風力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合研究

1、1風力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法風力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合研究和荷載組合研究趙文濤曹平周陳建鋒(河海大學土木工程學院，江蘇南京210098)(CollegeofCivilEngineeringHohaiUniversityNanjing210098)[摘要]目前我國相關(guān)規(guī)范和規(guī)程尚沒有對風力發(fā)電鋼塔筒給出具體的荷載計算方法。本文分析研究了風力發(fā)電塔筒的荷載特點，總結(jié)了風力發(fā)電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合。對水平氣動載荷公式進

2、行修正，提出修正系數(shù)0.4，并對某MW級風力發(fā)電塔筒的力學性能進行了有限元分析，提出塔筒設計時可變荷載中的第一可變荷載和最不利工況。[關(guān)鍵詞]風力發(fā)電；鋼塔筒；荷載；有限單元法ABSTRACT：AtpresenttherearenospecificloadcalculationmethodsaboutwindturbinetowerinChinesestards.Inthispaperitwasanalyzedsummarizedabo

3、utloadacterloadcalculationmethodsloadscombination.Thepaperproposescrectioncoefficient0.4whileaerodynamicloadequationwascrected.AfterfiniteelementanalysisofoneMWwindturbinetowerthepaperproposesthefirstvariableloadthewstlo

4、adcaseaboutthedesignofwindturbinetower.KEYWDS：windturbinesteeltowerloadfiniteelementmethod引言風能作為一種綠色能源，得到世界各國的重視和開發(fā)利用。塔筒作為風力發(fā)電機和葉輪的支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性是確保風力發(fā)電機組正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素之一。塔筒結(jié)構(gòu)的設計，首先要涉及到荷載作用。除了自身的重力外，塔筒還要受到風輪和機艙的重力作用以及作用在塔身上的風

5、荷載，另外還要受到通過風輪作用在塔筒頂端的氣動荷載、偏轉(zhuǎn)力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒所受荷載具有特殊性，目前我國還沒有統(tǒng)一的風力發(fā)電塔筒承受作用計算方法，已建塔架考慮所受荷載采用的計算公式差別較大。本文分析風力發(fā)電塔筒的荷載特點，結(jié)合相關(guān)研究成果，總結(jié)系統(tǒng)的塔筒荷載作用類型和計算方法以及荷載組合方式。對某MW級風力發(fā)電塔筒的力學性能進行了有限元分析，提出塔筒設計時可變荷載中的第一可變荷載和最不利工況。1風力發(fā)電塔筒的荷載特點與荷載計算方

6、法風力發(fā)電塔筒的荷載特點與荷載計算方法1.1風力發(fā)電塔筒的荷載特點風力發(fā)電塔筒的荷載特點風力發(fā)電塔筒屬于自立式高聳結(jié)構(gòu)，風荷載通常是引起結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和振動的主要因素，起控制作用。風力發(fā)電機的發(fā)展方向是容量增大，隨之風輪直徑加大，塔架高度增加，導致作用在塔身上的風荷載增大。研究表明，由風壓增大造成的荷載增加要小于塔高增加引起擋風面積的增加而引起的荷載增加[1]。除了塔身受到風荷載作用，塔筒頂端還受到風輪和機艙傳來的多種力和力矩作用。在風輪

7、運行過程中，風輪將作用在其掃掠面上的氣動荷載以及自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳給塔架。由于風輪直徑較大，可達70m作用在風輪掃掠面積上端的風速不同于下端的風速，這種風速分布的不均勻性以及風向的偏轉(zhuǎn)會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力、偏轉(zhuǎn)力矩及俯仰力矩。由于旋轉(zhuǎn)著的風輪能夠隨著風向的改變自動調(diào)節(jié)迎風方向，即風輪會繞著塔筒軸線轉(zhuǎn)動，因此塔筒還受到陀螺力和陀螺力矩的作用?，F(xiàn)代風機功率較大，塔筒高度較高，作用在塔壁上的風荷載沿塔高有較大變化。通過風輪和機艙傳遞給塔筒的荷載可以簡化

8、為沿三個坐標軸方向的集中力和力矩。風力發(fā)電塔3類時，根據(jù)文獻[2]查得=；為第一振型系數(shù)，對于風電塔筒應按彎曲型1?vB0.885??z?考慮，采用下式計算:??22344z643zHzHzH????（4）1.3作用于塔頂?shù)暮奢d作用于塔頂?shù)暮奢d在風輪運行過程中以及由于風速超出切出風速而停機時，風輪和機艙都將由風荷載和自身運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的集中力和力矩傳遞給塔筒。由于風輪在不同的風速工況下旋轉(zhuǎn)的速度不同，風輪和機艙傳遞給塔筒的荷載不同。因此，作

9、用于塔筒頂端的荷載效應應分額定風速、切出風速和極限風速三種工況計算。1.3.1額定風速工況荷載風力發(fā)電塔筒在額定風速作用下受到下列荷載作用：⑴氣動荷載風輪正常工作時，作用于風輪掃掠面上的氣動荷載用下式計算[4]：x1F22x1ppFCVR??（5）式中，為風能利用系數(shù)；為額定風速（ms）；為風輪半徑（m）。pCpVR⑵垂直力由風輪和機艙的質(zhì)量引起的垂直力用下式計算[5]：yFyFmg?（6）式中，為風輪和機艙的質(zhì)量之和（kg）。m⑶偏轉(zhuǎn)

10、力由于風向變化引起的偏轉(zhuǎn)力用下式計算[5]：zFzxcossinFF???（7）式中，為風速與風輪軸線間的夾角（）。?⑷轉(zhuǎn)矩可用下式計算[6]：xMx9550MPn??（8）式中，為風機功率（kw）；為風輪轉(zhuǎn)速（rpm）；為機械效率。Pn?⑸偏轉(zhuǎn)力矩可按下式計算[5]：y1M22y1p4sincos9MVRe?????（9）式中，為風輪中心與塔筒軸線間距離（m）。e⑹俯仰力矩由于風速分布不均勻而產(chǎn)生的俯仰力矩用下式計算[5]：z1M??