风机塔筒存放时的变形分析和米字支撑的作用分析

风机塔筒存放时的变形分析和米字支撑的作用分析

张瑞超

（中南勘测设计研究院湖南长沙410014）

摘要：风机塔筒卧放的自重椭圆变形不会影响其安装。塔筒卧放时实际安装的米字支撑也起不了抵抗变形的作用，从节能减耗、降低造价和利于塔筒包装及运输的角度考虑，建议取消米字支撑。

关键词：来溪风电场；塔筒；变形；米字支撑

1.工程概况

来溪风电场工程位于湖南省郴州市桂阳县西南部，场址总面积约7.0km2，海拔高度在540m～1000m之间。工程总装机规模为30MW，安装15台单机容量为2MW的风力发电机组，预计年上网电量为5669万kWh，年等效满负荷小时为1890h，容量系数为0.216。项目于2013年9月开工建设，11月首台风机机组并网发电，2015年底全部风机机组投产发电。

2.风机塔筒存放时的变形分析

来溪风电场风机塔筒按照设计每套共有4节，每节塔筒两端安装有米字支撑。风电场建设期间，为使施工过程连续化，风机塔筒设备需要按照施工节点计划提前从设备厂家运输至施工现场堆放，经过短期的卧式运输和存放，风机塔筒直径不可避免的产生一定的弹性变形，每节塔筒间连接法兰呈椭圆形，横向直径会比竖向直径大几厘米。

针对风机塔筒卧放时因自重引起的弹性变形在塔筒起吊竖直后是否能回弹变圆，以至于影响塔筒安装对接问题，现通过数据分析如下。

（1）风机塔筒存放的状态

来溪风电场的塔筒（如图1）总高77.5m，分为4段，底段两端等径，其余3段两端不等径，段间法兰连接。

表1各段的技术参数

塔筒在堆场上分段卧放（如图2），下部放垫架，两端有10号槽钢焊接的米字支撑。

（2）卧放塔筒在无米字支撑时的自重变形分析计算

采用清华大学结构计算求解器（平面杆系有限元程序）分析，如图3，塔筒法兰均分为40小段，每段视为直杆（取中圆弦代替），段与段之间固接，于是法兰有40个节点（编号为第1号到第40号）、40个杆单元（编号为第1号到第40号）。一端法兰用垫架支承，铰支承定在28号点和34号点，两点相距约0.5D（D为法兰外径）；承受半个塔筒重力（均布荷载，垂直向下）。

图3无米字撑计算简图

米字支撑中心点编为第41号，8支杆8个杆单元（编号为第41号到第48号），内端固接于第41号点，外端铰接第1、6、11、16、21、26、31、36号点。

因此，算题总共41个节点，48个杆单元。整体坐标系原点在法兰圆心，X轴指向右，Y指向上。

米字支撑用10号槽钢制作，槽钢截面积1274.8mm2。法兰截面尺寸见表1。

计算结果见表2。

表2无米字支撑的卧放塔筒自重变形及应力计算成果

通过计算成果表明：垫架支承位置对卧放塔筒自重变形影响明显，横竖向直径差值与塔筒直径及垫架支点远近有关，两支承点越近，横向直径与竖向直径相差越大，最大达47.3mm；法兰拉应力σ也越大，最大达257MPa。

图4有米字撑计算简图

根据施工现场堆放的塔筒自重变形观测，支点一般采用模具支撑，支点距离变化不大，塔筒横、竖向直径差值最大接近40mm，观测值和表4计算成果基本吻合。

3.卧放塔筒在有米字支撑作用时的自重变形分析计算

采用清华大学结构计算求解器（平面杆系有限元程序）分析，简图如图4。

经过建模计算，结果见表4。

表4有米字支撑的卧放塔筒自重变形及应力计算成果

通过计算结果表明：卧放塔筒在有米字支撑作用时的横竖径差较小，法兰应力也较小，和表2无米字支撑作用时相比，自重变形影响明显，米字支撑可以明显降低变形和应力。

4.米字支撑安装工况的分析

上述计算结果表明：有无米字支撑对卧放塔筒自重变形影响是明显的，米字支撑可以明显降低塔筒变形和应力，米字支撑承受相当的轴力。通过分析，计算中隐含了一个前提条件：米字支撑必须在塔筒发生自重变形前安装，才能在塔筒发生自重变形时产生内力抵抗塔筒变形降低椭圆度。但目前工厂安装米字支撑并没有满足这个前提，均是在发货前塔筒处于卧位时安装的米字支撑，此时塔筒的自重变形已经存在，安装上去的米字支撑只是挂在塔筒上，没有起到抵抗塔筒变形作用而受力。

要满足上述的前提条件，米字支撑必须在塔筒处于立位（轴向铅直）状态下安装，此时米字支撑的支撑平面内没有塔筒重力影响，法兰为圆形，待塔筒转成卧位运输时米字支撑随之受力抵抗塔筒自重变形。塔筒在工厂整个制作过程中都是卧位，如果变为立位要用大吨位高扬程的起重机起吊翻身，塔筒制作厂没有这种设备，立位安装目前做不到。另外，目前安装米字支撑都是用普通螺栓，螺孔与螺栓之间有2mm左右间隙，即使立位安装米字支撑也会因螺栓滑动，大大降低抵抗塔筒自重变形的作用。至此可得出，米字支撑用普通螺栓在塔筒卧位安装时起不到抵抗塔筒变形的作用，所以有无米字支撑对塔筒变形区别不大。

5.结语

根据上述计算分析，可得出以下结论：

（1）由于法兰刚度大，卧位塔筒在有无米字支撑情况下的自重椭圆变形均在弹性范围内，起吊竖直后塔筒能回弹变圆，弹性变形不会影响塔筒设备安装。

（2）为了减少塔筒处于卧位时的自重椭圆变形，应尽量加大垫架的支承间距。

（3）塔筒卧位时，用普通螺栓安装的米字支撑起不到抵抗塔筒变形的作用。

（4）塔筒卧放时实际安装的米字支撑也起不到抵抗塔筒变形的作用，从节能减耗、降低造价和利于塔筒包装及运输的角度考虑，建议取消米字支撑。

作者简介：

张瑞超，男，高级工程师，中南勘测设计研究院。