CN112761891A - 一种风电机组塔筒及其加工方法 - Google Patents

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王茂华
刘鑫
闫姝
施建冲
顾小兵
张艳飞
张宝君
陆启芹
李钊
戴坚
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    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
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    • Y02E10/70—Wind energy
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Abstract

本发明提供一种风电机组塔筒及其加工方法，风电机组塔筒，筒壁内侧面上设置有相互交叉的第一加筋和第二加筋；第一加筋和第二加筋形成网状结构；根据设计尺寸切割钢板；在所述钢板上焊接横向加筋和斜向加筋，焊脚处做凸形或凹形角焊缝处理；将焊完加筋后的钢板卷制成圆筒，并释放焊接应力和变形应力采用本发明的风电机组塔筒，可以改善塔架的屈曲力学特性，在满足屈曲强度的前提下减小塔架重量，从而达到减小塔底载荷，为整个支撑结构减重的目的，此外，通过本发明提出的一种风电机组塔筒加筋结构，还可以有效减小塔架在横卧放置阶段的变形。

Description

一种风电机组塔筒及其加工方法
技术领域
本发明属于风力发电钢制塔架设计技术领域，具体涉及一种风电机组塔筒及其加工方法。
背景技术
伴随风电机组容量的总打和叶片直径的正常，风电塔架的直径和高度也越来越大，成型工艺与结构细节越来越复杂。风电塔架的重量根据实际项目情况，一般在200-500吨左右，占到风电机组总成本的5％左右。由于当前国内政策对风电平价上网的要求，因此对塔架结构优化设计的精细程度、对新型轻质结构研究提出了更高的要求。
在筒壳结构的设计中普遍采用光筒壳这种结构形式，后在实际应用中发现其对初始缺陷非常敏感，导致结构承载力发生较大折减，难以满足实际承载需求。在航天运载火箭的技术发展中，为了提高筒壳结构的承载能力和抗缺陷能力，设计师提出了加筋筒壳结构形式，其由蒙皮和筋条组成，筋条结构有效提高了筒壳结构的弯曲刚度，进而提高了筒壳结构的承载能力和抗缺陷能力越来越复杂。弹箭体结构中的加筋薄壳一般采用铝合金材料，通常采用化学铣切或机械铣切方式制造。随着复合材料的兴起，国外的弹箭体关键部段已采用了复合材料加筋薄壳结构。
加筋筒壳结构还未广泛用于风电塔架的产业化设计制造中。航天弹箭体结构的破坏模式一般只需要考虑极限强度和屈曲强度，而风电塔架的破坏模式分为极限强度、屈曲强度和疲劳强度。对于轮毂中心高度在100m以内的陆上风机塔架，对于水深在20m、轮毂中心高度在90m以内的海上风机塔架，一般都是由屈曲强度控制的。
在塔架设计中，在塔架分段、直径、材料和加工工艺确定后，屈曲强度一般由塔架的壁厚决定。塔架的壁厚直接影响塔底的载荷大小和塔架的重量，从而影响基础设计的工程量。尤其对于海上风机支撑结构，基础的造价一般是塔架的5倍以上。因此，通过优化塔筒壁厚和重量来减小塔底载荷对整个支撑结构造价十分有必要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风电机组塔筒及其加工方法，对于由屈曲强度控制的风机塔架结构，设计一种加筋结构，用以在满足屈曲强度的前提下减小塔架重量，从而达到减小塔底载荷，为整个支撑结构减重的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种风电机组塔筒，筒壁内侧面上设置有相互交叉的第一加筋和第二加筋；第一加筋和第二加筋形成网状结构。
第一加筋平行于塔筒轴线，第二加筋垂直与塔筒轴线。
壁厚t、第一加筋平行于塔筒轴线，第二加筋的宽度f、高度h、相邻两根第一加筋的间距l以及相邻两根第二加筋的间距w满足：
find:f,h,t,l,w
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
f,h,t,l,w＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
第一加筋和第二加筋与塔筒轴线均有一夹角，筒壁内侧面上还设置有与第一加筋和第二加筋均交叉的第三加筋，第一加筋和第二加筋之间的夹角为α。
第三加筋为横向，第三加筋垂直于塔筒轴线；第三加筋与第一加筋和第二加筋所形成一系列平行四边形的边相交。
壁厚t、第一加筋和第二加筋宽度f、第三加筋的宽度e、第一加筋和第二加筋横向交点的距离b、第一加筋和第二加筋所形成一系列平行四边形纵向顶点的距离a、相邻两个第三加筋的间距c、以及第一加筋、第二加筋和第三加筋的高度h满足：
find:a b,c,e,f,α,h,t
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
a,f,b,c,e,h,t＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
第三加筋为纵向，第三加筋平行于塔筒轴线；第三加筋与第一加筋和第二加筋的交点相交。
壁厚t、第一加筋和第二加筋的宽度f、第三加筋的宽度e、第一加筋和第二加筋所形成一系列平行四边形纵向顶点的距离a、第一加筋和第二加筋与第三加筋的夹角β、相邻两个第三加筋的间距c、以及第一加筋、第二加筋和第三加筋的高度h满足：
find:a,c,e,f,β,h,t
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
a,f,b,c,e,h,t＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
一种风力发电机组，采用本发明所述的风电机组塔筒。
本发明所述风电机组塔筒的加工方法，具体包括以下步骤：
根据设计尺寸切割钢板；
在所述钢板上焊接横向加筋和斜向加筋，焊脚处做凸形或凹形角焊缝处理
将焊完加筋后的钢板卷制成圆筒，并释放焊接应力和变形应力。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
采用本发明一种风电机组塔筒加筋结构，可以改善塔架的屈曲力学特性，在满足屈曲强度的前提下减小塔架重量，从而达到减小塔底载荷，为整个支撑结构减重的目的。此外，通过本发明提出的一种风电机组塔筒Kagome加筋结构，还可以有效减小塔架在横卧放置阶段的变形。
附图说明
图1是一种风电塔筒Kagome加筋结构示意图。
图2是一种风电塔筒展开后的Kagome加筋结构示意图。
图3是实施例一加筋结构展开后的单胞立体结构示意图。
图4a是实施例一加筋结构展开后的单胞结构侧视示意图。
图4b是实施例一加筋结构展开后的单胞结构俯视示意图。
图5是一种风电塔筒正交加筋结构筒壁示意图。
图6是一种风电塔筒正交加筋结构展开示意图。
图7是一种风电塔筒正交加筋结构展开后的单胞立体结构示意图。
图8a是一种风电塔筒正交加筋结构展开后的单胞结构侧视示意图。
图8b是一种风电塔筒正交加筋结构展开后的单胞结构俯视示意图。
图9是一种风电塔筒三角加筋结构示意图
图10是一种风电塔筒的三角加筋展开结构示意图
图11是一种风电塔筒三角加筋结构的单胞展开立体结构示意图。
图12a是一种风电塔筒三角加筋结构的单胞展开结构侧视示意图。
图12b是一种风电塔筒三角加筋结构的单胞展开结构俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述，在附图中示出了本发明的实例性实施例。
主要包括Kagome、正交和三角层级加筋结构。
实施例1，图1至图4a和图4b给出的是一种风电机组塔筒Kagome加筋结构，风电塔架的内壁上设有第一加筋和第二加筋，第一加筋和第二加筋之间的夹角为α，α优选取为60°。
参考图2，本实施例所述的风电机组塔筒Kagome加筋结构，可以由一种单胞在平面内通过周期性排列获得，单胞中塔筒壁厚为t，单胞(虚线框为一个单胞)的长度为a，单胞的长度也可以理解为第一加筋2和第二加筋3所形成一系列平行四边形纵向顶点的距离a；宽度为b，如图3，本实施例所述的风电机组塔筒Kagome加筋结构，第一加筋的横截面尺寸为：宽度f，相邻两根第三加筋4的间距为c；第二加筋的横截面尺寸为：宽度f；第一加筋、第二加筋和第三加筋4的高度均为h；第三加筋4的宽度为e；
对于第一加筋和第二加筋的尺寸间距等参数，均可根据实际项目情况进行定制化设计。
采用本发明所述的风电机组塔筒Kagome加筋结构时，对于特定问题可通过以下优化列式求得最优的加强筋结构设计：
find:a,b,c,e,f,α,h,t
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
a,f,b,c,e,h,t＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
实施例2，
图5-图8给出的是风电机组塔筒正交的加筋结构，图5中，所述风电机组塔筒正交加筋结构，风电塔架的内壁设有第一加筋和第二加筋，第一加筋与第二加筋之间的形成的角度为90°。
如图6、图7、图8a和图8b所示，采用本实施例所述的一种风电机组塔筒正交加筋结构，第二加筋的横截面尺寸中：宽度f，相邻两根第二加筋3的间距为w；第一加筋的横截面尺寸为：宽度为f，相邻两根第一加筋的间距为l；本实施例所述的一种风电机组塔筒正交加筋结构，可以由一种单胞在平面内通过周期性获得，单胞中纵向加筋和横向加筋的高度均为h，塔筒壁厚为t。
采用本发明的一种风电机组塔筒正交加筋结构时，对于特定问题可通过以下优化列式求得最优的加强筋结构设计：
find:f,w,l,h,t
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
f,w,l,h,t＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
采用本发明所述的风电机组塔筒正交加筋结构，风力发电机组的根据实际项目情况，对于第一加筋2和第二加筋3的尺寸间距等尺寸参数，均可定制化设计。
可选的，本实施例所述的一种风电机组塔筒正交加筋结构，第一加筋与水平面之间有一夹角，第二加筋3与第一加筋2垂直。
实施例3
参考图9、图10、图11、12a和图12b，图9所示风电机组塔筒内侧面加筋结构，风电塔架1的内壁设有第一加筋2和第二加筋3，第一加筋与第二加筋之间的夹角α的取值范围为(0°，90°)。
本实施例的风电机组塔筒加筋结构，可以由一种单胞在平面内通过周期性排列获得，单胞中：塔筒壁厚为t，第一加筋、第二加筋和第三加筋的高度均为h；
本实施例所述的一种风电机组塔筒加筋结构，第三加筋4的横截面尺寸为：宽度e，相邻两根第三加筋4的间距为c；第一加筋2和第二加筋3的横截面宽度为f，第一加筋2和第二加筋3与第三加筋4的夹角均为β，同一根第三加筋与第一加筋和第二加筋纵向交点的最小距离a；也可以理解为第一加筋2和第二加筋3所形成一系列平行四边形纵向顶点的距离a。
采用本实施例所述的风电机组塔筒三角加筋结构时，对于特定问题可通过以下优化列式求得最优的加强筋结构设计：
find:a,c,e,f,β,h,t
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
a,f,b,c,e,h,t＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
采用本实施例所述的风电机组塔筒三角加筋结构，所述风力发电机组的根据实际项目情况，对于纵向加筋2和斜向加筋3的尺寸间距等尺寸参数，均可定制化设计。
采用本实施例所述的风电机组塔筒三角加筋结构所述风力发电机组的根据实际项目情况，对于单胞4，可旋转90°。
采用本实施例所述的风电机组塔筒三角加筋结构，加筋薄壳结构对几何缺陷和几何公差等加工特征非常敏感，为保证结构的实际承载性能，需要提高加筋薄壳加工精度至0.5mm以内。
在制造中，可通过焊接、化学铣切、机械铣切或者3D打印等方式制造，具体根据工艺成熟度和造价确定。
基于实施例1-3的具体结构，本发明所述第一加筋2和第二加筋3的横截面还可以采用梯形，所述梯形的上底两端进行倒角过渡。
制造步骤：
1)在塔架厂把钢板母材按照设计尺寸进行切割
2)在母材上焊接第一加筋2和第二加筋3，焊脚处可做凸形或凹形角焊缝处理；
3)将焊完加筋后的钢板卷制成圆筒
采用本发明所述风电机组塔筒加筋结构，可以改善塔架的屈曲力学特性，在满足屈曲强度的前提下减小塔架重量，从而达到减小塔底载荷，为整个支撑结构减重的目的。
此外，通过本发明提出的一种风电机组塔筒加筋结构，还可以有效减小塔架在横卧放置阶段的变形。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (10)

1.一种风电机组塔筒，其特征在于，筒壁(1)内侧面上设置有相互交叉的第一加筋(2)和第二加筋(3)；第一加筋(2)和第二加筋(3)形成网状结构。
2.根据权利要求1所述的风电机组塔筒，其特征在于，第一加筋(2)平行于塔筒轴线，第二加筋(3)垂直与塔筒轴线。
3.根据权利要求2所述的风电机组塔筒，其特征在于，壁厚t、第一加筋(2)平行于塔筒轴线，第二加筋(3)的宽度f、高度h、相邻两根第一加筋(2)的间距l以及相邻两根第二加筋(3)的间距w满足：
find:f,h,t,l,w
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
f,h,t,l,w＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
4.根据权利要求1所述的风电机组塔筒，其特征在于，第一加筋(2)和第二加筋(3)与塔筒轴线均有一夹角，筒壁内侧面上还设置有与第一加筋(2)和第二加筋(3)均交叉的第三加筋(4)，第一加筋(2)和第二加筋(3)之间的夹角为α。
5.根据权利要求4所述的风电机组塔筒，其特征在于，第三加筋(4)为横向，第三加筋(4)垂直于塔筒轴线；第三加筋(4)与第一加筋(2)和第二加筋(3)所形成一系列平行四边形的边相交。
6.根据权利要求5所述的风电机组塔筒，其特征在于，壁厚t、第一加筋(2)和第二加筋(3)宽度f、第三加筋(4)的宽度e、第一加筋(2)和第二加筋(3)横向交点的距离b、第一加筋(2)和第二加筋(3)所形成一系列平行四边形纵向顶点的距离a、相邻两个第三加筋(4)的间距c、以及第一加筋(2)、第二加筋(3)和第三加筋(4)的高度h满足：
find:a,b,c,e,f,α,h,t
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
a,f,b,c,e,h,t＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
7.根据权利要求4所述的风电机组塔筒，其特征在于，第三加筋(4)为纵向，第三加筋(4)平行于塔筒轴线；第三加筋(4)与第一加筋(2)和第二加筋(3)的交点相交。
8.根据权利要求7所述的风电机组塔筒，其特征在于，壁厚t、第一加筋(2)和第二加筋(3)的宽度f、第三加筋(4)的宽度e、第一加筋(2)和第二加筋(3)所形成一系列平行四边形纵向顶点的距离a、第一加筋(2)和第二加筋(3)与第三加筋(4)的夹角β、相邻两个第三加筋(4)的间距c、以及第一加筋(2)、第二加筋(3)和第三加筋(4)的高度h满足：
find:a,c,e,f,β,h,t
minimize:mass_tower
subject to:SRF_buckling≥1
a,f,b,c,e,h,t＞0
其中，mass_tower为塔架的质量，SRF_buckling为屈曲强度的安全裕度。
9.一种风力发电机组，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的风电机组塔筒。
10.权利要求1～7中任一项所述风电机组塔筒的加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
根据设计尺寸切割钢板；
在所述钢板上焊接横向加筋(2)和斜向加筋(3)，焊脚处做凸形或凹形角焊缝处理；
将焊完加筋后的钢板卷制成圆筒，并释放焊接应力和变形应力。
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李剑波;李学旺;黄冬明;: "风电塔筒屈曲承载能力提高方法研究", 风能, no. 01 *
王法武;仇德伦;潘方树;程晔;: "大型内加劲风力机塔筒动力响应与稳定性分析", 电力学报, no. 05 *

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