1. 引言
近年来,风力发电作为清洁能源迅速发展,并越来越趋向于大型化、高效率。风电技术发展的同时,对风机塔架的高度要求也越来越高,对塔架材料和性能 [1] 的要求随之增加。已知的塔架最高已达140米,虽然能够带来更高效率的资源,但是运输不易且成本大,容易造成安全隐患。目前,风机塔架常用材料有钢和混凝土两种。钢材料易浇筑,硬度大,但随着高度增加,对钢材料的强度和硬度都有更高的要求,且目前钢的价格有大幅度的增长。此外,钢材还需考虑腐蚀问题,增加了后续维修成本。而混凝土材料便宜,但浇筑至成型施工周期长,越高的塔架浇筑越困难,难以应用到超高塔架中。钢–混凝土材料可以避免两种材料的缺点,不仅可以解决了钢材料价格高昂的缺点,而且还可以解决混凝土材料的施工周期长缺点。
基于此,研究人员针对钢–混凝土结构的塔架做了大量的研究,黄一航等 [2] 提出内埋方钢管空间钢构架混凝土短柱的组合柱方法,其极限承载力满足一定应用需求。但此组合对浇筑工艺要求高,塔架过高无法一次成型。李斌等 [3] 通过分析不同参数对节点承载力,提出了钢管内填充混凝土后可以达到极限承载力,但是研究仅局限于管板节点。杨晨旭等 [4] 装配式节点进行了有限元分析研究,提出了在进行新型装配式节点设计时,应当控制腹杆与包裹板、腹杆与加劲板的壁厚比在合理的取值范围内,但是仅研究了静力理论分析部分,有所局限。张冬冬等 [5] 利用ABAQUS有限元软件对试验模型和原型塔架模型进行数值模拟,给出了在不同工况下混凝土塔架结构的承载变形能力和动力特性,但是仅对模型塔架进行拟静力荷载试验,并未进行混凝土塔架的抗震分析。
因此,本文以混凝土材料作为塔架底部,以钢材料作为塔架的塔身,提出了一种嵌套式结构的设计。对混凝土段和钢段比例进行探究,从经济和性能的方向寻求最好的比例。达到了满足风机塔架的强度和韧性的效果。同时,根据盈利分析结果提出一套嵌套式组装方案,在从方便运输和经济角度考虑的同时也减少了工程量。
2. 原理
2.1. 风速
风速是指空气相对于地球某一固定地点的运动速率,是衡量风力大小的标准。风力是指风吹到物体上所表现出的力量的大小。使用风速计可以得到地面风速。由于塔底和塔顶的落差较大,测量塔顶的风速较为困难,为了得到塔顶的风速,采用了风速与高度的换算公式,如式(1)所示:
(1)
其中,
——距地面高度
处的风速,
——距地面高度
处的风速,
——地面状况系数,
——风速高度系数。
根据式(1),可计算出塔底与塔顶的风速,在插件中设置Velocity at the Bottom/Top两个风速,即可生成模拟出的实际风,方便下面计算风载荷步骤的进行。
2.2. 风载荷
风载荷 [6] 是指风吹在设备上引起的载荷。设备在迎风侧受到与地面平行的咏动风压 [7] 作用,风压是由空气流动的动能转变而来的,并随着地面的高度增加而增大。塔架的侧面积可由圆台侧面积公式计算得出,圆台侧面积公式如式(2)所示:
(2)
根据式(2),可计算出塔架的侧面积为1808.8 m²。在10 m/s的风速下,空气密度为1 g/cm3,塔与空气的阻力系数为1。使用风载公式计算风载荷大小,如式(3)所示:
(3)
(
为风载荷,
为空气密度,
为风速,
为风载荷面积,
为牵引系数)。由于风载荷与收空气密度影响,因此在试验中取同样环境温度为20℃,定义空气形状因子为1避免环境温度不同队友的空气密度也不相同 [8] 。
考虑到塔架过高,导致的塔底与塔顶风速无法保持相同,为更贴合实际,风载荷 [9] 的添加使用插件WindLoad_APDL完成,安装插件后,设置风速的变化为Gradient坡度变换,即风速由塔底至塔顶逐步增加。
3. 有限元模型建立
以120米高的钢材料塔架为研究对象,建立有限元 [10] 模型。设置塔底外径6.4米,壁厚0.3米,塔顶外径3.2米,壁厚0.08米。本文使用Solidworks软件实行建模工作。一体模型可以使用旋转变换得到。对于需要组装的塔架模型,可使用Solidworks软件里的装配体功能进行处理。将两截塔架分别保存后在装配体功能中打开,各自设置材料、密度等数据。设置好后利用配合功能将其组合,为确保两截面完全重合,配合时选择使两塔架的侧面重合,重合方向设置为同向,由此可得到组装后的材料不一致的塔架。此时塔架虽然看起来组装完成,但两个重合面之间没有作用力,一旦受力,两部分会分离。为使塔架在模拟时仍为一个整体,此处使用夹具及载荷 [11] 功能在拼接面对其施加一个趋近于无穷的力,使两个面紧紧贴合。
塔架圆台形状特殊,塔架在工作时,只会有一半的面迎风,考虑到圆台模型侧面是一个无法分割的面,无法选取一半,将文件另存为STEP AP214 (*step;*.stp)格式,可以使塔架外侧面被划分为两个侧面,处理完的模型如图1所示,符合实际受力情况。
4. 受力分析
4.1. 风电塔架应力分析
对塔架竖直方向受到的来自风机机头的压力、自身受到的重力和风载荷对塔架侧面的作用力进行模拟仿真,用ANSYS Workbench软件生成表面应变云图用以分析其表面应变 [12] 。表面云图不同色块表示塔架不同部位受力大小,可以清晰的观察到总体的受力情况,探究塔架受力分布。在局部坐标系中对风机塔架建立大小适当的网格。网格太大会导致结果不准确,过小的网格又会对计算机造成负担,考虑到塔架整体高度及大小,此处将网格基础单位设置为0.5 m。因为风机机头会对塔架有作用力,所以将塔架的上顶面和下底面固定。然后,对塔架模型添加负载。对塔架施加方向竖直向下的自身所受重力Standard Earth Gravity、风载荷及风机机头对塔架的压力。
受力全部设置好后,由于本文研究的是塔架的受力及形变,设置Total Deformation可得到塔架形变,设置Equivalion Stress得到塔架所受应力,生成应力云图和形变云图。选择1.0 (Ture Scale)使模型与实际一比一仿真。应力分析结果如图2所示,形变分析结果如图3所示。对塔架进行对照实验,分别施加功率为13.2 mw的风机机头、12 mw的风机机头、10 mw的风机机头对塔架的压力。考虑风速变化,选择最小风速5 m/s、平均风速15 m/s、季风风速25 m/s三种风速探究不同机头压力及风速对塔架所受应力及形变的影响。
4.2. 探测点分析
探测点的添加,有利于多组对照采集数据后做比对。不但检测数据精确,能精准地对塔架某点受力及损伤情况进行判断,而且系统的操作也比较便捷,能够全方位地进行检测。应力云图可以反映塔架
受力情况,但只限于整体,不能展现某一确切点的受力情形。使用ANSYS中的Probe点探测功能,该功能可以用来监测点的形变,以数据的形式展现连续点的受力。研究形变时在Total Defoamation中对研究对象选取代表性位置添加123 Probe,如图4所示。究所受应力时在Equivalion Stress中对研究对象选取代表性位置添加123 Probe,如图5所示。
![](//html.hanspub.org/file/6-2570701x24_hanspub.png?20230306083405208)
Figure 4. Add detection points in stress nephogram
图4. 在应力云图中添加探测点
为探究钢材料和混凝土以何种比例可使塔架既稳固又经济,现对不同比例的风机塔架进行模拟。现对全120米纯钢塔架、上部60米材料为结构钢,下部60米材料为混凝土的塔架、上部30米材料为结构钢,下部90米材料为混凝土的塔架、上部90米材料为结构钢,下部30米材料为混凝土四种材料结构的塔架进行如上分析。
120米全钢塔架的形变云图及应力云图如图6所示,上部60米材料为结构钢、下部60米材料为混凝土的塔架的形变云图及应力云图如图7所示,上部30米材料为结构钢、下部90米材料为混凝土的塔架的形变云图及应力云图如图8所示,上部90米材料为结构钢、下部30米材料为混凝土的塔架的形变云图及应力云图如图9所示。
![](//html.hanspub.org/file/6-2570701x25_hanspub.png?20230306083405208)
Figure 5. Add detection points to deformation nephogram
图5. 在形变云图中添加探测点
(a)
(b)
Figure 6. Deformation nephogram and stress nephogram of 120 m all-steel tower
图6. 120米全钢塔架的形变云图及应力云图
基于本文研究对象的实际情况,在迎风面对塔架底部、30米处、60米处、90米处、顶部这些特殊位置添加探测点,如有拼接则在拼接处上下都添加探测点。得到数据,应力如表1所示,形变如表2所示。
由表1、表2的对比结果可以看出,塔架受力最小处在塔顶及塔底,塔架受力最大处在塔架中部及衔接处。应力最大处也是形变最大处,由此可知,长此以往,此处会成为损伤最大区域,即整个风机塔架最先损坏的部分。
5. 模型设计及效能分析
目前单件风机塔架不可拆卸,一处损坏需要将塔架全部替换,造成材料的浪费,经济效益低。在运输方面,塔架的高度与重量增加了运输的难度,增加了人工工作量,在增加工程量的同时也造成了安全隐患。故本文提出一种钢–混凝土 [13] 材料的嵌套式组装 [14] ,对整体风机塔架分块处理,运输到风电场后再进行组装。
(a)
(b)
Figure 7. Deformation nephogram and stress nephogram of 60 m steel and 60 m concrete tower
图7. 60米钢、60米混凝土塔架的形变云图及应力云图
(a)
(b)
Figure 8. Deformation nephogram and stress nephogram of 30 m steel and 90 m concrete tower
图8. 30米钢、90米混凝土塔架的形变云图及应力云图
如图10所示,将塔架设计成120˚的模块,三个即可组为一层。塔架内壁铺设钢管,外部浇筑混凝土,钢管比之一般的钢筋,具有防漏水的功效。钢–混凝土材料保证了塔架的硬度及韧性,模块化塔架减短了生产周期,省去混凝土一层一层浇筑的施工时间,塔架不必整体运送,减少运输难度。
如图11所示,为组装后的一层塔架结构。
对修正后的模型再次进行上述仿真。已知整个塔架受力最大处在塔架中部,故选择此处作为研究对象。探究其在三种机头重量及最小风速5 m/s、平均风速15 m/s、季风风速25 m/s三种风速下的受力及形变。应力分析结果如图12所示,形变分析结果如图13所示。
(a)
(b)
Figure 9. Deformation nephogram and stress nephogram of 90 m steel and 30 m concrete tower
图9. 90米钢、30米混凝土塔架的形变云图及应力云图
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Stress detection point data
表1. 应力探测点数据
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Deformation detection point data
表2. 形变探测点数据
对其添加探测点,得到的数据如表3所示。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Stress and deformation detection point data
表3. 应力及形变探测点数据
(a)
(b)
Figure 14. Stress nephogram and deformation nephogram of design model
图14. 设计模型的应力云图及形变云图
依优化模型提出的方案对整体塔架建模,新建塔架进行应力分析和形变分析,结果如图14所示。
由修正模型的受力数据可知,修正模型不仅自身质量小,并且能承受更大的载荷,足以满足大型风电塔架的要求。
6. 结论
本文对120米高塔架的进行建模,探究不同比例混凝土段和钢段组成的塔架在不同风速、不同风机机头压力下的受力情况。使用应力云图展现整体塔架的受力及形变,采用探测点的方法监测点的数据。通过对数据的采集分析得出塔架中部及衔接处受力最大、损伤最重的结论。
本文提出一种结构嵌套式组装方式,与传统风机塔架相比,该方案不仅满足大型风电塔架的要求,还具有施工周期短、运输方便、易更换更经济的特点。对于未来风机塔架结构的优化有一定的参考价值。
致谢
感谢基金项目《基于光纤检测系统的运营期海上风电叶片多区域损伤定位机理研究(61803325)》为研究提供基金支持。
基金项目
基于光纤检测系统的运营期海上风电叶片多区域损伤定位机理研究(61803325)。