供應(yīng)商備貨與安裝,筆者進(jìn)行了有限元分析,確定合理的塔段法蘭防變形結(jié)構(gòu)。

圖5 一字支撐結(jié)構(gòu)

4 有限元分析

塔段生產(chǎn)完成后至在現(xiàn)場吊裝前,一般會(huì)經(jīng)歷兩種工況。工況一是存儲(chǔ)過程中的帶托架支撐工況,如圖6所示。工況二是轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的吊起工況,如圖7所示,吊點(diǎn)在法蘭內(nèi)側(cè),圖中僅體現(xiàn)法蘭,其余隱去。進(jìn)行有限元分析時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架直徑為6 500 mm,塔段質(zhì)量為100 t。

圖6 工況一

圖7 工況二

采用Unigraphics軟件進(jìn)行全實(shí)體建模,放置和吊起對(duì)象均為單段塔段?？紤]有三種塔段法蘭防變形結(jié)構(gòu),為方便后處理,不重復(fù)設(shè)置接觸和劃分網(wǎng)格,將各種塔段法蘭防變形結(jié)構(gòu)均建立在模型中,分析時(shí)激活相應(yīng)的塔段法蘭防變形結(jié)構(gòu)即可。另一方面,在建模時(shí)托架與法蘭小面積接觸,分析工況二時(shí)抑制托架即可。

采用ANSYS有限元軟件,模型中塔段、法蘭,以及塔段法蘭防變形結(jié)構(gòu)的材料均采用結(jié)構(gòu)鋼,材料密度為7 890 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.269,抗拉屈服強(qiáng)度為250 MPa,抗拉極限強(qiáng)度為460 MPa。

以三字支撐結(jié)構(gòu)為例,將塔段與法蘭綁定為一個(gè)單元,上下法蘭均切割為兩個(gè)實(shí)體,一個(gè)為吊點(diǎn)實(shí)體,一個(gè)為非吊點(diǎn)實(shí)體,并假設(shè)塔段與法蘭之間的接觸為綁定。分析時(shí),并不重點(diǎn)關(guān)注環(huán)向焊縫強(qiáng)度,因此以上假設(shè)是合理的。此外,塔段法蘭防變形結(jié)構(gòu)分別與相關(guān)法蘭孔接觸。

正確合理的網(wǎng)格劃分對(duì)求解結(jié)果精度與計(jì)算規(guī)模有很大影響,為了保證有限元分析的準(zhǔn)確性,同時(shí)為避免在劃分網(wǎng)格時(shí)出現(xiàn)畸形單元,采用Automatic和Sweep網(wǎng)格劃分方法,這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是易于控制網(wǎng)格。對(duì)于規(guī)則幾何體,如塔段和法蘭吊點(diǎn)實(shí)體,采用Sweep網(wǎng)格劃分方法,可以得到較好的規(guī)則六面體單元網(wǎng)格,提高仿真結(jié)果的收斂性和計(jì)算精度,減少計(jì)算求解時(shí)間。其它結(jié)構(gòu)均不是規(guī)則幾何體,采用Automatic網(wǎng)格劃分方法即可。通過三次網(wǎng)格細(xì)化后,應(yīng)力分析結(jié)果的誤差在2%左右,在工程允許誤差范圍內(nèi)。網(wǎng)格劃分后查看網(wǎng)格統(tǒng)計(jì),單元總數(shù)為34 537,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為175 886。網(wǎng)格劃分如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

重力安全因數(shù)為1.3。實(shí)際起吊緩慢,可設(shè)為勻速。對(duì)于工況二,僅在吊點(diǎn)實(shí)體內(nèi)側(cè)施加固定約束即可。對(duì)于工況一,在托架底部施加固定約束,需注意托架圓弧面與法蘭圓弧面不是完全面接觸,而是線接觸。不采取塔段法蘭防變形措施,有限元分析結(jié)果如圖9、圖10所示。橫向變形關(guān)于塔段中心對(duì)稱,可以驗(yàn)證模型的正確性。工況一下變形為32.4 mm,工況二下變形為46.5 mm,對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架直徑6 500 mm而言,采取塔段法蘭防變形措施是必要的。

圖9 不采取塔段法蘭防變形措施工況一有限元分析結(jié)果

圖10 不采取塔段法蘭防變形措施工況二有限元分析結(jié)果

采用三字支撐結(jié)構(gòu),有限元分析結(jié)果如圖11、圖12所示。采用米字支撐結(jié)構(gòu),有限元分析結(jié)果如圖13、圖14所示。采用一字支撐結(jié)構(gòu),有限元分析結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖11 三字支撐結(jié)構(gòu)工況一有限元分析結(jié)果

圖12 三字支撐結(jié)構(gòu)工況二有限元分析結(jié)果

圖13 米字支撐結(jié)構(gòu)工況一有限元分析結(jié)果

圖14 米字支撐結(jié)構(gòu)工況二有限元分析結(jié)果

圖15 一字支撐結(jié)構(gòu)工況一有限元分析結(jié)果

圖16 一字支撐結(jié)構(gòu)工況二有限元分析結(jié)果

對(duì)三字支撐結(jié)構(gòu)、米字支撐結(jié)構(gòu)、一字支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果進(jìn)行匯總,見表1。

表1 有限元分析結(jié)果

5 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電有著廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前,風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來越大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架直徑也越來越大,并且塔段質(zhì)量增大。為保證現(xiàn)場吊裝時(shí)高強(qiáng)度緊固件能順利安裝,筆者對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔段法蘭防變形措施和防變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。有限元分析結(jié)果表明,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架直徑為6 500 mm,塔段質(zhì)量為100 t時(shí),采用三字支撐結(jié)構(gòu),塔段法蘭防變形效果最好。