風力發電機塔段法蘭防變形研究

□ 李勇芝 □ 周眉宏

上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200030

1 研究背景

風能是可再生能源之一,使用清潔,環境效益好。風力發電機在陸上和海上都能建設,占地面積小。風力發電在為經濟增長提供穩定電力供應的同時,可以有效緩解空氣污染、全球變暖等問題。

我國風力發電機裝機容量逐年增大,根據資料顯示,2019年新增并網裝機容量為26.8 GW,2020年新增并網裝機容量為71.67 GW。隨著風力發電機裝機容量的增大,單機容量也在逐步增大。2019年陸上風力發電機市場主流機型為3.X系列,到2020年則為4.X和5.X系列。2019年海上風力發電機主流機型為4.X系列,到2020年則為6.X和8.X系列。

隨著風力發電機機組容量的增大,風力發電機塔架質量也在增大。風力發電機塔架為便于生產、運輸、吊裝,通常分為若干塔段,每個塔段兩端布置法蘭。塔段運輸至現場后,再組合為風力發電機塔架。在風力發電發展早期,風力發電機塔架高度較低,載荷較小,塔段直徑一般為4 300 mm左右,單段質量一般在40 t以內,兩端法蘭正常情況下不會出現變形。隨著風力發電機單機容量的增大和風力發電平價時代的到來,風力發電機塔段板厚越來越薄,直徑越來越大,目前比較常見的海上風力發電機機型,塔架直徑為6 500 mm,塔段質量已經達到100 t,在存儲、運輸過程中,兩端法蘭出現明顯橢圓變形。筆者結合實際項目情況,通過ANSYS有限元分析軟件分析風力發電機塔段法蘭的變形,提出相應的改進措施,以確保塔段在生產、存儲、運輸過程不出現變形,不影響現場吊裝。

2 塔段概述

塔段在黑塔車間完成焊接,在白塔車間完成內外表面噴漆,轉入內裝車間進行內飾件安裝。安裝內飾件時,如圖1所示,油漆后的塔段兩端需要放置在滾輪架上,沿圓周轉動,以便順利安裝內飾件。受限于滾輪架的數量,在內飾件安裝完成后,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,等待運輸至現場吊裝。塔段現場吊裝如圖2所示。

圖1 塔段放置于滾輪架上

圖2 塔段現場吊裝

3 塔段法蘭防變形措施

塔段法蘭變形的主要原因為塔段自身的重力。塔段發生彈性變形,使端面法蘭長軸大于理論尺寸,短軸小于理論尺寸。將塔段運輸到安裝位置后,將塔段豎立,短時間內兩端法蘭很難恢復到理論尺寸,這樣會導致塔段之間對接出現錯位,不能安裝法蘭之間的高強度緊固件。對此,需要在塔段存儲、運輸時在法蘭兩端增加防變形措施,以便于在現場能順利安裝高強度緊固件。

進行市場調研,為防止塔段兩端法蘭在塔段存儲和運輸過程中變形,所采用的防變形措施主要是槽鋼組合支撐,一般有三字支撐結構、米字支撐結構、一字支撐結構三種,依次如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 三字支撐結構

圖4 米字支撐結構

目前的塔段法蘭防變形措施主要是基于實踐經驗提出,往往針對小容量風力發電機組。隨著風力發電機單機容量越來越大,風力發電機塔架直徑越來越大,為使塔段法蘭防變形措施效果更好,統一塔段法蘭防變形結構,方便供應商備貨與安裝,筆者進行了有限元分析,確定合理的塔段法蘭防變形結構。

圖5 一字支撐結構

4 有限元分析

塔段生產完成后至在現場吊裝前,一般會經歷兩種工況。工況一是存儲過程中的帶托架支撐工況,如圖6所示。工況二是轉運過程中的吊起工況,如圖7所示,吊點在法蘭內側,圖中僅體現法蘭,其余隱去。進行有限元分析時,風力發電機塔架直徑為6 500 mm,塔段質量為100 t。

圖6 工況一

圖7 工況二

采用Unigraphics軟件進行全實體建模,放置和吊起對象均為單段塔段。考慮有三種塔段法蘭防變形結構,為方便后處理,不重復設置接觸和劃分網格,將各種塔段法蘭防變形結構均建立在模型中,分析時激活相應的塔段法蘭防變形結構即可。另一方面,在建模時托架與法蘭小面積接觸,分析工況二時抑制托架即可。

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構的材料均采用結構鋼,材料密度為7 890 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.269,抗拉屈服強度為250 MPa,抗拉極限強度為460 MPa。

以三字支撐結構為例,將塔段與法蘭綁定為一個單元,上下法蘭均切割為兩個實體,一個為吊點實體,一個為非吊點實體,并假設塔段與法蘭之間的接觸為綁定。分析時,并不重點關注環向焊縫強度,因此以上假設是合理的。此外,塔段法蘭防變形結構分別與相關法蘭孔接觸。

正確合理的網格劃分對求解結果精度與計算規模有很大影響,為了保證有限元分析的準確性,同時為避免在劃分網格時出現畸形單元,采用Automatic和Sweep網格劃分方法,這兩種方法的優點是易于控制網格。對于規則幾何體,如塔段和法蘭吊點實體,采用Sweep網格劃分方法,可以得到較好的規則六面體單元網格,提高仿真結果的收斂性和計算精度,減少計算求解時間。其它結構均不是規則幾何體,采用Automatic網格劃分方法即可。通過三次網格細化后,應力分析結果的誤差在2%左右,在工程允許誤差范圍內。網格劃分后查看網格統計,單元總數為34 537,節點總數為175 886。網格劃分如圖8所示。

圖8 網格劃分

重力安全因數為1.3。實際起吊緩慢,可設為勻速。對于工況二,僅在吊點實體內側施加固定約束即可。對于工況一,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,有限元分析結果如圖9、圖10所示。橫向變形關于塔段中心對稱,可以驗證模型的正確性。工況一下變形為32.4 mm,工況二下變形為46.5 mm,對于風力發電機塔架直徑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果

圖10 不采取塔段法蘭防變形措施工況二有限元分析結果

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

圖11 三字支撐結構工況一有限元分析結果

圖12 三字支撐結構工況二有限元分析結果

圖13 米字支撐結構工況一有限元分析結果

圖14 米字支撐結構工況二有限元分析結果

圖15 一字支撐結構工況一有限元分析結果

圖16 一字支撐結構工況二有限元分析結果

對三字支撐結構、米字支撐結構、一字支撐結構的有限元分析結果進行匯總,見表1。

表1 有限元分析結果

5 結束語

風力發電有著廣闊的發展前景。當前,風力發電機單機容量越來越大,風力發電機塔架直徑也越來越大,并且塔段質量增大。為保證現場吊裝時高強度緊固件能順利安裝,筆者對風力發電機塔段法蘭防變形措施和防變形結構進行研究。有限元分析結果表明,當風力發電機塔架直徑為6 500 mm,塔段質量為100 t時,采用三字支撐結構,塔段法蘭防變形效果最好。