超高钢混风电塔筒液压导向系统研究

为了更加高效的利用高空风能,作为绿色清洁能源之一的风力发电,朝着风电机组单机容量越来越大、承载基础的塔筒建设高度越来越高的趋势发展。传统锥筒式全钢塔筒逐渐被预应力混凝土-钢组合塔筒所取代。预应力混凝土-钢组合塔筒兼具混凝土塔筒及钢塔筒两者的优势,具有承载力高、稳定性好、运输施工维护方便、建设成本低等特点,以适应较高高度风电场的需求,代表了未来风电塔筒结构发展的方向。由于高空风载荷大、风电机组的偏心载荷大等不利因素,导致提升过程中产生大弯矩和扭转的工况。因此,导向问题已成为预应力混凝土-钢组合塔筒建设中需要首先解决的技术难题。针对这一难题,创新研制了超高钢混风电塔筒导向液压系统,结合传感检测和智能控制算法,克服上述不利因素,依次将混凝土内塔筒和中塔筒提升到位,高质量地实现了国内陆上最高的国家电投鲁阳170 m高的风电钢混塔筒的安装。

考虑P-Δ效应的钢-混凝土混合塔筒动力响应分析

为了提高风电机组钢-混凝土混合塔筒动力响应的分析效率,将风电机组钢-混凝土混合塔筒视为自由端有集中质量的欧拉-伯努利悬臂梁,提出了动力响应的高效分析方法.该方法考虑了重力二阶效应(P-Δ效应)对整体结构的动力响应,以及钢材与混凝土对结构整体阻尼比的影响.通过与基于ABAQUS的有限元模拟结果进行对比,验证了所提出分析方法的有效性,并研究了P-Δ效应对整体动力响应的影响程度.对比结果表明:与忽略P-Δ效应相比,考虑P-Δ效应时理论分析结果更接近于有限元分析结果;理论分析结果与有限元分析结果关于位移、速度和加速度均方根的最大相对误差分别为3.09%、3.81%、4.63%.这表明所建立的风电机组钢-混凝土混合塔筒动力响应分析模型具有与有限元分析相当的计算精度.

风电钢混塔筒健康在线监测系统

为了满足风力发电场对风电塔筒健康管理以及健康数据融入系统控制的需求,结合风电领域中的钢混塔筒提出了一种风电钢混塔筒健康在线监测系统,对总体方案、硬件架构、软件功能、传感器类型及安装部署进行论证,并在现场进行测试和可行性验证。该监测系统能够掌握预应力索索力、基础不均匀沉降、运行姿态、应力应变、振动、螺栓健康、接地干线电阻以及安全防护设备等实时运行数据,为风电钢混塔筒的健康运行和塔筒内工作人员的生命安全提供了有力的保障,获得的数据也将为塔筒制造方对其后续产品优化设计提供重要依据。

陆上风电钢混组合结构塔架风致疲劳寿命识别方法

风致疲劳是长期积累的过程,单个风荷载事件可能不会导致结构的立即破坏,且不同材料和构件之间的相互作用、应力集中、局部应力等影响塔架受力关系,难以分析不同方向上的空气荷载力,因此,对疲劳寿命的识别精度不佳。对此,提出陆上风电钢混组合结构塔架风致疲劳寿命识别方法。利用SESAM/GeniE模块,将实际结构转化为有限元模型,计算出塔架结构不同方向上的空气动力荷载,并将其进行组合,即可得到综合荷载值;通过分析塔架外力荷载与疲劳寿命之间的关系,累加综合损伤值,即可得到塔架的风致疲劳寿命的识别结果。实验结果表明,采用文中所述识别方法对风电钢混组合结构塔架疲劳寿命进行识别时,随着风速的不断提高,相同节点处的塔架疲劳损伤量也有所变化,识别结果与实际情况之间的应力响应均方根较低,说明该方法具备较高的识别精度。

CFRP局部加固对腐蚀后风电塔筒滞回及屈曲特性影响

海上风电塔长期服役于海洋腐蚀环境中,塔筒结构在海洋腐蚀环境及风、浪、地震等往复荷载作用下易出现局部屈曲及倒塌破坏。本文提出将碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)用于腐蚀后风电塔筒的局部加固,开展了CFRP-钢结构单剪实验及数值仿真研究。在单剪实验的基础上,基于ABAQUS软件及Python编程开展了CFRP加固腐蚀风电塔筒的滞回性能研究,对比了4种腐蚀工况及6种加固工况结构的破坏形式及耗能机制。研究结果表明:高温环境会使得CFRP与钢的黏结界面出现软化现象,导致CFRP-钢复合结构承载力下降。但在拉力作用下CFRP-钢复合结构均表现为纤维丝断裂早于胶层破坏,在数值模拟时可以将CFRP与钢的黏结关系简化为绑定关系。在循环荷载作用下遭受腐蚀的风电塔筒结构出现提前屈曲,屈曲后结构刚度退化加速,延性降低,材料塑性耗能比例减小,“屈曲铰”耗能比例增加,整体耗能能力下降;使用CFRP加固后,可以延缓结构屈曲出现的时间,扩大材料塑性区域,增加材料塑性耗能比例,提升结构整体耗能能力。为防止CFRP加固层数较少时结构出现突发破坏的现象,加固时应注重考察结构延性变化情况。

混合式风电塔架的强度折减系数概率谱模型

为提高风电塔架的抗震性能,提出了考虑耗能时序的混合式风电塔架的概念,重点研究了结构抗震设计与评估的关键指标——强度折减系数。利用等效单自由度体系表征具有三线性滞回特征的新型塔架,并基于不同周期和滞回参数组成的变量矩阵,以320条近场地震动作为激励对等效单自由度体系进行了大量非线性动力分析,获取了3 600万个强度折减系数。强度折减系数均值对结构周期及滞回参数敏感,故基于对比研究选取的对数正态分布概率模型,通过多轮非线性回归分析建立了一系列预测方程,从而实现强度折减系数概率谱模型的建立。预测方程所得结果与原数据库之间良好的一致性,验证了所提预测方程能够量化强度折减系数的概率特征,所提概率谱模型可用于对考虑耗能时序的混合式风电塔架进行抗震性能评估。

C形免灌浆装配式混塔施工工艺研究

随着我国陆上风电开发的重点逐步向中东部及南部低风速区转移,钢-混凝土混合结构塔筒被应用于越来越多的风电场建设中,以支撑更高轮毂、更大容量的风电机组从而获得更大的发电量。传统的灌浆湿连接混塔由于湿作业大、施工受环境温度限制,极大地限制了施工效率及工程交付速度。而最近被研发出的C形免灌浆装配式混塔采用了免灌浆干式连接技术,避免了现场湿作业,可以显著提高施工效率,有效解决了传统灌浆湿连接混塔存在的问题。结合实际生产施工过程,对C形免灌浆装配式混塔的施工技术进行了研究分析,总结了规范化的制造、运输及安装等全套施工工艺,以期为C形免灌浆装配式混塔的推广应用提供参考。

预制装配式钢-混凝土组合式风机塔架关键部位受力性能研究

近年来,预制装配式钢-混凝土组合式风力发电塔作为一种较新的结构形式,在国内不断被推广应用。但作为一种新型组合结构,其门洞和过渡段受力复杂,一直是设计中的难点。以某风电场3.XMW风电机组39 m高混凝土塔段为例,采用通用有限元软件ABAQUS建立精细化有限元模型,研究其关键部位在极限荷载工况和正常运行工况下的受力性能。结果表明:极限荷载工况下,门洞筒节水平接缝脱开较小,开洞部位存在小范围应力集中,混凝土和钢筋应力水平满足设计要求;过渡段部位混凝土抗压性能储备充足,钢筋传力效果良好,结构性能符合设计要求;在正常运行工况下,门洞筒节的裂缝宽度经校核符合规范要求。

风力发电机组塔架的仿竹结构设计

针对风力发电机组塔架高耸结构稳定性问题,结合仿生结构设计理论,将竹子纤维束引入塔架结构,研究通过仿竹结构设计提高塔架稳定性的方法.以2 MW风力发电机组塔架为研究对象,采用层次分析法对竹子与塔架的相似度进行计算,验证生物选型的合理性.通过研究竹子纤维束特征与竹身稳定性的关系,设计出具有4根加劲肋的仿竹塔架.应用有限元数值分析方法对仿竹塔架和原型塔架的静态和动态效能进行分析,结果表明:仿竹塔架的塔顶位移和最大应力相较原型塔架分别降低了2.27%和13.48%,仿竹塔架前两阶固有频率相较原型塔架提升了1.31%和1.58%,仿竹塔架结构整体稳定性提升了1.4%.验证2 MW风力发电机组塔架仿竹设计的可行性可为后续塔架结构设计提供新的方法.

极端荷载下风电机基础的局部损伤机理与加固研究

极端荷载下风机基础环易形成拉力,使得基础过早出现局部损伤,导致抗变形能力减弱。以某陆地风场风机基础为研究对象,利用有限元弧长法和删除失效单元,结合变形相等原则研究其在极端荷载工况下的承载力发展和局部损伤演化规律,揭示了风电机基础的局部损伤机理,对比了原基础和两阶段加固基础的承载力和损伤程度。结果表明基础受拉损伤最早位于基础环底部下法兰翼缘两侧,随后是板局部挤压混凝土的斜裂缝、台柱径向裂缝和基础环内混凝土受剪斜裂缝;局部损伤初期对基础刚度影响较大;损伤后期基础钢筋大量屈服,混凝土压溃,基础破坏。增高混凝土台柱、增设竖向预应力锚杆和环向预应力钢绞线能有效提高基础的刚度,抑制基础的局部损伤发展。

基于混合仿生设计的风力机塔架

本文为风力机塔架的混合仿生设计提供了一种方法。为提高风力机机组整体安全性,基于混合仿生设计方法,提取竹子竹节和问荆草茎截面特征,构造了由外塔筒、内塔筒、法兰盘(加强节)和加强肋板组成的两种仿生塔架(FS1和FS2)。运用ANSYS Workbench软件对比研究原型塔架和两种仿生塔架的静动态性能和屈曲稳定性。结果表明:内塔筒为圆形的FS1塔架力学性能更好。与原型塔架相比,FS1塔顶最大位移和门洞附近的最大等效应力分别降低了17.6%和23.83%,1阶固有频率和1阶临界屈曲载荷分别提高了5.2%和23.12%,充分证明仿生塔架FS1具有更好的抗弯性能和稳定性。

预应力混凝土-钢组合风电塔架塔段优化研究

以某2 MW传统钢筒结构风电塔架为对象,采用预应力混凝土-钢组合塔架结构取代原钢筒结构,并对组合塔架结构的两塔段进行优化.以造价为目标函数,在塔架几何外形不变的情况下,考虑预应力混凝土与钢塔段的强度、刚度、稳定性、疲劳以及自振频率、顶部最大位移等约束条件,借助改进的粒子群优化算法,对预应力混凝土和钢塔段的高度及其截面尺寸进行优化.结果表明,采用粒子群算法对预应力混凝土-钢组合塔架两个塔段进行优化后,在满足各项约束条件的前提下,组合塔架结构形式的造价比传统钢塔架造价降低约27%.

预应力钢筋混凝土风力发电塔架的地震响应分析

随着风力发电机向海上风力发电和单机大容量的趋势发展,预应力钢筋混凝土塔架将有更广阔的前景.为此,以功率2 MW的大型风力发电塔架为例,参考日本土木学会的风力发电塔架结构设计指南,提出了一种预应力钢筋混凝土塔架的设计方案,建立了结构计算模型,对其动力性能进行了研究,并做了地震响应分析.采用EL Centro实测地震波,对预应力钢筋混凝土塔架结构的有限元模型进行了仿真计算,并将时程分析结果与按设计指南提出的地震反应谱方法得出的设计值进行了比较分析;讨论了安全检查用工作洞口的设置对塔架结构抗震性能的影响;研究了不同的地震波入射角时塔架结构的地震响应,对该结构的抗震性能进行了详细的分析.结果表明,所提出的预应力钢筋混凝土结构形式不仅可以避免由叶轮脉动激励的共振响应,且具有较好的抗震性能,工作洞口的设置并不影响其抗震性能.研究结果将为预应力钢筋混凝土塔架的设计提供重要的理论依据.

风力发电机组钢筋混凝土塔筒设计研究

目的通过对风荷载作用下的风力发电机组钢筋混凝土塔筒进行计算、分析和对比,研究用钢量和用混凝土量随着塔筒壁厚和塔筒外径变化的规律,解决塔筒优化设计问题.方法根据规范规定的环形截面计算方法,分别计算了塔底外径6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m,塔筒壁厚200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm时所需钢筋用量和混凝土用量及其材料总造价.结果混凝土用量随着壁厚和外径的增加而呈线性增加,而钢筋用量和总造价随着壁厚和外径的增加呈非线性变化.结论在满足规范要求情况下,钢筋混凝土塔筒塔底外径11 m、壁厚200 mm时,材料总造价最低.

大型风力发电机组基础结构配筋型式研究

建立了风机扩展式基础结构的三维有限元数值模型,结合风荷载的复杂性,对基础结构各种配筋方式进行计算分析。引入接触设置和混凝土材料非线性,研究了双向正交与径环向配筋等方式对结构受力和变位的影响,分析了不同荷载作用方式的影响程度,明确了基础结构受力和变位规律。计算结果提出了风机基础设计合理的、经济的配筋方法,为基础的设计和优化提供了科学依据。

预应力砼-钢组合风电塔架穿筋连接段弹塑性分析

预应力砼-钢组合结构形式是发展大功率风机以及解决山区风场建设运输难题的必然选择,其预应力砼段与钢结构连接段的分析与设计是关键。文章提出一种新型的嵌入式开孔板和穿孔钢筋连接段结构方案,并以某高度为77.5 m的风电塔架为例,建立有限元模型,在预应力和最不利荷载组合设计值作用下进行了弹性及弹塑性结构分析,得到钢制连接件、砼、穿孔钢筋的应力分布和变形特点。结果表明:在法兰盘下部设置嵌入式钢筒和穿孔钢筋可以有效提高过渡段刚度,改善应力分布;当连接过渡段中砼榫发生塑性变形后,穿孔钢筋有效地发挥了传递剪力作用,并将上部荷载分散传递到下部砼塔筒中;从而验证所提方案的合理性。

组合风电塔架混凝土填充钢箱连接段数值模拟

在进行组合风力发电塔架结构设计中,混凝土塔段与钢塔段的连接是该结构的关键部分。传统厚型法兰盘连接因刚度不足会导致下部混凝土出现受力分布不均匀,局部应力过大。因此提出一种混凝土填充钢箱连接方案,以2MW风电塔架为研究对象,以弹塑性力学、强度理论等为理论基础,运用有限元软件ABAQUS对所提方案进行建模,并进行弹性和弹塑性计算分析。结果表明,混凝土填充钢箱结构可以有效提高连接段的刚度和整体性,连接段受力性能明显优于传统法兰盘连接段,能够将上部荷载均匀传递到下部混凝土上,有效避免因混凝土局部应力集中而产生开裂现象。

基于改进遗传算法的钢-混组合式风电机组塔架优化设计研究

将传统的单管风电机组钢制塔架底部改为混凝土塔架,形成钢-混组合式风电机组塔架,可有效提高塔架的抗侧刚度,解决纯钢制单管风电机组高塔振动过大的问题。基于改进的遗传算法,综合考虑材料、人工、制作和运输等因素对塔架建造成本的影响,以塔架外径、壁厚、混凝土段高度和预应力钢绞线面积等为优化变量,以相关规范和行业标准的设计要求为约束条件,建立优化设计程序对某单机装机容量为2.0 MW、混塔土段32 m总高度为120 m的钢-混组合式风电机组塔架进行优化。通过优化前后的成本和结构承载力等计算结果的对比,表明优化后钢-混组合式风电机组塔架具有较好的塔架刚度和经济性能,证明该优化程序能满足设计使用要求,提高结构设计的经济性。

MW级风电机组钢筋混凝土塔筒稳定性分析

通过理论计算与有限元分析方法,对钢筋混凝土塔筒进行屈曲与稳定性分析。计算结果表明,预应力下的钢筋混凝土最大静应力出现在门洞边缘位置,线性屈曲分析由于未考虑非线性因素的影响,得到的临界载荷偏大,而非线性屈曲分析得到的结果可作为对工程算法的修正。随着风力机功率的增加,塔筒高度也不断增加,深入研究钢筋混凝土塔筒的结构特性,为钢筋混凝土结构塔筒工程应用奠定基础。

钢-混凝土组合式风力发电塔架地震响应分析

钢-混凝土组合式风力发电塔架上部为钢塔筒,下部为混凝土塔筒,高度方向具有较大的质量和刚度突变,其在地震作用下的响应和传统单管式钢塔架显著不同。利用ABAQUS对同一风电场的2.0 MW单管式钢塔架和组合式塔架建立精细化模型,选取3种场地条件,采用振型分解反应谱法计算2种塔架的地震响应并进行对比。针对3种场地条件,选取相应的地震波对组合式塔架进行非线性时程分析。分析结果表明,振型分解反应谱法直接用于计算组合式塔架的地震作用偏不安全,工程设计时需要补充时程分析;组合式塔架的内力响应和塔顶水平位移响应分别在中硬土场地和软弱土场地达到最大;前3阶振型对塔架的动力响应均有影响,2阶振型响应最大,高阶振型影响显著。