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?电气与自动化
宋力兵,等·兆瓦级风电机组基础环优化设计
兆瓦级风电机组基础环优化设计
宋カ兵,欧阳华
(南车株洲电力机车研究所有限公司,风电事业部,湖南株洲412001)
摘要:根据风力机组基础的受力特点,分析了风电机组基础环在极端工况和正常工况下基础
环的设计要点,建立了工程力学模型和有限元模型;通过计算数据说明了基础环上下法兰应力
随着相关参数的变化规律。研究基础环下法兰与基础混凝土的相互作用,为基础环优化设计
提出可行性建议。
关键词:风力发电机组;エ程力学模型;有限元模型;优化设计
中图分类号:TH12;TM614文献标志码:B文章编号:1671-5276(2012)02-0160-04
Optimization Design of Foundation Insert for Multi-mw Wind Turbine
SONG Li-bing, OUYANG-HUA
Pr B z E m Resh sie C Zhuzhou 412001 China
Abstract Accordin o h union load bean haecs of w urine, his paper analyzes the foundation insert design
points under normal and extreme load conditions, builds ite element model and engineering mechanics model, illustrates the upper
and lower flanges load bearing variation with the parameters by calculating the data, researches on the interaction relationship be-
tween the lower flange and the concrete and offers feasibility ecommendation for foun ation insert optimum design
Key words wind turbine; engineering mechanics model; finite element model; optimum design
0引言
2基础环分析优化
风力发电机组具有承受360方向重复荷载和大偏心受
讨算用的坐标系为塔底坐标系,坐标系如图2所示。风
力的特殊性,对地基基础的稳定性要求较高“。风电机组的电机组塔基载荷是通过模拟计算得到的y平面的最大弯矩
塔筒与基础构成风电机组的支撑结构,将风力发电机支撑于Mxy,基础环法兰焊缝位置处以及椭圆孔位置处的载荷可以
60~100m的高空以获得充足、稳定的风力发电。风电机通过外推法得到,兆瓦级风电机组的塔底载荷表1所示
组塔基下段的基础环是风电机组中的关键部件。它不仅承
受风电机组的重力载荷,还承受来自风的动力学荷载,将载
荷传递给风电机组基础上。风电机组基础环的强度和疲劳
寿命直接影响整个风机组的安全和使用性能,因此必须全面
分析风电机组基础环结构特性,进行优化设计
1基础环设计
て、
风电机组基础环必须满足制造、安装、运输方便、成本
理的要求,并且性能优越。采用圆柱形钢筒结构,由L
M
型上法兰、筒壁、T型下法兰焊接而成,筒壁有上下两排椭
园孔,用于基础施工穿钢筋。基础环结构如图]所示,对
于筒壁的拉伸性能分析可以忽略上法兰脖颈高度,材料屈
xF:水平方向
zF:垂直向上;
服性能考虑板材的厚度。
F:水平方向,xF、yF
zF为顺时针方向旋转
图2塔底坐标系
图1基础环结构图
作者简介;宋力兵(1982一),男,湖南郑州人,工程师,硕士,主要从事风电机组系统方案设计、风电机组部件设计与校核方面的工作。
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htp:/∥ZHD. chinajournal.net.cnE-mail:ZZHD@ chainajoural.net.cn《机械制造与自动
电气与自动化
家力兵,等?兆瓦级风电机组基础环优化设计
表1风电机组碁础载荷
位置
高度
M
M
F
塔基
0
1759.5
79342
79361
1114,4
1114.7
L型法兰焊缝位置-0.185
1749
79548
79567
1366
1115
1115
上部椭圆孔
0.850
1710
80289
80306
1118
1118
下部椭圆孔
1.650
1663
81179
1121
1122
T型法兰焊缝
2.250
628
81847
81862
1124
29
1124
2.1上法兰优化设计
由于钢质锥筒形塔架的轴对称性,以及所受载荷较为
简单的性质,其法兰连接可以采用简单的工程计算方法。
?c
根据CL规范,法兰连接极限计算采用 Petersen方法。
Petersen方法只计算最危险螺栓,并把它进行了大胆的力
学简化。如图3所示。
图3 Peterson方法基本假设
Petersen方法特点:没有考虑螺栓预紧力作用对变形
的影响。螺栓只用弹簧模拟,而且预变形为0。由于弹簧
不承受弯矩作用,计算的螺栓没有考虑弯矩的影响。对于
螺栓采用大的安全系数,弥补了计算的不精确,与实验数
据基本相符;采用扭簧模拟接触抗弯矩作用,固绞支模
拟法兰内侧受拉力是不会发生张口变形;对于法兰的变
形,将其假设为梁,并采用两条3次曲线进行变形挠度的
模拟。
可以通过调整一些法兰关键参数获得优化的设计结
果,可调节的参数有法兰内外径,法兰厚度、法兰螺桧孔中
心直径等,计算结果的改变反映参数的调整,从各种组合
中选择一种成本科性能最优的组合。
优化后的法兰连接计算如表2所示,结果分析可知螺
栓的极限应力小于螺栓的屈服强度,螺栓强度满足要求
在预紧力分别为1280kN时,法兰正压力都大于0,法兰
没有张开;螺栓孔处法兰的最大应力都小于法兰的屈服极
限;而法兰L角点的应力小于法兰的屈服极限。法兰强度
满足设计要求。
表2 Peterson方法基础环法兰校核结果
输入参数
参数输出
法兰参数
螺栓参数
垫片参数
载荷
法兰
螺栓
法法法法脖螺孔螺最极公数公应垫鹁墊弯轴预法法法法
兰
兰兰颈孔颈栓大限称目称力圈圏片矩向紧兰
外内宽厚壁中
等拉强直
截面外内厚
力力正螺螺
径径度度厚
级应度径
面积径径度
压栓栓
角
力
积
力孔孔点
校应应应
螺栓拉应力校核
核力力力
校校
核核
420370280165390610.99010051024632001662127302520712802