极端动力荷载作用下风力发电塔筒的破坏对比探讨--中国期刊网

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极端动力荷载作用下风力发电塔筒的破坏对比探讨

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：常慧英

[导读] 摘要：在能源短缺问题日益严峻的今天，大力挖掘和利用风能等可再生能源，推行风力发电战略已经成为当前发电行业的一个重要发展方向。

        （国电联合动力技术有限公司北京海淀区 100039）
        摘要：在能源短缺问题日益严峻的今天，大力挖掘和利用风能等可再生能源，推行风力发电战略已经成为当前发电行业的一个重要发展方向。其中塔筒是风力发电机组的重要组成部分，其质量直接关乎整体风力发电机组结构的整体可靠性与稳定，加强其结构稳定性设计研讨意义重大。本文以风力发电塔筒结构为研究对象，基于有限元模型构建，重点探讨了其在强风和强震两种极端动力荷载作用下的破坏情况进行了对比分析，以期有效确保风力发电塔筒结构的稳定性。
        关键词：风力发电；塔筒；极端荷载；
        随着我国风电产业的快速发展，风电场的规模持续扩大，也修建了许多风力发电机组，其中风电装机容量已经长期排名全球第一，充分展现出国内风电产业强大的发展潜力。其中塔筒结构是风力发电机组的重要组成部分之一，但是由于结构自身的特殊性，使得其容易因为风力作用下的共振问题或者强震荷载作用下的承载问题而出现结构破坏问题，进而会对风力发电机组的正常运行带来不利影响。
        1 极端动力荷载作用下风力发电塔筒破坏对比分析的意义
        当前国内频繁出现的台风问题使得许多风力发电机组的塔筒结构出现了严重的破损问题，加之部分风电场位于地震区域中，进一步增加了风力发电机组中塔筒结构在强震荷载作用下出现破坏的概率。虽然强风与强震二者都属于动力作用，但是二者的频谱特性与作用方式等相关性质却有所不同，所以为了更好地了解二者作用下风力发电塔的破坏情况，有必要对其进行模拟与仿真分析。
        2 极端动力荷载作用下风力发电塔筒破坏的对比分析
        2.1 模型建立与参数录入
        在本次研究中，以某典型2.0MW三叶片水平轴风电塔为研究对象，其中风电机组塔筒为圆柱状空心单管钢结构，轮毂高度与总高度分别为64.65m和61.8m，顶部最小直径与最小厚度分别为2955mm和10mm，底部最大直径与最大厚度分别为4355mm和25mm，塔筒总的重量大约为90t。在塔筒34.19m和13.39m位置处设置有法兰结构，塔底部位处则设置有带有加强梁的门洞，塔顶部位处设置有2.0MW的风机系统，单叶片的总长度32.8m。基于上述基本参数，在ABAQUS有限元建模当中，采用25段3D壳单元建立分析模型，以S4R类型为单元选择模式；叶片总共分14段来建立梁单元，截面采取广义截面的定义方式，最终确立了图1所示的风电塔模型。

        图1 风电塔筒结构模型
        （1）风荷载相关参数录入
        基于Turbsim软件，依据IEC61400-1规范生成风速时程，其中风力发电塔筒属于Ⅱa类，湍流强度对应值为0.16，风剖面与脉动风速谱分别采用指数型剖面与IEC Kaimal谱，幂指数、持续时间与时间步长分别为0.2，280s和0.01s。由于在风机保持正常运行状态下，最不利的风荷载条件下会使桨距角度调整到顺桨状态，这时候风向的突然改变会使得顺着风轮平行方向的如流状态成为最不利的风荷载情况，所以本文主要采取这种工况状态来进行风场生成。
        （2）地震荷载相关参数录入
        鉴于风力发电塔筒上面分布有偏心质量且底部设置有一个方向上面的门洞，所以其在水平地震作用下非常容易出现扭转相应，所以为了更好地对风电塔的实际破坏情况进行准确模拟，本次研究中最终确定采取三相地震的方式计算时程。通过从PEER数据库当中选择满足于风电塔场地的地震动记录，可知Taft波、Kobe波与EI Centro波在时间步长为0.01s作用下的具体信息如表1所示。
        表1 选用地震动信息

        2.2 强风与强震荷载作用下塔筒破坏对比分析
        基于上述模型构建与参数输入，可以开展非线性时程分析，具体过程如下：
        （1）强风荷载作用下的塔筒破坏过程分析
        在进行非线性时程模拟分析之下，塔筒在三组强风荷载下中有2组出现倒塌破坏，并且具有相似的破坏模式，所以仅对其中一组风场作用下的破坏状态进行分析，具体的塑性铰云图与应力云图分别如图2和图3所示。

        图2 风场作用下的塑性铰云图      图3 风场作用下的应力云图
        由于本文主要探讨塔筒在强风荷载作用下的破坏情况，所以为了更加清晰地展示视图，图中省略了叶片，仅仅展示了相应的破坏过程。由图2和图3可知，塔筒结构出现塑性铰与盈利较的最大位置发生在底部部位，之后逐步向上发展，其中塑性铰以及塔段间几何不连续部位是中心间隔分布。而应力集中位置以及全截面稳定塑性铰均发生在塔筒结构底部8.8m位置处，属于几何不连续部位，相应的厚度从19mm发展到18mm，最终出现倒塌问题。
        （2）强震荷载作用下的塔筒破坏过程分析
        在进行非线性时程模拟分析之下，塔筒在Taft波和Kobe波作用下出现倒塌，对应的塔筒破坏的应力云图与铰云图如图4~图7。

        图4 Kobe地震作用下的塑性铰云图图5 Kobe地震作用下的应力云图

        图6 Trfa地震作用下的塑性铰云图图7 Trfa地震作用下的应力云图
        由图4~图7可知，风力发电塔筒出现应力与塑性铰最大的位置都最早发生在底部位置处，之后逐步向上发展。塑性铰以塔段间几何不连续部位为中心间隔分布。并且倒塌的位置分别发生在塔筒塔高的2/3和2/5位置处，且均处于塔筒截面的几何不连续处。
        3 结论
        通过本文构建风力发电塔筒的结构模型，对比分析强风和强震作用下的风力发电塔筒破坏情况，可知极端荷载作用下的塑性铰最早出现于底部，之后逐步向上发展，并且塑性铰均发生在塔筒的几何不连续部位，一旦形成全面截面塑性铰，那么就会使相应的塔筒结构出现倒塌问题，所以在设计塔筒结构期间要避免其进入到塑性状态。而风荷载与强震荷载下的塔筒结构倒塌位置也会有所不同，破坏规律也有所不同，这些都是塔筒结构设计中需要考虑的重要因素。
        参考文献：
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        [2]彭超，周志红.风力发电机组塔筒地震载荷计算[J].太阳能学报.2017，23（7）：24-25.
        [3]戴靠山，赵志，毛振西.风力发电塔筒极端动力荷载作用下破坏的对比研究[J].振动与冲击.2019，38（15）：252-253.