第一章 绪论
1.1 引言
中国做为一个发展中国家,发展经济是其首要任务并且是未来主要战略任务。能源问题是国民经济的基础,但是如何为经济发展提供良好的能源保障,将是中国在今后的发展中面临的巨大挑战。在过去的几十年里,化石燃料推动了经济的快速增长,然而也带来了很多的环境问题。世界上越来越多的国家意识到,大力发展太阳能、风能、地热能等新能源和可再生能源才是解决能源与环境的问题重要措施之一。风电做为最具开发潜力的可再生能源之一,具有资源丰富、经济竞争力强、环境友好,技术成熟等优势,是最有可能将来的发展中支撑中国经济发展的能源技术之一。目前,我国风电产业迅猛发展,我国风力发电的总装机量达到了 1.67 亿千瓦。风电的迅猛发展给塔架带来了新的挑战,目前我国 MW 机组塔架高度普遍为 65 米至 100 米,而且钢制塔架居多,在未来的发展中,大型风电机组的塔架高度将有可能继续增长,从而增加主机发电量。在塔架进一步加高的趋势下,传统的钢制塔架将很难满足设计要求,混凝土下层结构与钢制锥管状塔架相结合的形式成为了解决这个问题很好的方案。
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1.2 课题研究背景
能源工业做为国民经济发展的基础,同时他也是是人类社会必需的重要物质条件,是人类社会经济发展和文明进步的重要保障。目前,人类利用的能源的主要形式为以煤和石油为主的化石能源,核能以及可再生的太阳能和风能占据能源的一小部分,能源在今天已和空气、水一样,是我们生活中不可或缺的一部分。但是,人类所能够利用的化石资源是有限的而且还是不可再生的,在过去的 100 年里,西方国家依靠充足的化石能源,支持着西方的文明发展[1]。在当今的社会中,有更多的国家需要发展,因而就需要更多的能源作为其发展的后盾。据第二届环太平洋煤炭会议资料显示,按照目前的技术水平和采掘速度计算,全球煤炭资源可供开采的时间只有 200 年。此外,依据探明的石油储量推测石油仅能开采 30 多年,天然气约能开采 60 年[1]。与此同时,化石能源大量燃烧所带来的气候问题则更加严峻,中国大部分地区的雾霾就是很好的佐证。如果不能尽早地调整以化石能源为主体的能源架构,势必会对数亿年来地球积累的化石能源带来更大规模的消耗,由此最终将会导致有限的化石能源趋于枯竭,而人类赖以生存的生态环境质量也会下降,这将不利于现实社会中的经济、能源、环境的协调发展[1]。近年来,能源问题日益成为人类面临的最严峻的问题之一,21 世纪人类社会必须寻求安全清洁的能源供应方式。这个问题不解决将势必会影响人类经济的发展和社会的进步。风能作为一种清洁可再生低碳能源,越来越引起人们的重视。目前,风力发电是既能获得能源,又能减少有害气体排放的良好途径之一。随着近年来风电的不断发展,风电技术也日趋成熟。风力发电正在朝着更大功率的方向发展;更大直径的叶轮以及更高的塔架成为现在风电发展的一大趋势。塔架作为风力发电机的重要组成部分之一,其主要作用是支撑叶轮及其机舱,并将发电机组送到设计高度处,以便使得叶轮能搞获得足够的风能从而带动发电机发电。目前国内外大型风力发电机组的塔架的主流结构形式为锥筒型塔架,国内外对于此种形式的塔架做了很深的研究,其中包括静力学分析、模态分析、经济分析及防腐性能分析等等[2-5]。
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第二章 混合式塔架的载荷分析
风力发电机塔架作为风电机组重要的组成部分之一,其主要作用是支撑主机中的所有零部件,风电机组中的各种载荷都要传递到塔架,因此为了使机组获得更好的风能利用率,不紧要使得塔架满足设计的高度,还要使得塔架满足其自身的强度,刚度和稳定性的要求[21]。因此在风力发电机塔架进行设计之前,必须针对塔架所处的风场环境,对塔架所受的载荷进行详细的分析。塔架所受的载荷计算对于塔架的设计尤为重要,只有准确的载荷才能对今后塔架的设计提供很好的依据,才能使得塔架拥有最优化的设计。塔架的载荷是风力发电机塔架稳定的决定性因素,故有必要对塔架所受的载荷进行精细的计算,以得到最切合实际运转状态的载荷。
2.1 塔架模型简介
本文选取的坐标系是 GL 规范[22]中通用的塔顶坐标系和塔底坐标系,塔顶坐标系的原点在塔架轴线和塔顶上边缘的交点上,且不随舱体转动。XK 沿着风轮旋转轴的水平方向,固定于塔架;ZK 沿塔架轴线竖直向上;YK 沿水平方向,且 XK,YK 和 ZK 按右手定则确定;本文以内蒙古某风场作为实例研究对象,该风场属于大陆性季风气候,当地的基本风压为 0.7kN/m2。该地区地形为丘陵地貌,地势平缓,建筑物稀少,地面粗糙度类别为 B 类,海拔高度约为 1200~1400m。风能的众值都出现在 11~15m/s 风速区间,约占全部风能分布 60%。本论文以高度为 100 米 2MW 塔架为例进行研究,塔架下段采用预应力混凝土结构,混凝土塔段的高度为 15 米,塔底的截面外径初步设定为 7m,壁厚为 0.35m,混凝土塔顶的外径为 4m,壁厚为 0.25m,混凝土塔段共分为 3 段,每段为 5m,混凝土强度等级采用 C55。塔架上段为钢结构,钢制塔架下段的外径为4m,厚度初步设定为0.035m,钢制塔架顶部的外径为3m,厚度为0.018m,钢材的强度等级为 Q345,整个钢塔的高度为 85 米。塔架的壁厚沿着高度的增加呈线性减小趋势,风轮和机舱总质量约为 90t。
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2.2 塔筒载荷概述
风力发电机塔架所承受的主要载荷有塔架顶部风轮和机舱对塔架产生的重力,机头的偏心弯矩,塔顶的气动推力,塔架自身的重力载荷。塔架所受的载荷示意图如下图所示混合式风力发电机塔架的概念最早由国外企业提出,在国内属于较新颖的结构。截至到目前为止,能够独立完成混合式风力发电机塔架设计的公司在国内屈指可数,目前对于此类发电机塔架并没有相关行业标准,其设计的要素和关键点并不十分清楚,因此有必要对此种形式的混合塔架进行详细的探讨,对于不明确的地方提供很好的案列。本章主要利用混凝土结构设计的基本原理,并结合已有钢制塔架的设计经验,对混合式塔架进行详细的分析和校核。
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第三章 混凝土段塔架结构设计....... 23
3.1 设计参数的选择 ........ 23
3.1.1 塔架的总高度 ........... 23
3.1.2 塔顶的宽度 ..... 23
3.1.3 塔底宽度 ......... 23
3.1.4 过渡段宽度 ..... 24
3.2 钢筋混凝土结构的初步校核 ........ 24
3.2.1 无孔洞塔筒截面承载能力计算 ............. 24
3.2.2 有一个孔洞塔筒截面承载能力计算 ..... 26
3.2.3 预应力混凝土塔筒正常使用极限状态下的计算 ..... 28
3.2.4 混凝土塔筒在各项载荷标准值和温度共同作用.......32
第四章 钢段塔架强度及稳定性分析.........37
4.1 钢段塔架的基本参数 .......... 37
4.2 塔架强度计算 ............ 39
4.2.1 各焊接段极限强度校核 ..... 40
4.3 塔筒屈曲的计算 ........ 42
4.4 疲劳分析 .......... 50
第五章 混合式塔架模态分析...........57
5.1 模态分析理论 ............ 57
5.2 塔架系统模态参数计算 ...... 57
5.3 塔架系统的有限元模态分析 ........ 59
5.4 塔架系统的稳定性分析 ...... 66
第五章 混合式塔架模态分析
风力发电机塔架的模态分析属于动力学分析的范畴,主要研究的是塔架的结构振动问题。大型风力发电机塔架的顶端部位安装有较大质量的机舱和轮毂及其相关的附件,而风机所受的载荷也相当的复杂,当风力发电机组在空气动力、弹性力和惯性力等交变载荷的相互作用下,势必会使得风力发电机塔架与叶轮之间产生耦合振动,若塔架的固有频率与外界的激励频率相差不大时,就会使得整个风力机系统产生共振,这样会给整个风机的稳定性带来严重的影响。如果此种耦合的振动持续发生,不仅会使机组寿命严重缩短,甚至系统也会发生崩溃,最严重会使整个机组倒塌,因此对于混合式塔架进行模态分析十分重要,他是塔架稳定性分析的前提,是塔架能够持续、稳定和高效运行的保证[32]。模态分析主要用于确定风力发电机塔架结构的振动特性,即固有频率和阵型,是动力学分析的重要参数。本文采用有限元的方法,对其塔架结构进行详细的分析,最终得出塔架的固有频率,并与风力机叶轮的激励频率进行分析比较,确保系统在一定的频率范围内不会发生共振[33]。
5.1 模态分析理论
从理论上分析,模态分析方法本质上是一种数值分析方法,他是将模型在以物理坐标系下的力学特性描述转述为用模态坐标系来描述的数值方程组,通过求解方程组得到系统的模态参数如固有频率和振型等[34]。模态分析包括理论模态分析和实验模态分析,理论模态分析就是将模型的系统物理参数如质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵以及外载荷等建立运动微分方程,通过求解方程组特征值和特征向量来得到模态参数。实验模态是通过实验手段外加激励来激发系统的模态[34]。
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结论
本章通过对混合式风力发电塔架的设计与优化,并与锥台型塔筒对比分析,可以得出如下结论:
(1) 首先我们针对内蒙古风场某地的载荷做了详细的分析,并尽量得出与实际工况相近的载荷,为以后的计算和校核提供很好的依据;
(2) 我们依据塔架的宽高比并结合以往的塔架设计经验,建立起混合式塔架的初步模型,首先我们需要对下段混凝土段进行校核,我们首先分析了塔架承载能力的计算,然后分析了在正常使用情况下,塔架所受到的载荷,并结合水平裂缝宽度的计算,最终得出下段混凝土段满足设计的要求;
(3) 对于上部的钢制塔架,我们根据之前建立的塔架模型,首先进行了强度的校核,然后进行了屈曲和疲劳的校核,对于强度不足的塔段进行了加强,并对一部分塔段进行了优化。最终确定了上段钢制塔架满足设计的性能要求;
(4) 对于塔架的校核计算,仅仅对其强度和承载能力的校核还远远不能满足要求,必须对其模态进行深入性的分析,以确定该塔架并不会发生共振。我们首先根据上部分确定的塔架模型建立其三维模型,然后将模型导入到有限元软件中,然后施加载荷,最终求得该塔架的 5 阶模态。由此生成坎贝尔图,由此得出,在塔架运行的范围内,该塔架不会发生共振的现象;
(5) 在最后我们从成本,安装、运输,实用性方面对该混合式塔架和钢制塔架进行了详细的对比,由此我们可以分析出,该混合式塔架相对于钢制塔架更方便,实用性更好。
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参考文献(略)