CN108268685A - L型法兰及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种L型法兰及其设计方法。L型法兰用于连接风力发电机组的塔架，该设计方法包括：确定初始设计参数的步骤、选择螺栓规格的步骤、计算螺栓关联参数的步骤、选择塔筒壁厚的步骤以及选择法兰厚度的步骤，其中，初始设计参数包括法兰外径、初始塔筒壁厚、相邻两颗螺栓轴线距离、塔筒内壁到螺栓轴线的距离；计算最大螺栓个数、法兰内径、螺栓外力、螺栓的最大承载能力以及静强度安全储备系数，判断是否满足第一预设条件；在选择塔筒壁厚的步骤中，若当前失效模式下的极限拉力大于塔筒壁塑性失效时的竖向力，则重新选择塔筒壁厚；在选择法兰厚度的步骤中，验证在当前法兰厚度下是否满足第二预设条件，若满足，则结束法兰设计。

Description

L型法兰及其设计方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及风力发电机组塔架L型法兰及其设计。

背景技术

风力发电机组的运行环境恶劣，受载复杂。作为风力发电机组的主要支撑部件的塔架，支撑着轮毂总成、发电机、底座等关键部件，其安全性关系到整机运行的安全性。塔架通常分多段构成，各段之间通过法兰进行连接。为保证塔架具有足够的支撑强度，连接在各段之间的法兰必须满足强度方面的要求。

目前，风力发电机组塔架中采用的法兰大部分是L型法兰，在设计该L型法兰时，通常采用工程算法进行强度计算，该算法包含大量的公式和参数，给设计工作带来极大困难。

因此，如何优化设计方法来快速提供满足要求的L型法兰，一直是本领域所面临的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种L型法兰及其设计方法，可以缩短法兰设计时间。

根据本发明一个方面，提供了一种L型法兰的设计方法，所述L型法兰用于连接风力发电机组的塔架，所述设计方法的特征在于，包括：

确定初始设计参数的步骤、选择螺栓规格的步骤、计算螺栓关联参数的步骤、选择塔筒壁厚的步骤以及选择法兰厚度的步骤，其中，

在所述确定初始设计参数的步骤中，所述初始设计参数包括法兰外径、初始塔筒壁厚、相邻两颗螺栓轴线距离、塔筒内壁到螺栓轴线的距离，

在所述计算螺栓关联参数的步骤中，计算最大螺栓个数、法兰内径、螺栓外力、螺栓的最大承载能力以及静强度安全储备系数，并判断是否满足第一预设条件，若满足，则进入所述选择塔筒壁厚的步骤，若不满足，则返回所述选择螺栓规格的步骤，

在所述选择塔筒壁厚的步骤中，若当前失效模式下的极限拉力大于塔筒壁塑性失效时的竖向力，则重新选择塔筒壁厚，否则进入所述选择法兰厚度的步骤，

在所述选择法兰厚度的步骤中，验证在当前法兰厚度下是否满足第二预设条件，若满足，则结束法兰设计，若不满足，则重新选择法兰厚度。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

所述第一预设条件是指：所述静强度安全储备系数SRF_U，Fl大于等于1。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

所述第二预设条件包括：塑性失效条件、赛德失效模式条件、法兰张开条件以及螺栓疲劳条件。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

在验证是否满足所述赛德失效模式时，仅验证是否满足赛德失效模式B。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

还包括：按照螺栓个数、法兰厚度、法兰内径的顺序，对所述L型法兰进行减重优化的步骤。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

对所述L型法兰进行减重优化的步骤包括：

当判断为需要进行优化时，优先通过减少螺栓个数进行减重优化，

当判断为能够继续进行优化时，通过减小法兰厚度继续进行减重优化，

当判断为能够进一步进行优化时，通过增大法兰内径进一步进行减重优化。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

当通过减少螺栓个数进行减重优化时，减少螺栓个数并返回到所述计算螺栓关联参数的步骤，

当通过减小法兰厚度进行减重优化时，减小法兰厚度并返回到所述选择法兰厚度的步骤，

当通过增大法兰内径进行减重优化时，增大法兰内径并返回到所述计算螺栓关联参数的步骤。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

如果静强度安全储备系数与理想状态下的静强度安全储备系数之间的差大于预设值，则通过减少螺栓个数进行减重优化。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

当静强度安全储备系数在第一预设范围内，且疲劳强度小于1时，通过减小法兰厚度继续进行减重优化。

根据本发明上述的L型法兰的设计方法，优选的是，

当静强度安全储备系数在第二预设范围内，且疲劳强度小于1时，通过增大法兰内径进一步进行减重优化，

其中，所述第二预设范围小于所述第一预设范围。

根据本发明的另一方面，提供了一种L型法兰，所述L型法兰用于连接风力发电机组的塔架，其特征在于，所述L型法兰的规格参数是通过本发明上述的L型法兰的设计方法来进行设计的。

根据本发明的技术方案，在分析了各个参数对塔架法兰强度的影响前提下，给出了影响法兰强度的几个主要参数。给出了影响法兰优化过程几个重要参数的优先级(螺栓个数n、法兰厚度和法兰内径)。因此，本发明的方法规范了法兰设计和优化过程，给出了一条清晰的设计和优化步骤，可以缩短法兰设计和优化的时间。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是风力发电机组的塔架的法兰连接示意图；

图2是表示法兰与螺栓的连接状态的竖向截面图；

图3是示出两个相邻螺栓的位置关系的俯视图；

图4是表示本发明一个实施例中进行法兰设计的流程图；

图5是表示本发明一个实施例中对法兰进行设计优化的流程图。

其中：1-塔架；2-L型法兰；3-螺栓。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

图1是风力发电机组的塔架的法兰连接示意图。图1中，风力发电机组的塔架1呈长筒形，分多段构成。在塔架各段的端部设置L型法兰2，通过高强度螺栓3进行连接。为了便于分析螺栓连接的力学模型并方便进行力学计算，图中将单个螺栓作为一个连接单元并放大示出。图1的右侧是一个连接单元的放大示意图，从图中能够更清晰地看出螺栓连接两段塔筒时的状态和受力。

图2是表示法兰与螺栓的连接状态的竖向截面图。图中示出了螺栓、L型法兰以及塔筒的各种参数，包括：螺栓直径d_b、螺栓孔直径d_ls、螺栓中心分度圆直径d_m、螺帽垫圈面(支撑面)直径d_w、垫片直径D_w、法兰外直径d_f，o、法兰内直径d_f，i、螺栓孔直径d_ls、法兰厚度t_fl、垫片厚度t_w、法兰处筒壁厚度t、法兰内表面到螺栓中心的距离a、塔筒中面到螺栓中心的距离b。

在进行L型法兰设计时，法兰的强度要求满足Seidel提出的ABDE四个失效模式对强度的要求。这四个失效模式是：

失效模式A：法兰连接螺栓失效，对应的公式为：

(式中，F_U，A表示失效模式A下的极限拉力，F_u，t表示螺栓抗拉承载力，M_pl3MN表示修正后的最小筒壁失效弯矩)

失效模式B：螺栓失效及塔筒壁塑性失效同时出现，对应的公式为：

(式中，F_U，B表示失效模式B下的极限拉力，其他与上述相同。)

失效模式D：塔筒壁和螺栓孔处法兰均发生塑性失效，对应的公式为：

(式中，F_U，D表示失效模式D下的极限拉力，M′_pl2表示螺栓孔中心处法兰横截面塑性失效时的弯矩，ΔM_pl2表示每侧压力对螺栓孔圆心产生的弯矩，其他与上述相同。)

失效模式E：塔筒壁以及塔筒与螺栓之间法兰在靠近螺栓孔位置均发生塑性失效，对应的公式为：

(式中，F_U，E表示失效模式E下的极限拉力，其他与上述相同。)

上述四个失效模式是法兰设计过程中的基本要求，必需同时满足，从上述可以看出，各个参数之间彼此牵连，调整起来非常复杂。此外，除了需要满足上述要求之外，法兰设计还要求满足其他的设计条件，例如：法兰的连接螺栓要满足疲劳损伤条件，法兰的连接面不能张开，法兰设计要满足施工条件。

由于涉及公式多，影响法兰强度的制约因素广，因此从业者各个参数对强度计算结果的影响的认知还很混乱。由于各个参数对计算结果的影响不清，导致在设计过程中调整参数的顺序不一致，设计思路和流程不一。

鉴于上述问题，本发明的发明人经过潜心研究，获得了一种有突破进展的法兰设计方法，能够改进上述面临的难题。

下面，结合附图描述本发明的法兰设计方法。

图3是示出两个相邻螺栓的位置关系的俯视图。图3中，相邻两颗螺栓轴线距离为c。为了满足施工需求，距离c有规定的极限值。同理，塔筒内壁到螺栓轴线的距离d_k也必须满足施工需求，因而存在极限值。

为了制造适用于风力发电机组的L型法兰，必须明确的设计参数包括：螺栓个数、螺栓规格、法兰厚度、法兰外径、法兰内径、塔筒壁厚、相邻螺栓轴线距离、以及塔筒内壁到螺栓轴线的距离。

下面，基于如何确定及优化上述各个设计参数，对本发明进行说明。

图4是表示本发明一个实施例中进行法兰设计的流程图。

如图4所示，首先，在步骤S1中，确定初始设计参数。所述初始设计参数包括法兰外径d_f，o、相邻两颗螺栓轴线距离c和塔筒内壁到螺栓轴线的距离d_k、以及初始塔筒壁厚t。这里，相邻两颗螺栓轴线距离c和塔筒内壁到螺栓轴线的距离d_k是可以根据施工需求来进行确定，可以选取满足施工需求的极限参数。初始塔筒壁厚t可以根据设计经验，初选满足屈曲和静强度的初始值。法兰外径和塔架外径相等，是已知的。

接着，在步骤S2中，选择螺栓规格。首先，可以根据经验初选螺栓规格，例如按照高强度螺栓的国家标准选择M30。

接着，在步骤S3中，计算螺栓关联参数。根据相邻两颗螺栓轴线距离c和塔筒内壁到螺栓轴线的距离d_k，确定分度圆。由此，可计算出螺栓最大个数n_max＝[π×d_m/c]和法兰内径d_f，i＝d_f，o-4.5b-t。根据单个螺栓外力的公式，计算单个螺栓外力Z：

上述公式中，F_z是作用于塔筒截面上轴力，M_xy是截面上x向和y向的合成弯矩。

然后，计算螺栓最大承载能力：

判断是否满足第一预设条件，这里所述的第一预设条件是指静强度安全储备系数SRF_U，Fl大于等于1。即，静强度安全储备系数SRF_U，Fl是否满足

若不满足，则返回到步骤S2，增大螺栓规格，重复上述计算验证过程；若螺栓规格大于M64仍不满足，则法兰无法设计。一般来说，经过上述计算过程，能够确定符合条件的螺栓规格M。

接下来，在步骤S4，选择塔筒壁厚。实际上，在步骤S1中，已经确定了初始塔筒壁厚t。但是，在此需要对初始塔筒壁厚t进行验证。比较当前Seidel(赛德)的四个失效模式ABDE下的极限拉力F_U，i与塔筒壁塑性失效时的竖向力是否满足F_U，i≤N_pl3，若不满足，则增加壁厚，返回到步骤S1重新进行上述计算。

接着，在步骤S5，选择法兰厚度。这里，首先根据经验选择初始厚度，然后判断是否满足第二预设条件。若满足第二预设条件，则法兰设计完成，否则返回到步骤S5，重新选择法兰厚度。

所述第二预设条件包括：塑性失效条件、赛德失效模式条件、法兰张开条件以及螺栓疲劳条件。

所述塑性失效条件是指：根据当前法兰厚度判断条件F_U，i≤V_pl2是否满足，若不满足，则增加法兰厚度t_fl。这里，V_pl2是塔筒与螺栓之间靠近螺栓孔位置的法兰塑性失效时的剪力。

所述赛德失效模式条件是指：验证是否满足赛德失效模式ABDE。关于赛德失效模式ABDE，可以参见上述详细说明。具体到本实施例，可以仅验证是否满足失效模式B的成立条件(F_u，t-F_U，B)·a＜M′_pl2，若不满足，增加法兰厚度t_fl。尽管Seidel的四个失效模式都应该满足，但是发明人经过大量的实践过程发现B失效模式的要求条件最苛刻，满足了B条件之后一般即可满足另外ADE三种失效模式。因此，在本实施例中，也可以只验证是否满足失效模式B。

所述法兰张开条件的验证理由如下：

F_f＝F_v-q·F，这里F为外荷载作用于螺栓和法兰上的合力。增大法兰厚度t_fl会使得F增大，因此F_f有可能＜0。所以必须验证此条件。

另外，还需要验证是否满足螺栓疲劳条件。这里，当不满足螺栓疲劳条件时，首先增加法兰厚度t_fl。但是，如果即使增加了法兰厚度t_fl依然不满足螺栓疲劳条件时(例如法兰厚度达到了规定值时)，则增大螺栓规格，返回到步骤S2。

最后，当步骤S1至步骤S5全部完成时，上述各项设计参数均满足相应要求时，证明有关设计符合要求。法兰的初始设计完成。

本发明的上述法兰设计方法，是发明人在大量实践的基础上总结出了一条快速清晰的法兰设计流程。利用该流程可以在最短时间内快速高效设计出满足各项要求的法兰。

此外，由于塔架的重量约占风力发电机组总重量的50％，其成本约占风力发电机组制造成本的15％-20％。因此从节约成本的角度考虑，还要求保证法兰被设计得合理。即，在满足强度要求的前提下，有必要对法兰进行优化，进行减重设计。

在设计出满足强度要求的法兰后，要使塔架更轻，更具有竞争性，需要对法兰进行优化。目前还缺少比较清晰统一的优化流程。

根据上述描述可知，法兰设计过程中包含大量公式，同时由于这些公式中又包含有大量的参数，各个参数自身调整难度及对法兰的强度影响又不尽相同。因此法兰的优化工作同样面临复杂难题。

本发明的发明人经过潜心研究，在上述初始设计的基础上，提出了对法兰进行进一步设计，以便进行优化的方案。

下面，结合附图具体进行说明。

图5是表示本发明一个实施例中对法兰进行设计优化的流程图。

如图5所示，首先，在步骤S6中，判断是否需要对法兰进行优化。评估静强度安全储备系数SRF_U，Fl；以判断是否需要进行优化；如果静强度安全储备系数SRF_U，Fl与理想状态下的静强度安全储备系数之间的差大于预设值，则进行优化。所述预设值是指法兰最终的安全裕度和理想的裕度之间的差异(例如，某法兰的理想安全裕度一般在1.1左右，调整后的安全裕度是要向1.1靠齐)。当然实际情况不同，具体要求也不同，比如有的要求安全裕度要高一点，则此时，我们最终调整法兰的安全裕度一般要在1.3左右。这里仅是对预设值进行举例以便于理解，并不局限于此。

接着，在步骤S7中，减少螺栓个数，然后转到步骤S3重新进行计算。这里，减少螺栓个数n，计算静强度安全储备系数SRF_U，Fl和疲劳疲劳强度D(参见上述计算公式)。然后再次评估，如果无法通过调整螺栓个数达到减小静强度安全储备系数SRF_U，Fl且保证疲劳疲劳强度D＜1的目的，则说明无法通过减小螺栓个数优化减重，反之，则可以通过减少螺栓个数的方式来进行减重设计。

然后，在步骤S8中，判断是否可以进一步优化。即，当静强度安全储备系数SRF_U，Fl在第一预设范围内，且疲劳疲劳强度D＜1时，表示能够继续进行优化。

接着，在步骤S9中，减小法兰厚度，然后进入步骤S5。减小法兰厚度t_fl，计算静强度安全储备系数SRF_U，Fl和疲劳疲劳强度D(参见上述计算公式)。再次重复设计流程。通过上述步骤，能够通过减小法兰厚度的方式来进行减重设计。

接着，在步骤S10中，判断是否可以继续进行优化。这里，如果静强度安全储备系数SRF_U，Fl在第二预设范围内，且疲劳疲劳强度D＜1时，表示能够继续进行优化。

接着，在步骤S11中，增大法兰内径，然后进入步骤S3。增大法兰内径d_f，i(上限为d_m-D/2)，计算静强度安全储备系数SRF_U，Fl和疲劳疲劳强度D(参见上述计算公式)。然后重复上述设计流程的步骤，对法兰进行减重设计。

经过上述步骤之后，法兰得到充分的减重设计，从而完成对法兰的减重优化。

上述的第一预设范围、第二预设范围、第三预设范围，它们的数值是越来越小的(例如1.4、1.2、1.1)。这是因为通过逐级的优化使法兰的强度和经济性匹配度达到最优。比如第一预设范围假如是1.4，则此时强度裕度比较大，法兰的重量肯定很大，此时就通过调整相关参数使法兰强度裕度逐渐下降，从而达到法兰不断减重的目的。值得注意的是，上述数字仅仅是作为参考给出，具体的第一预设范围、第二预设范围、第三预设范围它们的确定方式要根据具体的项目需求来进行设定。有时，偏于安全性考虑就使得法兰安全裕度高些；有时，偏于经济性考虑就使得法兰的重量尽量轻点。这些要根据实际情况确定，并不局限于上述示例。

根据上述本发明的优化方法，在进行优化时明确各参数的优先级。即，按照螺栓个数、法兰厚度和法兰内径的顺序进行优化。之所以这样，是因为螺栓个数的调整最为简单，它对其它量的依赖不大(调整螺栓个数后其他的一些变量不需要跟着变化)，可以达到减重的目的；另外螺栓个数减少后，相邻两颗螺栓轴线距离c增大，使法兰厚度t_fl的减小成为可能。在螺栓个数减少后进一步减小法兰厚度t_fl可以进一步减轻法兰重量。最后通过增大法兰内径来进一步达到减重目的。

由此可见，本发明在分析了各个参数对塔架法兰强度的影响前提下，给出了影响法兰强度的几个主要参数。给出了影响法兰优化过程几个重要参数的优先级(螺栓个数n、法兰厚度t_fl和法兰内径d_f，i)。

本发明的方法规范了法兰设计和优化过程，给出了一条清晰的设计和优化步骤，可以缩短法兰设计和优化的时间。

根据本发明，可提供一种L型法兰，所述L型法兰用于连接风力发电机组的塔架，其特征在于，所述L型法兰的规格参数是通过本发明上述的L型法兰的设计方法来进行设计的。

由此，能够以较短时间设计出符合要求的L型法兰，降低L型法兰的设计制造成本。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。并且，在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。

工业实用性

本发明适用于风力发电机组塔架的L型法兰的设计领域。

Claims (11)

1.一种L型法兰的设计方法，所述L型法兰用于连接风力发电机组的塔架，所述设计方法的特征在于，包括：

确定初始设计参数的步骤(S1)、选择螺栓规格的步骤(S2)、计算螺栓关联参数的步骤(S3)、选择塔筒壁厚的步骤(S4)以及选择法兰厚度的步骤(S5)，

其中，

在所述确定初始设计参数的步骤(S1)中，所述初始设计参数包括法兰外径(d_f，o)、初始塔筒壁厚(t)、相邻两颗螺栓轴线距离(c)、塔筒内壁到螺栓轴线的距离(d_k)，

在所述计算螺栓关联参数的步骤(S3)中，计算最大螺栓个数(n)、法兰内径、螺栓外力、螺栓的最大承载能力(F_U，B)以及静强度安全储备系数(SRF_U，Fl)；并判断是否满足第一预设条件；若满足，则进入所述选择塔筒壁厚的步骤(S4)；若不满足，则返回所述选择螺栓规格的步骤(S2)；

在所述选择塔筒壁厚(t)的步骤(S4)中，若当前失效模式下的极限拉力(F_U，i)大于塔筒壁塑性失效时的竖向力(N_pl3)，则重新选择塔筒壁厚(t)，否则进入所述选择法兰厚度的步骤(S5)，

在所述选择法兰厚度(t_fl)的步骤(S5)中，验证在当前法兰厚度(t_fl)下是否满足第二预设条件；若满足，则结束法兰设计；若不满足，则重新选择法兰厚度(t_fl)。

2.如权利要求1所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

所述第一预设条件是指：所述静强度安全储备系数(SRF_U，Fl)大于等于1。

3.如权利要求1所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

所述第二预设条件包括：塑性失效条件、赛德失效模式条件、法兰张开条件以及螺栓疲劳条件。

4.如权利要求3所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

在验证是否满足所述赛德失效模式时，仅验证是否满足赛德失效模式B。

5.如权利要求1所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

还包括：按照螺栓个数(n)、法兰厚度(t_fl)、法兰内径(d_f，i)的顺序，对所述L型法兰进行减重优化的步骤。

6.如权利要求5所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

对所述L型法兰进行减重优化的步骤包括：

当判断为需要进行优化时，优先通过减少螺栓个数进行减重优化(S9)，

当判断为能够继续进行优化时，通过减小法兰厚度继续进行减重优化(S11)，

当判断为能够进一步进行优化时，通过增大法兰内径进一步进行减重优化(S13)。

7.如权利要求6所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

当通过减少螺栓个数进行减重优化时，减少螺栓个数并返回到所述计算螺栓关联参数的步骤(S3)，

当通过减小法兰厚度进行减重优化时，减小法兰厚度并返回到所述选择法兰厚度的步骤(S4)，

当通过增大法兰内径进行减重优化时，增大法兰内径并返回到所述计算螺栓关联参数的步骤(S3)。

8.如权利要求6所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

如果静强度安全储备系数与理想状态下的静强度安全储备系数之间的差大于预设值，则通过减少螺栓个数进行减重优化。

9.如权利要求8所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

当静强度安全储备系数(SRF_U，Fl)在第一预设范围内，且疲劳强度小于1时，通过减小法兰厚度继续进行减重优化(S11)。

10.如权利要求9所述的L型法兰的设计方法，其特征在于，

当静强度安全储备系数(SRF_U，Fl)在第二预设范围内，且疲劳强度小于1时，通过增大法兰内径进一步进行减重优化(S13)，

其中，所述第二预设范围小于所述第一预设范围。

11.一种L型法兰，所述L型法兰用于连接风力发电机组的塔架，其特征在于，所述L型法兰的规格参数是通过权利要求1至10中任一项所述的L型法兰的设计方法来进行设计的。