2024預應力抗疲勞構架式鋼管風電塔筒技術_第1頁
2024預應力抗疲勞構架式鋼管風電塔筒技術_第2頁
2024預應力抗疲勞構架式鋼管風電塔筒技術_第3頁
2024預應力抗疲勞構架式鋼管風電塔筒技術_第4頁
2024預應力抗疲勞構架式鋼管風電塔筒技術_第5頁
已閱讀5頁,還剩26頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內容提供方,若內容存在侵權,請進行舉報或認領

文檔簡介

預應力抗疲勞構架式鋼管風電塔技術PrestressedLatticeAnti-fatigueWindTurbineTower低風速區(qū)高風塔方案Part

1Tallwindturbinetowersinlow-wind-speedareas風電發(fā)展區(qū)域轉換我國電力消納矛盾:ZoneTransferofWPD三北地區(qū)風資源豐富,能源需求少國際可再生能源機構(IRENA)

:自1985年以來,輪轂高度和葉輪尺寸不斷提升單機容量大型化是國際風電發(fā)展趨勢之一中東部地區(qū)風資源相對匱乏,電力需求高矛盾解決方法:改變三北地區(qū)能源消耗配置專用特高壓輸電線路建設風場布局由三北向中東部低風速高負荷區(qū)轉移轉移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer低風速區(qū)風塔方案:提高效益的主要方法為提高風輪直徑和輪轂高度,以產生經濟效益即在低風速區(qū)建立更高、葉片更大的風塔,以獲取更多且更平穩(wěn)的風資源“風塔大型化”帶來的結構變化:塔身彎矩M約正比于塔高h的1.5次方

結構變形約正比于塔高h的2次方支撐結構用鋼量約正比于塔高h的1.5次方

結構頻率隨剛度減少而下降,更易與風機葉輪共振鋼塔筒結構若不調整,局部穩(wěn)定要求(徑厚比)限制筒徑加大,材料效率低鋼塔筒結構阻尼比低,不利于抑制共振,需要依靠控制系統(tǒng)調節(jié)轉移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer高風塔——柔性方案:結構基頻低于風機轉動卓越頻率的風塔(從啟動到正常發(fā)電必然會經過結構共振區(qū))柔性塔優(yōu)點:采用傳統(tǒng)結構制造技術避免共振的前提下,強度可滿足要求結構重量輕(塔高120米以內)柔性塔缺點:剛度小,啟動過程必然經過共振區(qū)鋼塔筒結構阻尼比低,不利于抑制共振在安裝過程中易于引起橫風向渦激振動控制系統(tǒng)可以抑制共振,前提是確保所有元器件長期有效當塔的基頻與風機卓越頻率較接近時,控制系統(tǒng)以抑制共振為目標,不以高效發(fā)電為目標,損失一定發(fā)電量轉移中求生存之法SurvivalMethodsunderZoneTransfer高風塔——剛性方案:剛性方案特點在于結構剛度大,阻尼比大,可直接有效避免塔身與機頭的共振漸變形全現(xiàn)澆混凝土塔翻?;蚧,F(xiàn)澆體外預應力板狀預制拼接混凝土塔環(huán)向多板拼接體外預應力分段變徑預制混凝土塔分段變徑環(huán)狀預制體外預應力鋼-預應力混凝土復合塔下段現(xiàn)澆混凝土上段鋼塔筒目前已有的剛性塔方案大多為混凝土結構或鋼-混組合結構但相比于全鋼結構塔而言,混凝土塔施工過程鋪場大、周期長,工業(yè)化程度較低全鋼結構剛性塔Part

2SteelRigidWindTurbineTower結構組成StructuralComposition構架式剛性塔方案:塔身結構分為構架式塔架和錐臺形塔筒兩部分,中間由過渡段連接構架式剛性塔特點:剛度大,承載能力高底部構架式結構材料利用率高,用鋼量省工業(yè)化制造、散件運輸基礎受力小、造價低塔身采用全鋼結構,以提升剛性風塔的工業(yè)化程度將鋼結構全塔身或塔身底部設計為構架式,以節(jié)省材料并提高剛度四邊形全鋼構架塔組成:傳統(tǒng)塔筒轉換過渡段構架式塔架獨立基礎+連梁結構組成StructuralComposition八邊形全鋼構架塔組成:傳統(tǒng)塔筒轉換過渡段構架式塔架獨立基礎+連梁結構組成StructuralComposition已建成構架塔方案SteelAngleWindTurbineTower構架式角鋼塔方案:國內已建成120米四邊形構架式角鋼塔,每根塔柱由四根大規(guī)格角鋼拼接而成,橫斜桿均為單角鋼,連接全部用摩擦型高強螺栓。由于葉片做了特殊仰角改造,避免運行過程掃塔,因此塔身桁架段較長,而塔筒段較短??蛇M一步優(yōu)化的地方:塔高超過120米后,塔柱角鋼規(guī)格受限,采購困難角鋼迎風體型系數大,塔身所受風荷載大角鋼截面回轉半徑i

小,穩(wěn)定折減多,材料效率低構架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構架式預應力鋼管塔方案:塔柱采用圓鋼管替代角鋼,提高了材料效率,降低了塔身所受風荷載,120m塔架可節(jié)省約15%用鋼量;構架塔段可采用四邊形、六邊形或八邊形等,分別對應不同形式的轉換過渡段;塔架斜腹桿可采用雙拼C型槽鋼,用摩擦型高強螺栓連接;或斜桿采用預應力鍍鋅鋼絞線,做柔性拉索,進一步節(jié)省鋼材;雙拼C型鋼連接示意:構架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構架式鋼管塔抗疲勞方案:鋼管塔柱高頸鍛造法蘭對焊節(jié)點鋼管塔柱焊接節(jié)點板需提升焊接節(jié)點的抗疲勞性能,以滿足風電塔的要求轉換過渡段焊接節(jié)點角鋼塔節(jié)點采用摩擦型高強螺栓連接,此節(jié)點形式疲勞等級較高塔柱采用鋼管代替角鋼,則需要焊接節(jié)點連接,由于缺陷和殘余應力的引入,其抗疲勞性能相對較低構架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構架式鋼管塔抗疲勞新策略:預壓力抗疲勞提高焊接節(jié)點抗疲勞性能的傳統(tǒng)方法較多,包括:錘(針)擊、超聲沖擊、熱處理等

究其本質為改善焊縫微觀幾何,消除應力集中、改善材料性質以及降低殘余拉應力大小或在構件表面制造殘余壓應力等,以抑制微裂紋的萌生和擴展

一般認為疲勞壽命受疲勞應力幅決定。但疲勞裂縫發(fā)展的過程與應力的性質也有關系。若將疲勞應力限制在壓應力范圍,則裂縫的發(fā)展受到很大的制約,壽命即可延長。圖2-1一般疲勞應力圖圖2-2加預壓力的疲勞應力圖構架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower構架式鋼管塔抗疲勞新策略:預壓力施加方法:構架段的每根塔柱內布置兩根預應力鋼絞線,保證鋼管塔柱在風機正常運行工況(疲勞工況)下處于全受壓狀態(tài),以提高疲勞壽命。通過對節(jié)點施加預壓力,降低焊接節(jié)點及附近金屬母材的拉應力,在工作狀態(tài)下疲勞應力在壓應力范圍內循環(huán),提高疲勞壽命。塔柱內預應力鋼絞線錨頭花籃螺栓預應力鋼絞線鑄鋼段高頸法蘭鋼管全熔透對接焊高強螺栓構架式鋼管塔SteelTubeWindTurbineTower低風速區(qū)高風塔選型思路總結:存在問題解決思路電力消納矛盾低風速區(qū)建立高風塔風塔大型化帶來的結構變化柔性塔剛性塔

剛性塔材料選擇混凝土(鋼混)全鋼構架塔

全鋼結構剛性塔角鋼塔圓鋼管塔

圓鋼管塔焊接節(jié)點抗疲勞性預應力抗疲勞預應力抗疲勞Part

3PrestressedAnti-fatiguetechnology規(guī)范、標準規(guī)定:不同規(guī)范和標準所考慮的應力比R對疲勞壽命的影響程度不同,且與節(jié)點部位的殘余應力程度相關。以下總結了中國/GB,日本/AIJ,美國/AISC,歐洲/EC3,船級社/DNVGL和國際焊接學會/IIW的相關規(guī)定,fcf(R)表示應力幅修正系數,是應力比R的函數。注:疲勞荷載應力比R=Smin/Smax,即應力循環(huán)中的最小應力/最大應力預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology規(guī)范、標準規(guī)定:將其統(tǒng)一繪制于下圖中方便對比,橫坐標為應力比R,縱坐標為應力幅的修正系數。隨著應力比R的降低(即應力循環(huán)中壓應力的比重增大),對應的應力幅折減系數越大,即對應的疲勞壽命的增大系數越大,意味著相應的疲勞壽命越長。注:疲勞荷載應力比R=Smin/Smax,即應力循環(huán)中的最小應力/最大應力預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology結論:當應力幅中壓應力絕對值大于拉應力絕對值8倍以上時,多數規(guī)范對應力幅都予以折減。預應力抗疲勞試驗:DNVGL試驗:DNVGL的J.R?rup和H.Petershagen基于船舶結構中典型的兩面帶縱向焊接勁板的平板節(jié)點類型(兩層角焊,殘余應力程度很高),探索了不同應力比R對應的疲勞壽命增大系數。由結果可見,盡管存在很高的焊接殘余應力,但當構件完全處于常幅壓力循環(huán)時(R=-∞),其疲勞壽命提高約3倍。預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology注:疲勞荷載應力比R=Smin/Smax,即應力循環(huán)中的最小應力/最大應力同濟大學高聳結構研究室預應力抗疲勞試驗:預應力抗疲勞吊車梁試驗:將預應力抗疲勞策略應用于重級工作制吊車梁:其受疲勞控制,疲勞裂紋一般起始于下翼緣焊縫。通過在焊接工字鋼梁下翼緣位置張拉預應力鋼絞線,從而降低該部位在疲勞荷載下的平均應力(應力比R)以提高疲勞壽命。預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology注:疲勞荷載應力比R=Smin/Smax,即應力循環(huán)中的最小應力/最大應力無預應力鋼梁,疲勞壽命71萬次試驗結果:部分預應力鋼梁(R=-4),疲勞壽命415萬次疲勞壽命提升約6倍預應力抗疲勞試驗:基于構架式鋼管塔過渡段的焊接節(jié)點抗疲勞試驗:以八邊形塔架過渡段的“鋼管-插板焊接節(jié)點”為對象,進行了多組預應力抗疲勞試驗:預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology處于全壓力循環(huán)下(R=-∞)的構件,其疲勞壽命提高約2.9~6.0倍左右。且前述所有“疲勞壽命”均指裂紋貫穿壁厚的“裂紋萌生壽命”;實際裂紋萌生后,焊接殘余應力隨即釋放,其后在全壓力循環(huán)下裂紋擴展緩慢,可長時間(100多萬次)帶裂工作,即“裂紋擴展壽命”很長。同時,預應力抗疲勞實際將疲勞的“脆性破壞”改善為一種特殊的“延性破壞”模式,具有較好意義。預應力抗疲勞設計方法:以上試驗結果證明了預應力抗疲勞的可行性,現(xiàn)結合風電塔的疲勞荷載特點,評估預應力抗疲勞的經濟性:預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology風電疲勞荷載下的構架塔焊接節(jié)點典型馬爾科夫矩陣絕大多數(85%以上)荷載循環(huán)對應的應力幅很小,但其并不是疲勞損傷的主要來源。損傷主要來自應力幅更大的一些應力循環(huán),盡管其對應的荷載循環(huán)次數相對較少。對應損傷情況預應力抗疲勞設計方法:以試驗結果為依據,對馬爾科夫矩陣中不同應力比R下的應力幅進行相應折減,計算應力幅折減后的損傷值,同時考慮預壓力引入后伴隨的塔柱截面積增大(以滿足極限承載能力)的調整,可定量評估預應力抗疲勞方法的經濟性。預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology傳統(tǒng)方法:增大構件尺寸抗疲勞預應力抗疲勞顯然,相比于增大構件尺寸以抵抗疲勞的傳統(tǒng)方法,預應力抗疲勞方法在構架式鋼管風電塔中具有更好的經濟性。結論:采用預壓力降低構架式鋼管風電塔焊接節(jié)點在疲勞荷載下的平均應力,從而提升疲勞壽命,具有較好的可行性和經濟性。當應力循環(huán)全部處于壓應力區(qū)間時,基本不再有疲勞問題(即便裂紋萌生后,其擴展速度緩慢,仍可長時間帶裂工作)。同時,將疲勞脆性破壞改善為一種特殊的延性破壞模式。預應力抗疲勞PrestressedAnti-fatigueTechnology設計開始截面選定

設計

驗算不通過通過傳統(tǒng)抗疲勞設計截面增大預應力抗疲勞設計預應力施加方案預壓力與極限

判斷截面調整預應力施加荷載不累加預壓力與極限

荷載累加設計完成

復核判斷優(yōu)勢Part

4Advantages優(yōu)勢Advantages構架式預應力抗疲勞鋼管風力發(fā)電塔:塔架結構特點:優(yōu)勢:相比于傳統(tǒng)單管塔,構架塔在運輸上具有較大優(yōu)勢,構架段為散件運輸;所有焊接均在工廠內完成,現(xiàn)場全部為螺栓節(jié)點安裝;同時,構架塔安裝也具有一定優(yōu)勢,可以多個工作隊同時作業(yè),節(jié)省時間成本。塔架越高,風輪直徑越大,塔底彎矩越大,采用構架式塔架提升材料效率越高塔身總用鋼量越省;構架塔采用獨立基礎+連梁形式,相比于柔塔,可節(jié)省大量基礎混凝土方量和鋼筋量;參數:輪轂高度:120m~200m塔底占地直徑:25m~40m柔塔一階自振頻率小于1P,需控制系統(tǒng)調控,而構架塔剛度大于1P,避免了共振問題;構架式預應力抗疲勞鋼管風力發(fā)電塔:升降機、維護平臺等附屬設備:箱變、升降機、平臺等附屬設備可參考角鋼塔完成;升降機順其中一根塔柱向上提升,由電梯廠家設計;以四邊形塔架為例,方案俯視圖如下示意:優(yōu)勢Advantages北京鑒衡認證:研發(fā)、設計、計算及圖紙等技術性內容已在北京鑒

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論