风机塔架水平位移角计算方法与应用.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:刘正树男高级工程师主要从事能源建设管理工作风机塔架水平位移角计算方法与应用刘正树毛玉娇闫海峰(三峡集团西藏能源投资有限公司四川 成都)摘要:风力发动机塔架顶端水平位移过大易引起振动从而影响运行安全许多学者提出积分计算塔架水平位移公式鉴于此运用动量定理推导了风轮传递的水平推力公式利用叠加原理给出了多阶柱位移公式是避免了复杂积分的风机塔架水平位移角简化计算方法并结合措美哲古风电场风机塔架给出了应用实例关键词:多阶柱风荷载地震作用水平位移角中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:近年来我国风电行业蓬勃发展风机直径和单机容量不断提升与之配套的风机塔架也相应朝着高柔高耸化方向发展如采乃风电场风机轮毂高 塔架是风机的重要组成部分属高耸承重结构通常为圆筒形钢结构所受荷载较为复杂其顶端水平位移过大易引起振动从而影响运行安全 根据现行标准高耸结构在以风荷载为主的荷载标准组合及以地震作用为主的荷载标准组合下结构类型为钢结构时其水平位移角(水平位移与塔架总高度比值)按线性分析不得大于/按非线性分析不得大于/风力发电机组塔架/提出塔架设计原则但未给出塔架水平位移角计算公式 许多学者对风机塔架水平位移已广泛研究张燎军提出塔架水平位移:()()()()()()宋曦提出略去集中压力和分布风压引起的位移提出塔架水平位移为:()()()()笔者认为水平位移采用积分计算过于复杂为此简化风荷载和地震作用提出了风机塔架水平位移角简化计算方法结合措美哲古风电场风机塔架给出了应用实例 水平位移角计算方法.概述风机塔架可简化为柱底固定柱顶自由的多阶柱(变截面)属于压弯构件类似悬臂梁所受永久荷载主要是塔架自重、机舱自重、叶轮自重所受可变荷载主要是风荷载所受作用主要是水平地震作用水 电 与 新 能 源 年第 期.荷载计算.风荷载沿柱身产生的线荷载根据高耸结构设计标准.条规定垂直作用于高耸结构表面计算面积上的风荷载标准值应按下式计算:式中:为基本风压为高度 处的风压高度变化系数为风荷载体型系数为风振系数 为简化计算塔架全高范围可用塔顶风荷载标准值.风轮传递的水平向推力)正常工况 根据贝茨理论风轮从风中所能获取的能量占通过风轮扫掠面的全部风能比例最大值为/也即.故若来风额定风速为 则风轮面风速为/风轮面之后风速为/最佳功率时作用在风轮面上的推力可由动量定理来推导 设空气密度为 风轮直径为 风轮面积为 时间 内通过风轮的空气质量为、体积为、风速为 则 ()因此推力为()()暴风工况 目前计算暴风工况时的风轮水平推力有不少公式但计算结果相差很大哪一个公式的计算结果比较符合实际情况至今尚无定论苏联法捷耶夫公式.式中:为桨叶的投影面积 为风轮中心暴风速/为桨叶数丹麦 公式 式中:为风轮单位面积上的平均风压 通常取/为风轮的扫略面积笔者认为暴风工况时可按下式计算 ()式中:为叶轮实心率(无资料时可取.)为最大暴风速度/为风轮的扫略面积)水平地震作用 根据风机塔架特点可简化为单自由度体系分析水平地震作用 水平地震力:式中:为结构等效总重力荷载为水平地震影响系数最大值.水平位移角计算风机塔架通常可简化为三阶柱 五阶柱(即四段塔架 六段塔架)如甘天地塔筒分 段并近似认为各段塔架截面保持不变 根据等截面柱、单阶柱、二阶柱位移计算公式(见表)可同理推出在柱顶水平荷载、沿柱匀布荷载、柱顶弯矩作用下四阶柱柱顶水平位移计算公式(见表)其中 为弹性模量 为惯性矩 为塔架高 为柱顶水平荷载 为沿柱匀布荷载 为柱顶弯矩表 等截面、单阶和二阶柱柱顶水平位移计算公式荷载类别等截面柱单阶柱二阶柱柱顶水平荷载()()沿柱匀布荷载()()柱顶弯矩()()表 四阶柱柱顶水平位移计算公式荷载类别计算公式柱顶水平荷载 ()沿柱匀布荷载 ()柱顶弯矩 ()刘正树等:风机塔架水平位移角计算方法与应用 年 月 可得塔架水平位移计算一般公式为 于是塔架水平位移角计算式为 工程应用实例措美风电场位于西藏山南市措美县哲古镇南部区域风机基础平均海拔介于.之间是目前世界最高海拔风电场.工程条件)气象 措美县属高原温带半干旱季风气候区措美哲古风电场空气稀薄空气密度约./最大风速约 /总体来看下午和夜间以及冬春季的风速、风功率密度大上午以及夏秋季风速、风功率密度相对较小)地质 措美哲古风电场场地土主要为碎石土属中硬土平均厚约.基岩以粉砂岩、石英砂岩为主不良地质作用不发育场地类别为类场址区 年超越概率 的地震动峰值加速度为.地震动反应谱为.相应地震基本烈度为度 设计地震分组第三组)塔架 措美风电场由于试验需要风机塔架有 和 .两种塔高本文拟选取 塔架进行分析塔架总质量.弹性模量 .塔架外径 .质量密度 /等效体积 .等效截面积 .对应的风力发电机叶轮、机舱和发电机总质量约.工作额定风速 /叶轮半径.措美风电场塔架按抗弯刚度不同分为 段属独立悬臂多阶柱第 段(底段)抗弯刚度最大第 段(顶段)抗弯刚度最小/.塔架各段主要几何物理特性参数见表 表 风机塔架主要几何物理特性参数塔段塔高/平均外径/等效截面积/等效厚度/截面惯性矩/抗拉刚度/抗弯刚度/第 段.第 段.第 段.第 段.第 段.风荷载.风荷载沿柱身产生的线荷载)基本风压 为基本风压(/)取值不得小于./经查建筑结构荷载规范附录 乃东县泽当 年重现期./根据././故措美风电场基本风压应取./)风压高度变化系数 为高度 处的风压高度变化系数措美风电场地面粗糙度类别可按 类考虑值见表 为简化计算风压高度变化系数按统一的最大值考虑拟取.表 风机塔架风压高度变化系数(类)/.)风荷载体型系数 为风荷载体型系数 措美风电场风机塔架为圆筒型高耸钢结构表面光滑/.查表并按线性插值计算得.)风振系数 为风振系数按式 确定 脉动增大系数经查表且为简化计算拟统一取.风压脉动和风压高度变化等的影响系数拟统一取.振型、结构外形的影响系水 电 与 新 能 源 年第 期数拟统一取.因此措美风电场风振系数.为简化计算可用风机塔架顶部风荷载标准值代表全塔的风荷载值即 ././.风轮传递的水平推力正常工况时水平推力:./.暴风工况时水平推力(最大风速 /空气密度./):按 苏 联 法 捷 耶 夫 公 式 得:.按丹麦 公式得:按笔者推荐公式得:显然 公式过于保守法捷耶夫公式相对合理但未考虑空气密度对推力影响.水平地震作用结构等效总重力荷载:(.)./地震影响系数:因特征周期 .(三组类)结构自振周期 .故 由曲线下降段公式确定 (/)钢结构塔架阻尼比为.故衰减指数:.(.)/(.).阻尼调整系数:(.)/(.).水平地震影响系数最大值:多遇.设防.罕遇.风机塔架水平地震作用计算成果见表 表 风机塔架水平地震作用计算表多遇地震设防地震罕遇地震水平地震影响系数最大值.地震影响系数.结构等效总重力荷载/水平地震作用/.塔架水平位移角计算与分析.柱顶水平位移角计算措美风电场风机塔架可简化为柱底固定柱顶自由的四阶柱风机外形见图 水平位移角计算简图见图 图 风机外形图 风机塔筒水平位移角计算根据表 相关数据计算出、三个重要系数具体计算结果见表 在表 计算结果的基础上计算出各种工况条件下水平位移、利用合位移除以塔高即得到水平位移角具体计算结果见表.分析与讨论)在风荷载、多遇地震、设防地震、罕遇地震各自单独作用下以及风荷载 多遇地震、风荷载 设防地震共同作用下水平位移角均小于/水平位移角满足高耸结构设计标准要求)在风荷载 罕遇地震共同作用这种概率极小的工况下 水平位移角大于/水平位移达到.由此可知为统筹安全与经济塔架刚度没有考虑这一极小概率工况的要求)风荷载单独作用下正常工作状态水平位移角/最大水平位移.约占塔架高度.设防地震作用下水平位移角/最大水刘正树等:风机塔架水平位移角计算方法与应用 年 月平位移.约占塔架高度.两种工况基本符合行业内柱顶水平位移控制塔高.的要求)按上述方法对塔高.塔架分析可得风荷载单独作用下正常工作状态水平位移角/最大水平位移.约占塔架高度.设防地震作用下水平位移角/最大水平位移.约占塔架高度.表 措美风机塔架柱顶水平位移系数计算结果塔段塔高/累计塔高/截面惯性矩/系数/系数 系数/第 段.第 段.第 段.第 段.第 段.合计.表 措美风机塔架柱顶水平位移角计算结果工况/水平位移角风荷载./多遇地震./设防地震./罕遇地震./风 多遇地震./风 设防地震./风 罕遇地震./结 语)本文根据贝茨理论并运用动量定理推导风轮在正常工况下达到最佳功率时的水平推力为:/额定风压 风轮面积与相关文献保持一致 本文创新提出风轮在暴风工况水平推力为:实心率 暴风风压 风轮面积)风轮水平推力最大值由正常工况还是暴风工况决定与风场的暴风风速和空气密度相关 措美超高海拔风电场风轮水平推力最大值由正常工况决定)风机塔架水平位移角限值是塔架设计的重要控制指标本文推导 阶塔架水平位移计算公式为:是计算风机塔架水平位移的主要公式可参考使用)风荷载产生的水平位移中风轮传递的水平推力产生的水平位移约占 沿塔架高度方向风荷载产生的水平位移约占 这表明风轮平推力产生的水平位移是主要的同时沿塔高风荷载产生的水平位移也不可忽视参考文献:黄汉艺.高山风电项目建设管理要点探讨.水电与新能源 ():高耸结构设计标准张燎军.风力发电机组塔架与基础.北京:中国水利水电出版社 宋曦 戴建鑫.水平轴风力机塔架的力学建模及 仿真分析.甘肃科学学报 ():刘同兵 吴春龙 徐先林.风电塔筒制造质量控制技术研究.水电与新能源 ():姚谏.建筑结构静力计算实用手册.北京:中国建筑工业出版社 建筑结构荷载规范