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风电机组的塔架支撑机舱和叶轮, 是风电机组的骨架,它为叶轮提供所必须的高度,既承担风电机组的全部重量,又直接影响风电机组的工作可靠性和性能。因此了解风电机组塔架在工作时的应力、位移和振型是塔架设计的关键问题。近年来,随着风电机组单机容量逐渐增大,塔顶叶轮和机舱的重量也逐渐增大,这就要求塔架的结构尺寸和重量也越来越大。现在主流的钢结构塔架不仅用钢量大,在施工方面也相当困难。因此,一些研究人员开始把精力投放在钢筋混凝土塔架上。
中国是地震多发国家之一,而且众多风电场分布在地震高烈度区。风电机组的叶轮叶片位于塔筒顶部,刚度较小,在地震力作用下易产生端部的“鞭梢效应”,不利于叶片安全运行,而塔架顶部支撑机舱和叶轮,结构上头重脚轻,也不利于抗震。因此在风电机组结构安全设计时,考虑地震作用的影响至关重要。
近年来,不少研究人员研究了风电机组塔筒的动力特性。棚邉隆进行了 600kW 大型风力发电设施的运转振动与地震作用的组合荷载的动力分析。祝磊用SAP2000 计算了停机状态下7 台风电机组的地震反应谱响应,提出了钢筒塔架的剪力和弯矩计算公式,并研究了叶片的弯矩分布规律。张斌用ANSYS 建立了某1MW 风电机组钢塔筒模型,研究了其抗风、抗震特性。余长海建立了某1.25MW 风电机组的ANSYS 有限元模型,研究了钢筒和钢筋混凝土筒的动力特性及风荷载下的静、动态反应。贺广零考虑钢筒和钢筋混凝土筒两种塔架形式,用ANSYS 建立了某1.25MW风电机组的有限元模型,并分别计算了风、地震作用下的动力响应。毕继红设计了某2MW 风电机组预应力钢筋混凝土塔筒,并用ANSYS 分析其地震响应。
目前,大部分研究都集中在风电机组钢制塔筒,对混凝土塔筒的研究还很有限。本文建立风电机组混凝土塔筒有限元模型,进行模态分析,并按照中国抗震规范中的标准设计地震反应谱,选择某一特定的设计分组以及设防烈度,进行地震反应谱分析。
模型建立
本文分别选取钢筋混凝土塔筒底部外径6m、7m、8m、9m、10m、11m,壁厚从200mm -600mm 每100mm 一个间隔的塔筒形式,总共分析了30 种规格。钢筋混凝土塔高100m,外径从下到上按0.02 的坡度逐渐减小,筒壁采用强度等级C30 混凝土,弹性模量为3.0×104MPa,质量密度为2410kg/m3;钢筋采用HRB400 级,弹性模量为200GPa。运用ANSYS 有限元软件建立模型,参照某大型风电机组参数,把叶轮和机舱简化成一个550t 的集中质量,采用mass21 单元加在塔筒顶部;塔筒采用beam189单元模拟变截面,《高耸结构设计规范》6.2.2 规定计算结构自振特性时,混凝土高耸结构的截面刚度取0.85EcI,因此ANSYS 建模时混凝土的弹性模量取0.85Ec,材料弹性模量E=2.55×104MPa, 泊松比为0.167,材料密度为2410kg/m3;塔筒与地面刚接。定义沿塔筒高度方向为Z 轴正方向,塔筒横截面方向分别为X 轴和Y 轴。以塔筒外径7m,壁厚200mm 为例,有限元模型如图1 所示。
模态分析
模态分析用来确定结构或构件的振动特性,即固有频率和振型。同时,模态分析也是其他动力学分析(如反应谱分析)前期必须完成的环节。在ANSYS 中提取模态的方法有:Block Lanczos 法、Subspace 法、Reduced法、Unsymmetric法、Damped 法等。本文采用BlockLanczos 法进行模态分析,提取前10 阶频率和对应的振型。部分频率及相应振型图如表1 及图2 所示。
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