風電塔筒碳鋼平臺與鋁合金平臺對比分析

□ 鞏海偉 □ 袁 凌 □ 李英昌 □ 員一澤 □ 鄭 梁

國電聯合動力技術有限公司 北京 100039

1 研究背景

風電塔筒是風力發電機組的主要承載結構,需要承受機艙和風輪的質量,以及風輪和風作用在風電塔筒上的彎矩、重力、轉矩等載荷。風電塔筒起到連接機艙和地面的作用,借助風電塔筒,運維人員可以進入機艙進行檢修維護工作。電纜可以固定在風電塔筒內壁上,將機艙中發電機產生的電輸送至地面的電網中。目前,風電塔筒主要為錐筒式結構,筆者以錐筒式風電塔筒的平臺為對象展開研究。

風電塔筒平臺是風電塔筒重要的內附件之一,整個風電塔筒分為頂端、底段及若干段,頂段和底段各有兩個風電塔筒平臺,其余各中間段在塔筒連接處均有風電塔筒平臺。

風電塔筒平臺對安全性、制造安裝便捷性等有較高的要求。目前市場上風電塔筒平臺使用的材料主要為碳鋼,部分風電整機廠家開始采用鋁合金材料。筆者主要針對這兩種材料的風電塔筒平臺,從結構布局、安全性、制造成本三方面進行對比分析。

2 結構布局

2.1 風電塔筒碳鋼平臺

風電塔筒碳鋼平臺結構如圖1所示,主要由承重橫梁、平臺板、加強筋及各種連接螺栓組成。

▲圖1 風電塔筒碳鋼平臺結構

平臺板分割為六塊,通過螺栓連接至承重橫梁上。沿著平臺板周邊接近風電塔筒處,用螺栓將平臺板連接至風電塔筒上。為提高平臺板的強度和剛度,平臺板下方焊接有加強筋。承重橫梁通過螺栓連接至風電塔筒上。

平臺板的厚度為6 mm,材料為Q235B普通碳素結構鋼,質量為692 kg。

2.2 風電塔筒鋁合金平臺

風電塔筒鋁合金平臺結構如圖2所示,主要由平臺板、加強筋及各種連接螺栓組成。

▲圖2 風電塔筒鋁合金平臺結構

平臺板分割為兩塊,平臺板向下折彎成折彎加強筋,打孔后通過螺栓連接至風電塔筒上。為提高平臺板的強度和剛度,平臺板下方焊接有加強筋。在吊物孔兩側與折彎加強筋垂直方向上的焊接加強筋兩端近塔筒處打孔,通過螺栓將平臺板連接至風電塔筒上。沿著平臺板周邊接近風電塔筒處,用螺栓將平臺板連接至風電塔筒上。

風電塔筒鋁合金平臺中,平臺板的厚度及直徑與碳鋼平臺一致,材料為2A11鋁合金,質量為207 kg,為碳鋼平臺質量的30%。

3 安全性

3.1 概述

風電塔筒平臺應該具有較高的強度和剛度,從而確保運維人員踏上平臺及放置維修工具時安全可靠。筆者通過SolidWorks Simulation[1-3]軟件進行有限元分析,對比兩種材料風電塔筒平臺的安全性。在分析過程中,簡化分析模型,去除不影響分析結果的螺栓、螺栓孔,加快分析進程。

從兩方面考慮受力情況,一方面是單位面積內最大受力情況,即最大壓強,另一方面是整個風電塔筒平臺承受的最大總質量。

風電塔筒平臺受到的最大總質量指在風電塔筒吊裝過程中,兩段相鄰筒節組裝時風電塔筒平臺上承受的質量,包括四位工人的質量、連接兩段筒節的所有螺栓墊圈及螺母的質量、工具的質量、吊物孔處護欄的質量、滅火器的質量。單人質量最大值為85 kg,四位工人總質量為340 kg[4-5],所有螺栓墊圈及螺母質量為505 kg,工具質量為20 kg,吊物孔處護欄質量為40 kg,滅火器質量為12 kg。風電塔筒平臺承受的最大總質量為917 kg,對應重力載荷9 170 N。

3.2 風電塔筒碳鋼平臺

3.2.1 單位面積內最大受力

風電塔筒碳鋼平臺簡化分析模型如圖3所示。風電塔筒平臺承重橫梁及平臺板連接至風電塔筒螺栓處為約束位置,取平臺板上最薄弱處為受力位置。單人質量最大值為85 kg,對應重力850 N,雙腳受力面積取最小尺寸38 356 mm2[5],單人站立處所產生的壓強為22 161 Pa。由于風電塔筒平臺使用過程中規定載荷不得大于200 kg/m2[6],因此人員與物品不得集中站立或放置。200 kg/m2為2 000 Pa,小于單人站立處所產生的壓強22 161 Pa,由此可得風電塔筒平臺單位面積最大受力情況為單人并腳站立時的受力情況。

▲圖3 風電塔筒碳鋼平臺簡化分析模型

風電塔筒碳鋼平臺材料的彈性模量為210 GPa,屈服強度為235 MPa[7],泊松比為0.28。

經有限元分析,得到風電塔筒碳鋼平臺單位面積最大受力時的應力與位移分布,分別如圖4、圖5所示。最大應力為18.81 MPa,最小安全因數為12.49,最大位移為0.642 3 mm。

▲ 圖4 風電塔筒碳鋼平臺單位面積最大受力時應力分布▲圖5 風電塔筒碳鋼平臺單位面積最大受力時位移分布

3.2.2 承受最大總質量

風電塔筒碳鋼平臺承受最大總質量時受力約束設置如圖6所示。平臺板四周箭頭為約束處,與單位面積最大受力分析的固定約束一致,垂直于平臺板平面的箭頭為加載的受力。受力面積為8.4 m2,承受總質量為917 kg,加上自身質量692 kg,共計1 609 kg,即受力大小為16 090 N。

▲圖6 風電塔筒碳鋼平臺承受最大總質量時受力約束設置

經有限元分析,得到風電塔筒碳鋼平臺承受最大總質量時的應力與位移分布,分別如圖7、圖8所示。最大應力為133.9 MPa,最小安全因數為1.76,最大位移為4.705 mm。

▲圖7 風電塔筒碳鋼平臺承受最大總質量時應力分布▲圖8 風電塔筒碳鋼平臺承受最大總質量時位移分布

3.3 風電塔筒鋁合金平臺

3.3.1 單位面積內最大受力

風電塔筒鋁合金平臺簡化分析模型如圖9所示。加強筋及平臺板連接至風電塔筒螺栓處為約束位置,平臺板最薄弱處為受力位置,受力大小和風電塔筒碳鋼平臺一致。風電塔筒鋁合金平臺材料的彈性模量為72.4 GPa,屈服強度為190 MPa[8],泊松比為0.33。

▲圖9 風電塔筒鋁合金平臺簡化分析模型

經有限元分析,得到風電塔筒鋁合金平臺單位面積最大受力時的應力與位移分布,分別如圖10、圖11所示。最大應力為27.06 MPa,最小安全因數為7.02,最大位移為2.688 mm。

▲圖10 風電塔筒鋁合金平臺單位面積最大受力時應力分布▲圖11 風電塔筒鋁合金平臺單位面積最大受力時位移分布

3.3.2 承受最大總質量

風電塔筒鋁合金平臺承受最大總質量時受力約束設置和風電塔筒碳鋼平臺一致,固定約束和單位面積最大受力分析的固定約束一致。受力面積為8.4 m2,承載總質量為917 kg,加上自身質量207 kg,共計1 124 kg,即受力大小為11 240 N。

經有限元分析,得到風電塔筒鋁合金平臺承受最大總質量時的應力與位移分布,分別如圖12、圖13所示。最大應力為60.96 MPa,最小安全因數為3.12,最大位移為3.198 mm。

3.4 小結

GB 4053.3—2009[9]對鋼平臺的設計載荷有如下要求:

(1) 整個平臺區域內應能承受不小于3 kN/m2的均勻分布活載荷;

(2) 在平臺區域內中心距為1 000 mm,邊長為300 mm的正方形上,應能承受不小于1 kN的集中載荷;

(3) 平臺地板在設計載荷下的撓曲度不大于10 mm或跨度的1/200,兩者取較小值。

對于兩種材料風電塔筒平臺,受載分析結果均滿足上述要求。

▲圖12 風電塔筒鋁合金平臺承受最大總質量時應力分布▲圖13 風電塔筒鋁合金平臺承受最大總質量時位移分布

4 制造成本

筆者以國內某風電塔筒平臺制造企業為例進行制造成本分析。

4.1 風電塔筒碳鋼平臺

風電塔筒碳鋼平臺的制造工藝流程如圖14所示。

▲圖14 風電塔筒碳鋼平臺制造工藝流程

制造風電塔筒碳鋼平臺的主要設備有激光線切割機床、交流弧焊機、鉆孔機械、鍍鋅設備。

風電塔筒碳鋼平臺的制造成本包括原料價格、制造加工費、人工費用。

4.2 風電塔筒鋁合金平臺

風電塔筒鋁合金平臺的制造工藝流程[10]如圖15所示。

制造風電塔筒鋁合金平臺的主要設備有激光線切割機床、折彎機、交流弧焊機、鉆孔機械。

▲圖15 風電塔筒鋁合金平臺制造工藝流程

風電塔筒鋁合金平臺的制造成本包括原料價格、制造加工費、人工費用。

4.3 小結

對比風電塔筒碳鋼平臺和風電塔筒鋁合金平臺兩者的制造工藝流程,可知風電塔筒碳鋼平臺的連接螺栓數量比風電塔筒鋁合金平臺的連接螺栓數量多,風電塔筒碳鋼平臺相比風電塔筒鋁合金平臺,多了鍍鋅防腐處理。風電塔筒鋁合金平臺由于自身具有防腐功能,因此一般不需要進行表面防腐處理。特殊工況下,可以根據使用環境和設計要求,進行加強防腐的陽極氧化處理。

風電塔筒平臺制造企業一般只進行綜合成本比較,對于制造過程中每個工藝環節的工時和成本,不做細微化統計。對比兩種材料風電塔筒平臺制造成本,風電塔筒鋁合金平臺的綜合價格為風電塔筒碳鋼平臺的1.7倍。

由于兩種材料風電塔筒平臺的尺寸一致,運輸成本基本相同,因此可以忽略兩者的運輸成本差異。

5 結束語

筆者對風電塔筒碳鋼平臺和風電塔筒鋁合金平臺進行對比分析。通過對比分析,得出三方面結論。

(1) 相同尺寸下,風電塔筒鋁合金平臺的質量約為風電塔筒碳鋼平臺的30%。

(2) 相同尺寸下,單位面積最大受力時,風電塔筒鋁合金平臺的安全因數低于風電塔筒碳鋼平臺。承受最大總質量時,風電塔筒鋁合金平臺的安全因數高于風電塔筒碳鋼平臺。原因是碳鋼自身質量更大,以及兩個平臺的結構不同。當然,兩種材料風電塔筒平臺的安全因數均滿足使用要求。

(3) 對比兩種材料風電塔筒平臺的制造成本,發現風電塔筒鋁合金平臺的綜合成本高于風電塔筒碳鋼平臺的綜合成本,主要原因在于鋁合金的原材料價格顯著高于碳鋼。