CN103455717A - 一种基于疲劳载荷的风力发电机塔筒优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于疲劳载荷的风机塔筒优化方法，以焊缝疲劳强度作为依据，通过对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度，根据GL规范标准和Eurocode3标准，按照常规的疲劳强度计算方法对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度进行循环计算得到相应载荷下的优化模型；具体是通过修改板厚来适当调小以及合理分配焊缝疲劳安全裕度，调整板厚使得塔筒中部焊缝疲劳安全裕度控制在10%~20%之间，以及顶部和底部焊缝疲劳安全裕度控制在30%~50%之间，实现塔筒的优化。

Description

一种基于疲劳载荷的风力发电机塔筒优化方法

技术领域

本发明涉及一种风机性能的优化方法，特别涉及一种基于疲劳载荷的风力发电机塔筒优化方法，主要适应于疲劳载荷占风力发电机塔筒设计主导地位时的情况中。

背景技术

塔筒是风力发电机的重要组成部分，其成本占风机总成本的很大一部分。兆瓦级风机是目前市场上的主流风机，其塔筒重量一般都在100吨以上，而塔筒重量直接决定了风机的成本。虽然塔筒的成本一般不由主机厂负担，但塔筒成本的高低不仅代表了主机厂的设计能力，在一定程度上也决定了风机在市场中的竞争力。随着风力发电的不断发展，风电价格持续降低，对风机进行降本增效以提高企业竞争力显得越来越重要。降低风机成本是风电行业发展的一个重要趋势，也是一个企业提高竞争力的必经之路。作为风机重要组成部分的塔筒，其成本的一个主要反映指标是塔筒重量。在目前常见的兆瓦级风机中，塔筒高度一般都超过了60米，重量超过了100吨。若通过优化即便使每一台风机塔筒只降低1吨重量，这对于一个有几十甚至上百风机的风场所带来的经济效益也是十分可观的。

目前，对于风机塔筒的设计主要是依据经验在相似机型的基础上进行修改，然后利用载荷数据对塔筒极限强度、疲劳强度、屈曲稳定性等进行计算校核，计算合格则说明该型塔筒设计满足要求，不合格则对塔筒模型进行修改。这样的方式只关注塔筒的安全性而忽略了经济性，得到的塔筒模型往往具有较大的优化空间。而现有的塔筒疲劳强度是以相关标准规范以及以往设计经验为依据，充分地考虑了塔筒的安全性和可靠性而往往忽视了经济性，其设计的塔筒重量较大，成本较高，在激烈的市场竞争中不存在优势，因此有必要对此加以改进。

发明内容

本发明目的在于针对风机塔筒设计中所存在的一些不足，提出一种新的基于疲劳载荷的风力发电机塔筒优化方法，该方法既能满足塔筒安全、可靠性要求，又能最大限度减小重量、降低成本，使得塔筒的疲劳强度在安全性、可靠性与经济性之间取得较好的平衡。

通过分析，我们发现对于常见的锥形钢质塔筒来说，当载荷一定时，影响其重量的主要因素有高度、直径、锥度和板厚。一般来说，塔筒的锥度是一定的，塔筒直径、高度一般受机型、风场条件、运输条件的限制也不会有太大的变化。因此，对于塔筒重量的优化就主要集中在对各焊段钢板板厚的优化。在塔筒设计中，各焊段钢板板厚一般是不能随意更改的，必须根据塔筒的极限和疲劳强度来确定，以能够满足风场各极端工况作用下的设计要求为前提。所以一般是根据计算得到的塔筒极限和疲劳载荷来确定塔筒各焊段钢板板厚的分布。通过分析可知，塔筒各焊段钢板板厚在一定程度上主要由所受载荷决定。在很多情况下，疲劳载荷在设计中占主导地位，而由极限载荷决定的塔筒极限强度和屈曲稳定性一般有较大的设计安全裕度。

因此本发明的发明目的是通过如下方法实现的：

一种基于疲劳载荷的风机塔筒优化方法，以焊缝疲劳强度作为依据，通过对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度，根据GL规范相关标准，按照常规的疲劳强度计算方法对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度进行循环计算得到相应载荷下的优化模型；具体是通过修改板厚来适当调小以及合理分配焊缝疲劳安全裕度，调整板厚使得塔筒中部焊缝疲劳安全裕度控制在10%~20%之间，以及顶部和底部焊缝疲劳安全裕度控制在30%~50%之间，实现塔筒的优化。

进一步地，所述的优化过程具体包括以下几个步骤：

（1）在塔筒分析中首先依据常规的经验并参考相似机型提出塔筒的原始模型，该原始模型是一个塔筒草图和一些主要参数，包括塔筒的高度及各焊段的直径、高度和板厚信息；

（2）将塔筒原始模型信息输入计算机的风机载荷计算软件（如Bladed）中，再利用风机所处风场数据，依据GL规范标准按照常规的方式进行载荷计算，并得到塔筒各焊缝高度的极限和疲劳载荷数据；

（3）利用软件计算得到的疲劳载荷数据，对塔筒模型各焊缝的疲劳强度进行疲劳强度校核，疲劳强度校核是根据GL规范、Eurocode 3标准所确定的方式，并加入塔筒疲劳循环周期数进行计算； 

根据疲劳校核结果对各焊段钢板板厚进行修改，使得塔筒模型各焊缝疲劳安全裕度的大小和沿高度的分配更合理，即当安全裕度偏大时，减小相应钢板的厚度，安全裕度偏小时，增大相应钢板厚度；而焊缝疲劳安全裕度的大小和沿高度的分配是否合理主要是根据以下原则确定；其中，塔筒中部焊缝疲劳设计安全裕度在10%~20%之间，顶部和底部焊缝疲劳设计安全裕度在30%~50%之间，此时塔筒模型达到最优；

（4）由于塔筒模型的变化会引起塔筒载荷数据的变化，因此，需要将修改后各焊段钢板板厚的塔筒模型重新输入到载荷计算软件进行计算以获得新模型各焊缝高度的极限和疲劳载荷数据；

（5）利用第（4）步计算得到的疲劳载荷对塔筒新模型各焊缝再次进行疲劳计算校核，根据校核结果对各焊段钢板板厚进行再次修改，使得修改后的塔筒模型各焊缝疲劳设计安全裕度的大小和沿高度的分配更合理；具体过程及评判标准与第（3）步一致；

（6）如果没有达到优化目标或者还可以进一步优化，则重复（4）～（5）步骤做循环计算，直到达到优化目标；这里的优化目标是指塔筒各焊缝疲劳安全裕度大小及沿高度分配符合第（3）步的经验值以及最近一次模型修改幅度不大（修改厚度钢板的数量小于总钢板数的5%），塔筒模型修改幅度不大时，对塔筒载荷影响较小；

（7）然后利用最后一次载荷计算得到的极限载荷，按照常规计算方法对修改后模型的极限强度和屈曲稳定性进行验证校核；

（8）塔筒优化结束，输出优化后的塔筒模型。

本发明提出了一种基于疲劳载荷的塔筒优化设计方法，该方法是以塔筒焊缝疲劳强度计算为依据，经过一系列的循环计算得到一个既满足安全、可靠性的要求，重量又尽可能小的塔筒优化模型。

优化是通过修改板厚来适当调小以及合理分配焊缝疲劳设计安全裕度的方式实现，而对塔筒极限强度和屈曲稳定性的验证为优化可靠性提供了保证。

本发明提出的优化设计方法适应于疲劳载荷在塔筒设计中占主导地位时的情况，并经过实践证明具有较好的可行性、有效性，且符合相关的认证要求，为塔筒的优化设计提供了可靠的依据。

附图说明

图1是本发明的优化流程示意图；

图2是塔筒焊缝疲劳强度校核计算流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

附图1给出了本发明的一种基于疲劳载荷的风机塔筒优化方法，以焊缝疲劳强度作为依据，通过对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度，根据GL规范相关标准，按照常规的疲劳强度计算方法对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度进行循环计算得到相应载荷下的优化模型；具体是通过修改板厚来适当调小以及合理分配焊缝疲劳安全裕度，调整板厚使得塔筒中部焊缝疲劳安全裕度控制在10%~20%之间，以及顶部和底部焊缝疲劳安全裕度控制在30%~50%之间，实现塔筒的优化。

进一步地，所述的优化过程具体包括以下几个步骤（如附图1所示）：

（1）在塔筒分析中首先依据常规的经验并参考相似机型提出塔筒的原始模型，该原始模型是一个塔筒草图和一些主要参数，包括塔筒的高度及各焊段的直径、高度和板厚信息；

（2）将塔筒原始模型信息输入计算机的风机载荷计算软件（如Bladed）中，再利用风机所处风场数据，依据GL规范标准按照常规的方式进行载荷计算，并得到塔筒各焊缝高度的极限载荷和疲劳载荷数据；

（3）利用软件计算得到的疲劳载荷数据，对塔筒模型各焊缝的疲劳强度进行疲劳强度校核，疲劳强度校核是根据GL规范、Eurocode 3标准所确定的方式，并加入塔筒疲劳循环周期数进行计算； 

根据疲劳校核结果对各焊段钢板板厚进行修改，使得塔筒模型各焊缝疲劳安全裕度的大小和沿高度的分配更合理，即当安全裕度偏大时，减小相应钢板的厚度，安全裕度偏小时，增大相应钢板厚度；而焊缝疲劳安全裕度的大小和沿高度的分配是否合理主要是根据以下原则确定；其中，塔筒中部焊缝疲劳设计安全裕度在10%~20%之间，顶部和底部焊缝疲劳设计安全裕度在30%~50%之间，此时塔筒模型达到最优； 

（4）由于塔筒模型的变化会引起塔筒载荷数据的变化，因此，需要将修改后各焊段钢板板厚的塔筒模型重新输入到载荷计算软件进行计算以获得新模型各焊缝高度的极限和疲劳载荷数据；

（5）利用第（4）步计算得到的疲劳载荷对塔筒新模型各焊缝再次进行疲劳计算校核，根据校核结果对各焊段钢板板厚进行再次修改，使得修改后的塔筒模型各焊缝疲劳设计安全裕度的大小和沿高度的分配更合理；具体过程及评判标准与第（3）步一致；

（6）如果没有达到优化目标或者还可以进一步优化，则重复（4）～（5）步骤做循环计算，直到达到优化目标；这里的优化目标是指塔筒各焊缝疲劳安全裕度大小及沿高度分配符合第（3）步的经验值以及最近一次模型修改幅度不大（修改厚度钢板的数量小于总钢板数的5%），塔筒模型修改幅度不大时，对塔筒载荷影响较小；

（7）然后利用最后一次载荷计算得到的极限载荷，按照常规计算方法对修改后模型的极限强度和屈曲稳定性进行验证校核；

（8）塔筒优化结束，输出优化后的塔筒模型。

进一步地，所述的疲劳强度校核是按照下述方法进行的（如附图2所示）：

1）先将各焊缝处各模型参数，包括直径、厚度，与各焊缝处的疲劳载荷数据等一起作为输入，按照常规计算方法，计算出各焊缝处的疲劳应力Δσ；

2）根据各焊缝的特点，按照GL规范得到焊接结构的S-N曲线；

3）根据各焊缝的特点，按照Eurocode 3标准得到塔筒焊缝的疲劳等级DC；

4）根据GL规范得到焊接结构的S-N曲线，以及按照Eurocode 3标准得到塔筒焊缝的疲劳等级DC，并加入塔筒疲劳循环周期数进行计算得到各焊缝疲劳许应力【σ】；

5）将计算得到的疲劳许应力【σ】和疲劳应力Δσ输入下列公式计算安全裕度：

安全裕度＝（1－Δσ.S／【σ】）×100%

式中：S为安全系数，GL规范对疲劳验证安全系数有明确规定，因此S可根据GL规范选取；

6）得到安全裕度校核完毕。

本发明提出了一种基于疲劳载荷的塔筒优化设计方法，该方法是以塔筒焊缝疲劳强度计算为依据，经过一系列的循环计算得到一个既满足安全、可靠性的要求，重量又尽可能小的塔筒优化模型。

优化是通过修改板厚来适当调小以及合理分配焊缝疲劳设计安全裕度的方式实现，而对塔筒极限强度和屈曲稳定性的验证为优化可靠性提供了保证。

本发明提出的优化设计方法适应于疲劳载荷在塔筒设计中占主导地位时的情况，并经过实践证明具有较好的可行性、有效性，且符合相关的认证要求，为塔筒的优化设计提供了可靠的依据。

Claims (3)

1.一种基于疲劳载荷的风机塔筒优化方法，其特征在于，以焊缝疲劳强度作为依据，通过对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度，根据GL规范标准和Eurocode 3标准，按照常规的疲劳强度计算方法对塔筒各段钢板焊缝的疲劳强度进行循环计算得到相应载荷下的优化模型；具体是通过修改板厚来适当调小以及合理分配焊缝疲劳安全裕度，调整板厚使得塔筒中部焊缝疲劳安全裕度控制在10%~20%之间，以及顶部和底部焊缝疲劳安全裕度控制在30%~50%之间，实现塔筒的优化。

2.如权利要求1所述的基于疲劳载荷的风机塔筒优化方法，其特征在于，所述的优化过程具体包括以下几个步骤：

（1）在塔筒分析中首先依据常规的经验并参考相似机型提出塔筒的原始模型，该原始模型是一个塔筒草图和一些主要参数，包括塔筒的高度及各焊段的直径、高度和板厚信息；

（2）将塔筒原始模型信息输入计算机的风机载荷计算软件中，再利用风机所处风场数据，依据GL规范标准按照常规的方式进行载荷计算，并得到塔筒各焊缝高度的极限载荷和疲劳载荷数据；

（3）利用软件计算得到的疲劳载荷数据，对塔筒模型各焊缝的疲劳强度进行疲劳强度校核，疲劳强度校核是根据GL规范和Eurocode 3标准所确定的方式，并加入塔筒疲劳循环周期数进行计算； 

根据疲劳校核结果对各焊段钢板板厚进行修改，使得塔筒模型各焊缝疲劳安全裕度的大小和沿高度的分配更合理，即当安全裕度偏大时，减小相应钢板的厚度，安全裕度偏小时，增大相应钢板厚度；而焊缝疲劳安全裕度的大小和沿高度的分配是否合理主要是根据以下原则确定；其中，塔筒中部焊缝疲劳设计安全裕度在10%~20%之间，顶部和底部焊缝疲劳设计安全裕度在30%~50%之间，此时塔筒模型达到最优； 

（4）由于塔筒模型的变化会引起塔筒载荷数据的变化，因此，需要将修改后各焊段钢板板厚的塔筒模型重新输入到载荷计算软件进行计算以获得新模型各焊缝高度的极限和疲劳载荷数据；

（5）利用第（4）步计算得到的疲劳载荷对塔筒新模型各焊缝再次进行疲劳计算校核，根据校核结果对各焊段钢板板厚进行再次修改，使得修改后的塔筒模型各焊缝疲劳设计安全裕度的大小和沿高度的分配更合理；具体过程及评判标准与第（3）步一致；

（6）如果没有达到优化目标或者还可以进一步优化，则重复（4）～（5）步骤做循环计算，直到达到优化目标；这里的优化目标是指塔筒各焊缝疲劳安全裕度大小及沿高度分配符合第（3）步的经验值以及最近一次模型修改幅度不大，修改厚度钢板的数量小于总钢板数的5%，塔筒模型修改幅度不大时，对塔筒载荷影响较小；

（7）然后利用最后一次载荷计算得到的极限载荷，按照常规计算方法对修改后模型的极限强度和屈曲稳定性进行验证校核；

（8）塔筒优化结束，输出优化后的塔筒模型。

3.如权利要求2所述的基于疲劳载荷的风机塔筒优化方法，其特征在于，所述的疲劳强度校核是按照下述方法进行的：

1）先将各焊缝处各模型参数，包括直径、厚度，与各焊缝处的疲劳载荷数据一起作为输入，按照常规计算方法，计算出各焊缝处的疲劳应力Δσ；

2）根据各焊缝的特点，按照GL规范得到焊接结构的S-N曲线；

3）根据各焊缝的特点，按照Eurocode 3标准得到塔筒焊缝的疲劳等级DC；

4）根据GL规范得到焊接结构的S-N曲线，以及按照Eurocode 3标准得到塔筒焊缝的疲劳等级DC，并加入塔筒疲劳循环周期数进行计算得到各焊缝疲劳许应力【σ】；

5）将计算得到的疲劳许应力【σ】和疲劳应力Δσ输入下列公式计算安全裕度：

安全裕度＝（1－Δσ.S／【σ】）×100%

式中：S为安全系数，GL规范对疲劳验证安全系数有明确规定，因此S可根据GL规范选取；

 6）得到安全裕度校核完毕。

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