Design and Verification of Large-Diameter Tower Sharding Platform for Wind Turbine

近年来新能源行业快速发展^[1-3]，风电作为新能源行业的主力军之一，发展势头日益迅猛并逐渐成熟^[4-6]。风机风轮直径越来越大，导致塔筒越来越高。更高风机、更大塔筒直径^[7]的风机陆续在各地投运。风电塔架是风力发电机组的支撑结构^[8]，由钢板卷制而成^[9-10]，其主要作用是支撑机组重量^[11]。风力发电机组高度较高，因此在塔筒内部设置爬梯和平台是必要的。塔筒内平台的设置不仅方便维护人员进行检查和维修，也有利于提高安全性^[12]。塔筒内平台一旦损坏，将影响风力发电机组的日常维护，且在风机吊装后不易修复和更换。近年来，随着塔筒直径的增大，内平台损坏这一现象，越来越多地发生在各个风场，某风场平台现状如图1所示。

Figure 1.  The current situation of damage to a wind farm platform

常规的塔筒内平台为整体式，如图2所示。平台面板下为整体的横梁组件，横梁组件通过连接件与塔筒刚性连接。风力发电机塔筒在制造和运输阶段，一般采用躺运的方式，塔筒因为自重会发生一定的弹性形变，筒体会微微变椭。平台梁两端通过焊接与筒体刚性连接^[13]，因此塔筒内平台梁与筒体焊接的部位就可能因此拉裂。为解决这一状况，设计采用分片平台设计，具体平台的结构如图3、图4所示，将塔筒内平台分为6个独立的小平台，并在平台下部设计2～3个支撑，支撑一端与筒体焊接，一端自由，分片平台主要受力部件的参数如表1所示。分片平台结构不仅缓解了平台梁与筒体焊接处应力集中的问题，还改善了平台梁与筒体焊接部位容易发生结构失效的问题，具有更高的可靠性。文章对大直径塔筒平台进行优化设计^[14-15]，并采用有限元分析软件，分别评估了SLS（Serviceability Limit State）、ULS（Ultimate Limit State）2种载荷工况^[16]下，平台的变形及强度。结果显示，该平台在对应的载荷工况下安全性良好，而且该平台结构为中空结构，起到一定的减重作用，达到了降本增效的目的。

Figure 2.  General non-sharding platform

Figure 3.  Upper part of the sharding platform

Figure 4.  Lower part of the sharding platform

平台三维模型是在Creo软件中创建^[17]，使用并行文件格式导出并进行处理和分析，对平台与塔筒壁的焊接部分进行局部网格细化，网格形貌图如图5所示。

Figure 5.  Grid division of platform model

对于SLS：根据DNVGL-ST-0126可知^[18]，在塔架内部平台上作用的分布式荷载为3.0 kN/m²，因此平台上表面施加3 kPa的压力。平台模型与塔架之间的连接位置采用焊接固定，因此该部分设置为固定约束。分别取尺寸为0.2 m×0.2 m的位置施加数值为1.5 kN的集中力，同时对整体平台模型施加数值为9.8066 m/s²的加速度来模拟平台自重的影响，载荷施加情况如图6所示。

Figure 6.  Application of load and setting of boundary conditions (SLS) at the platform loading point

对于ULS：载荷安全系数取1.25，按照载荷安全系数分别施加上述的载荷，即分布式载荷为3.75 kN/m²，平台上表面施加3.75 kPa的压力，重力加速度数值为12.262 m/s²。分别取尺寸为0.2 m×0.2 m的位置施加数值为1.875 kN的集中力，同时对整体平台模型施加数值为12.262 m/s²的加速度来模拟平台自重的影响，载荷施加情况如图7所示。

Figure 7.  Application of load and setting of boundary conditions (ULS) at the platform loading point

本小节展示了有限元计算的结果，如下图所示。其中图8－图11是安全系数为1时（SLS）载荷与重力作用下平台的变形分布云图和应力分布云图，以及安全系数为1.25时（ULS）载荷与重力作用下平台的变形分布云图和应力分布云图。

Figure 8.  Cloud map of platform deformation distribution under load and gravity when the load safety factor is 1 (SLS)

Figure 9.  Cloud map of platform deformation distribution under load and gravity when the load safety factor is 1.25 (ULS)

Figure 10.  Cloud map of platform stress distribution under load and gravity when the load safety factor is 1 (SLS)

Figure 11.  Cloud map of platform stress distribution under load and gravity when the load safety factor is 1.25 (ULS)

平台使用的材料为Q235，厚度4 mm，弹性极限应力为235 MPa，材料安全系数取1.1，屈服极限设计值为213.64 MPa，通过有限元分析可得平台的极限应力为156.95 MPa，该值小于平台屈服极限设计值。该分片平台的最大跨度为1800 mm，根据挠度准则数值为平台最大跨度与200的比值，即允许的最大变形为1800/200=9 mm，平台的最大变形为5.46 mm，满足设计要求。

为了验证上述计算结果的准确性，针对上述的模型进行网格的收敛性分析，具体如表2所示。

分片平台36个支架都被焊接在塔筒内壁上。此平台的总面积小于6.4×6.4×π/4−2.5×2.5×π/4=27.26 m²，因此作用在平台上的整体力均小于27.26×3000×1.25/1000=102.225 kN。平台本身的重量小于1.3 t，产生的力小于12.753 kN。由以上可知支架受到的合力为102.225+12.753×1.25=118.166 kN。通过计算可知作用在每个支架上的力为118.166/36=3.2824 kN。焊接部分的接触面积为400 mm²，相应的标称剪应力为3.2824×1000/400/2=4.1 MPa。根据VDI 2230标准^[19]，Q235钢的许用剪应力为拉伸极限的0.8倍，其值为0.8×370=296 MPa。因此，对比得到焊接区域的实际应力远远小于许用应力。

对分片平台与常规平台加载相同的载荷（只受重力作用）进行分析，分析结果如图12所示，并将结果统计在表3中。

Figure 12.  Cloud maps of stress distribution of connection support base under gravity action between fragment platform and conventional platform

由表3可知，常规平台的应力集中系数比分片平台的大，分片平台结构缓解了平台梁与筒体焊接处的应力集中问题，改善了平台梁与筒体焊接的部位容易发生结构失效问题。

文章中的分片平台在2种载荷工况下，实际受力最大位置处，其最大变形、最大应力、焊接区域剪应力均小于许用数值，该塔筒内附件所有平台的设计满足安全要求。

文章通过结构形式的优化，缓解了平台梁与筒体焊接处的应力集中问题，改善了平台梁与筒体焊接的部位容易发生结构失效问题，提高了可靠性。

文章采用中空式分片平台，不仅满足现场使用强度的要求，而且减轻了塔筒平台的重量，产生了经济效益，具有推广价值。