风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究.doc

风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究赵文涛曹平周陈建锋(河海大学土木工程学院,江苏南京210098(CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098[摘要]目前我国相关规范和规程尚没有对风力发电钢塔筒给出具体的荷载计算方法。本文分析研究了风力发电塔筒的荷载特点,总结了风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合。对水平气动载荷公式进行修正,,并对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析,提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。[关键词]风力发电;钢塔筒;荷载;有限单元法ABSTRACT:Atpresent,,itwasanalyzedandsummarizedaboutloadcharacter,,,:windturbine;steeltower;load;finiteelementmethod引言风能作为一种绿色能源,得到世界各国的重视和开发利用。塔筒作为风力发电机和叶轮的支撑结构,其结构的安全可靠性是确保风力发电机组正常运转的关键因素之一。塔筒结构的设计,首先要涉及到荷载作用。除了自身的重力外,塔筒还要受到风轮和机舱的重力作用以及作用在塔身上的风荷载,另外还要受到通过风轮作用在塔筒顶端的气动荷载、偏转力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒所受荷载具有特殊性,目前我国还没有统一的风力发电塔筒承受作用计算方法,已建塔架考虑所受荷载采用的计算公式差别较大。本文分析风力发电塔筒的荷载特点,结合相关研究成果,总结系统的塔筒荷载作用类型和计算方法以及荷载组合方式。对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析,提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。,风荷载通常是引起结构侧向位移和振动的主要因素,起控制作用。风力发电机的发展方向是容量增大,随之风轮直径加大,塔架高度增加,导致作用在塔身上的风荷载增大。研究表明,由风压增大造成的荷载增加要小于塔高增加引起挡风面积的增加而引起的荷载增加[1]。除了塔身受到风荷载作用,塔筒顶端还受到风轮和机舱传来的多种力和力矩作用。在风轮运行过程中,风轮将作用在其扫掠面上的气动荷载以及自转产生的转矩传给塔架。由于风轮直径较大,可达70m,作用在风轮扫掠面积上端的风速不同于下端的风速,这种风速分布的不均匀性以及风向的偏转会产生偏转力、偏转力矩及俯仰力矩。由于旋转着的风轮能够随着风向的改变自动调节迎风方向,即风轮会绕着塔筒轴线转动,因此塔筒还受到陀螺力和陀螺力矩的作用。现代风机功率较大,塔筒高度较高,作用在塔壁上的风荷载沿塔高有较大变化。通过风轮和机舱传递给塔筒的荷载可以简化为沿三个坐标轴方向的集中力和力矩。风力发电塔筒受载示意如图1所示。图1塔筒受力示意图注:图中e为风轮中心与塔筒轴线间距离(m,xF、yF、zF及xM、yM、zM分别为风轮和机舱作用在塔筒顶部沿三个方向的合力(kN及合力矩(kN·m,(zω为作用在塔壁上的风荷载标准值(kN/m2。,风作用可分解为平均风和脉动风两种形式。平均风将结构吹到一个平衡位置,脉动风使其围绕平衡位置作振动。,底部直径约在4m左右,在平均风和脉动风的作用下会产生振动。塔筒属于悬臂型高耸结构,在工程抗风分析中,第1振型往往起控制作用。可将平均风乘以风振系数来考虑脉动风对结构的影响作用。我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001[2]规定垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值按下式计算:(((zsz0zzzωβμμω=(1式中,(zω为作用在塔筒表面任一高度z处的风荷载标准值(kN/m2;zβ为z高度处的风振系数;(szμ为风荷载体型系数;(zzμ为风压高度变化系数;0ω为基本风压(kN/m2。风力发电场通常设在风力资源较丰富、周围建筑物较少的地区,按文献[2]属于B类地区,此时(zzμ可按下式计算[2]:((=(2对于风力发电塔筒这种变截面自立式高耸结构的风振系数可按下式计算[3]:(z11vBzz1/zβξνθθϕμ=+(3式中,vθ为考虑截面变化的修正系数,根据塔筒顶面及底面直径,由文献[2]查得vθ=;Bθ为考虑截面和质量变化的修正系数,为高度z处迎风