新型分段式風力發電塔架結構改進及性能研究

程友良，薛占璞，渠江曼

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定 071003）

新型分段式風力發電塔架結構改進及性能研究

程友良，薛占璞，渠江曼

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定 071003）

為提高風力發電塔架生產與運輸效率，提出一種分段式結構，并且從空氣動力學和結構動力學分析了該塔架的優越性。利用Solidworks對分段式塔架進行強度校核，進行可行性分析，將分段式與不分段的錐筒式塔架進行結構強度對比，得到了分段式塔架連接處受載荷時的應力云圖；利用FLUENT軟件對分段式和不分段錐筒式塔架空氣流場進行數值模擬，得到了分段式塔架的風振響應時程曲線并與不分段錐筒式的進行了對比。結果表明，在額定風速和暴風下，分段式塔架時程曲線中的最大應力值與位移值比不分段錐筒式小，采用分段式比不分段錐筒式更適應各種工況下風載荷響應。

分段式風力發電塔架；結構改進；性能；風振響應；空氣動力學；結構動力學

0　引言

隨著傳統能源日益枯竭及環境問題日益突出，風能作為一種清潔無污染的可再生能源，已經并且正在受到世界各國越來越多的重視。風能具有較大的開發價值和大規模利用的可行性。世界風能總量約200億瓦，相當全世界總發電量的8倍，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。如果人類可以利用地面風力的1%，那么就能滿足全球發電能量的需求，由此可見，風力是一個相當巨大的電力能源寶庫。塔架在風力發電系統中除了支撐風力機結構之外，還承受環境、自重并與整個運行過程有關，是整個系統的基礎保障［1］。

塔架的結構直接影響承載能力，郭智［2］對塔架的承載能力進行了研究，對結構線性屈服與非線性屈服利用有限元法表述，應用尺寸優化技術對塔架底部進行了屈服優化，得到了塔架門洞尺寸，并且進行了動力響應分析。葉赟［3］利用遺傳算法對風力發電機塔架進行了優化設計，對在脈動風作用下塔架的工作機理進行了分析，對比了優化前后結果，發現一階屈服特性值減小。祝水琴［4］等對風力機塔架進行了模態分析，根據模態結果進行了結構改進，改進后的結構減少了材料的用量，重量減小。余俊偉［5］在屋頂集風效應下，分析了塔架的靜動力性能，研究了塔架在地震作用下的鞭梢效應。王志生［6］設計了索塔式風力發電塔架，利用有限元法進行一階優化，得出了風速功率譜與目標功率譜基本吻合。張冬冬等［7～10］對塔架的綜合性能進行了研究，對正八邊形預應力混凝土塔架、圓形預應力混凝土塔架和鋼椎管塔架進行了結構設計，并按照機械設計手冊校核了承載能力、變形能力和疲勞能力；采用模態分析方法確定塔架的動力特性，其受力時穩定性的探究及仿真，一般采用幾何非線性的有限元分析方法得到它的屈曲臨界載荷和變形云圖，進而為后續塔架的屈曲優化和結構動力響應提供理論分析依據；利用仿真技術，發現機組及塔架設計的不合理處，提出針對某個結構的修改方案。羅喜清等［11～16］分析了風力發電機組倒塌事故的原因，探討了機組塔架的設計中是否存在不合理的因素；研究了塔架設計參數對于塔架破壞極限承載力影響規律，結果表明，結構參數中的塔架寬度、塔柱徑厚比等，對塔架極限承載力和破壞影響較大。

鑒于以上分析，錐筒式塔架采用單一的結構，運輸、拆卸等不方便，對其進行動力響應采用傳統的懸臂梁等模型，因此，有必要對塔架進行結構改進。本文提出一種分段式風力發電塔架［16］，采用標準化塔筒分段組裝塔架，簡化了產品生產工藝，減少了運輸中因塔筒過大而折損變形的現象，解決了塔架過長不便運輸的問題，降低了因塔筒質量過大不易起吊安裝的難度，可降低生產成本提高生產效率。從結構動力學和空氣動力學角度，分析了分段式塔架比錐筒式的優越性，并得到了結論。

1　新型分段式風力發電塔架及計算方法

1.1新型分段式風力發電塔架簡介

圖1　新型分段式塔架示意圖

圖1為新型分段式塔架示意圖，是我們自己設計并已獲專利授權［16］。該塔架的具體結構為，上部塔筒和下部塔筒采用標準化生產，腳踏板用于高空作業支撐，其面積大小根據塔架高度而定。腳踏板上設有槽孔，螺栓設有雙層螺母，腳踏板通過其槽孔掛在外層螺母與螺栓的六角端頭之間。兩個塔筒的連接處，凸臺包括空腔凸臺和內層凸臺，凸臺之間用螺栓連接。塔筒下部的外周設有對稱的空腔凸臺，塔筒上部的外周設有對稱的可嵌入空腔凸臺的內層凸臺，在內層凸臺以上的塔筒設有臺肩；下部塔筒的臺肩插入上部塔筒的內壁，下部塔筒的內層凸臺嵌入上部塔筒的空腔凸臺內并通過螺栓緊固連接；底座盤上設有立筒，立筒外周設有對稱的內層凸臺，在立筒上部設有臺肩，立筒的臺肩插入下部塔筒的內壁，立筒的內層凸臺嵌入下部塔筒的空腔凸臺內并通過螺栓緊固連接。凸臺和螺栓的作用限制了兩個塔筒的自由度，使兩個塔筒能夠保持豎直方向，同時承受風機及其他載荷。

1.2幾何模型

模型的材料為玻璃鋼，其在結構上具有對稱性，在結構強度允許的情況下，利用標準化的塔筒，可分為兩段或者三段、四段等多段，塔筒的連接處利用螺栓均布固定。塔筒的壁厚根據表1序號1數據［2］，設置壁厚為35mm，地基高2.5m，分為兩段，底部外徑4m，頂部外徑3.5m，總高度為10m。圖2為新型分段式塔架幾何模型，表1為塔架壁厚參數表。根據分段式塔架結構特點，對幾何模型提出如下三點假設［17～21］：

1）分段式凸臺連接可近似為剛性連接；

2）校核塔架剛度可應用當量直徑法；

3）空腔凸臺和內層凸臺間隙可以忽略。

圖2　新型分段式塔架幾何模型

表1　塔架壁厚參數表

1.3控制方程

分段式塔架附近空氣流動為粘性不可壓縮流體流動，運動類型為湍流運動，雷諾數為4200。風力發電塔的結構主要承受風載荷，為了使湍流運動分布均勻，連續性強，采用k-ε湍流模型，魯棒性好，可以分段對塔架周圍空氣動力分析，并且滿足以下控制方程：

連續性方程：

動量方程：

式（1）、式（2）中：ui（i=1，2，3）分別為x、y和z方向的雷諾平均速度，ρ為流體的密度，P為壓強，v為流體的運動學黏性系數，為雷諾應力項，fi為體積力。

1.4數學模型驗證

為了驗證該結構的正確性，采用機械學科的剛度是否滿足自身要求來驗證模型的正確性，塔架的剛度能否滿足要求是塔架設計的主要考慮因素，其在受載荷時變形量直接影響塔架的正常運行，如果變形量超出允許的范圍，則塔架由于較大的變形量會發生斷裂，利用當量直徑法［12］對分段式塔架進行剛度校核。到目前為止，以往文獻資料還沒有分段式的塔架數值模擬結果，驗證該結構采用機械學科的當量直徑法，即驗證其剛度是否滿足要求，是驗證結構設計正確性有效方法。

式（3）中：L為塔架高度，l為各分段的高度，d為直徑。

經過塔架結構參數相關計算，此塔架滿足軸的剛度條件，即：

擾度：y=0.002m≤［y］=（0.0003～0.0005）L；

偏轉角：θ≤［θ］；

因此，該塔架結構設計是可行和正確的。

2　仿真分析

2.1不分段錐筒式（以下簡稱“錐筒式”）與分段式結構強度對比

圖3為錐筒式塔架實物及模型。結構參數與圖1新型分段式塔筒相同，單元選擇SHELL63，該單元是一種應用于大變形和應力剛化的四節點彈性殼單元，每個節點自由度具有繞X 、Y 、Z軸的轉動和沿 X 、Y 、Z方向的平動6個自由度。通過賦予四個節點來建立不同厚度分布的模型，對于不規則形狀的結構具有較高精度［5］。圖4為網格化的錐筒式塔架，圖節點數15343，單元總數8067。塔架底端固定，邊界條件對塔架底端施加全約束。

圖3　錐筒式塔架實物及模型

圖4　網格化的錐筒式塔架

通過施加相同載荷的工況下，風等效為靜力載荷作用于塔架，從而描述塔架響應。擬靜力分析是指求解等效靜力荷載作用下風力發電塔架的應力和位移［6］。等效靜力荷載是采用我國規范推薦的平均風荷載乘以風振系數法求得［22～24］，其計算公式為：

式（4）、式（5）中：zμ為風壓高度變化系數；

wk為風荷載標準值（kN/m2）；

μs為風荷載體型系數；

w0為基本風壓（kN/m2）；

βz為高度Z處風振系數；

Pk為等效風荷載；

Ak為風荷載作用面積。

增加網格的密度，其模擬結果誤差在0.4%之內，進行了網格無關性驗證，證明此網格模擬的可行性。經過擬靜力分析得到錐筒式與分段式塔架應力與位移云圖，圖5為錐筒式塔架應力變化云圖，圖6為分段式塔架應力變化云圖。從圖5、圖6可知，塔架的極限應力均小于材料的許用應力，錐筒式最大應力為（X方向分量）6.3kN/m2，最小應力為（X方向分量）5.8kN/m2，應力變化為0.5kN/m2，最大位移為3.165mm，而分段式最大應力為（X方向分量）7.2kN/m2，最小應力為（X方向分量）6.8kN/m2，應力變化為0.4kN/m2，最大位移為2.606mm。經過數據對比，分段式比錐筒式塔架結構強度大，應力變化范圍小，位移小；運輸、拆卸、維修方便，符合塔架應用發展方向。

圖5　錐筒式塔架應力變化云圖

圖6　分段式塔架應力變化云圖

2.2風載荷作用下風壓分析

為了比較分段式與錐筒式塔架的性能，進行風載荷作用下風壓響應分析，在ANSYS設置計算域，分別對兩種塔架進行了風壓模擬。風由于塔架的阻擋，使四周的空氣受到阻力，動壓下降，靜壓升高。側面和背面產生局部渦流，靜壓下降，動壓升高。風壓變化能夠反映塔架經過風載荷之后的工作運行狀態情況，風壓曲線側面反映了塔架工作狀態［25～27］。

風速由兩部分組成［2］，t時刻Z高度的風速V（z，t）可寫作：

式（6）中：U（z） 為平均風速；

V1（z，t） 為脈動風速。

圖7為風載荷計算域大小，長度40m，寬度20m，高度25m。塔架的底端與計算域的底端重合，在ICEM CFD環境中劃分網格，網格類型為Tetra/Mixed，節點數為16392，單元數為8392。計算域左側端面為風載荷入口，右端面為風載荷出口。兩個側面、頂面為對稱邊界條件；底面、頂面為無滑移壁面［28，29］。

圖7　流體計算域

圖8、圖9分別為分段式、錐筒式塔架風壓曲線，從圖中可知，分段式塔架壓力與風速之間的曲線關系，不是線性的，風速從5m/s～8m/s，與之對應的壓力逐漸下降，緩慢下降，而錐筒式則線性下降，這樣對于塔架周圍的空氣流動容易形成漩渦，因此分段式塔架更適合空氣動力學。

圖8　分段式風壓曲線

圖9　錐筒式風壓曲線

3　結論

本文在我們提出的一種分段式塔架結構基礎上，從結構動和空氣動力學方面，與錐筒式塔架進行了對比，其應力變化和空壓動力都優于錐筒式塔架，得出如下結論：

1）分段式塔架比錐筒式塔架，抵抗破壞能力強，應力與位移變化幅度小，應力集中不明顯，承載能力大，更適合結構動力學。

2）分段式塔架風速與壓力曲線變化平緩，斜率較小，更適合在各種風載荷下工作。

3）分段式相對于錐筒式塔架，能夠實現標準化生產，提高了生產效率，解決了傳統的錐筒式塔架在運輸、拆卸、維修方面的難題。

在數值模擬過程中，其值與實際監測有誤差是必然的，但要保證在一定允許誤差范圍內數據的正確性。分段式風力發電塔架具有良好的結構動力性能，因此，對分段式風力發電塔分析與改進是未來的研究重點。

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Research on improved structure and its performance of new sectional wind power tower

CHENG You-liang，XUE Zhan-pu， QU Jiang-man

TK83

A

1009-0134（2016）09-0045-05

2016-06-23

中央高校基本科研業務費專項資金項目（2016XS107）

程友良（1963 -），男，教授，博士，研究方向為流體動力學理論及其應用、流體設備與節能、可再生能源理論及其應用、清潔能源利用技術與設備。