风电塔法兰螺栓松动对结构振动影响数值分析

发布时间：2020-08-11 17:05

【摘要】：风能是一种可再生清洁能源,以其独特的优势最先得到欧美国家的重视和发展,风电开发技术日趋成熟。我国作为能源消耗大国,虽然在风电领域起步较晚,但近些年来发展迅速,装机容量已位居世界第一。目前在运行中的风电塔(风力发电塔)出现了多起事故,造成了重大经济损失,结构失效是导致风电塔倒塌的重要因素。由于风电塔处于振动环境中,法兰紧固螺栓容易出现松动,导致其疲劳寿命降低,甚至发生断裂,因此正常工作中的风电塔出现了倒塌事故。国内外学者对风电塔进行建模分析时,常常忽略连接各节塔筒的法兰,因此无法考虑法兰螺栓松动的问题。本文以位于甘肃某地风电场的2MW风电塔为研究对象,结合环境脉动测试数据,以数值分析的方式对法兰螺栓松动问题进行研究,建立考虑法兰螺栓的风电塔整体模型,分析螺栓松动对结构静力和动力响应的影响,为评估风电塔法兰螺栓松动提供参考。论文主要研究内容和成果如下:(1)根据已有的现场三座风电塔环境脉动测试数据,经过谱分析得到了风电塔的前2阶固有频率和阻尼比,比较风电塔维修前后的固有频率和阻尼。结果显示,1阶固有频率和阻尼比对法兰螺栓松动不敏感。(2)建立了法兰局部构件的三维体单元模型,分析了不同螺栓预紧力作用下,法兰局部构件轴向荷载与位移的关系和法兰螺栓等效应力与轴向荷载的关系。结果显示,预紧力可以减小法兰间隙宽度,增强法兰抗拉刚度。预紧力损失后,螺栓的疲劳寿命急剧减小,没有预紧力的法兰局部构件表现出拉压双线性。(3)在法兰局部构件的力学本构关系基础上,采用非线性弹簧模拟法兰局部构件,基于纤维模型的思想,建立了法兰整体模型,并和塔筒组成风电塔整体的弹簧-梁模型。讨论了风荷载的计算方法,基于叶素动量理论计算风轮轴向推力,采用通用风压公式计算塔筒上的风荷载。结合现场法兰螺栓松动调查情况,采用松动比例η和螺母转角θ分别量化螺栓的松动数量和松紧程度。应用风电塔整体模型,分析了法兰螺栓松动对塔顶位移和法兰间隙宽度的影响。当螺母转角θ-60o,松动比例η10%时,塔顶位移和法兰间隙宽度对螺栓松动比较敏感。(4)应用风电塔整体模型和无法兰整体模型分别进行模态分析,得到前6阶振型和固有频率。分析了法兰螺栓松动对风电塔固有频率的影响,根据环境脉动测试数据分析结果得到瑞利阻尼参数,对风电塔遭受短时阵风作用进行了瞬时动力分析,研究了螺栓松动对风电塔结构动力响应特性的影响,分析了结构阻尼对其动力特性的影响。结果显示,当螺母转角θ0o时,风电塔固有频率变化显著;法兰螺栓松动导致塔顶位移幅值增大,现场测试的风电塔的结构阻尼改变对其动力特性影响较小。
【学位授予单位】：中国地震局工程力学研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM614
【图文】：

风电,现场图

中国地震局工程力学研究所硕士学位论文，基础开裂，甚至出现结构倒塌事故。2010 年 1 月，山西某塌，事故原因是法兰低温冲击韧性远达不到国际标准，施工时要求。2010 年 2 月，宁夏某风电场风电塔发生倒塌事故，事屏蔽，造成机组超速运转，引发火灾，塔筒发生共振倒塌。20西偏关某风电场项目 14 号风电塔倒塌，事故原因是振动值严重开裂（北极星风力发电网，2016）。2017 年大唐新疆淖毛湖风风电塔倒塌事故，风电塔从中、下段法兰连接处折断倒塌，

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舱支撑塔筒上方所有装置和附属部件，内部安装有传动系统、偏航系统等，保护主要设备免受风沙或雨水的直接侵害。中、大型风力机的机舱通常横梁为主，辅以肋板、腹板等焊接而成。筒是风电塔的主体支撑结构，与基础直接相连，承受塔顶机舱和风轮的重力发电系统运行引起的各种荷载，并传递至基础。常见的钢制塔筒由多节，各节塔筒之间通过法兰螺栓连接；底部塔筒与钢筋混凝土基础预埋件螺使得风电塔嵌固在地面上；上部塔筒与机舱通过回转体（转盘）连接，使够回转至迎风面工作。础将上部荷载均匀传递到地面上，陆上风电塔最常见的钢筋混凝土板式基础，由基础底板、棱台及墩台组成，依靠基础及回填土自重抵抗较大的，见图 1-4。优点是施工简便，基础与上部塔筒的连接通过埋入式塔筒实现准化（马跃强等，2009）。其他陆上风电塔基础有肋梁基础、桩基础、岩础以及预应力锚杆基础等，海上风电塔一般采用桩基础，单桩或多桩基础

风电,扩展基础,塔筒

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