Titel: High-strength wind turbine steel towers, Elforsk rapport 09:11
Författare: Milan Veljkovic, Wylliam Husson
Utgivare: Elforsk, Vindforsk
Årtal: 2009
Sökord/keywords: Rörformade ståltorn, Tubular steel towers,utmattningsbelastning, fatigue, stålkvaliteten, steel grade
Rapport
Sammanfattning/Abstract: Rörformade ståltorn för vindkraftverk med multimegawatt-turbiner kan i dagsläget tillverkas med en navhöjd på upp till ca 100 m. Dessa är konformade med ökad diameter och plåttjocklek vid fundamentet.
Tornen består av 2-3 sektioner som tillverkas i verkstäder och därefter monteras ihop på byggarbetsplatsen. Restriktioner avseende transporter medför begränsningar på sektionernas diameter, längd och vikt. Vanligen begränsas diametern till ca 4.3 m, vikten till ca 60 ton och sektionernas längd till ca 25 m.
Ståltornen står för ca 15 till 20 % av den totala investeringskostnaden. En optimal dimensionering av förbanden i skarven mellan sektionerna har en stor inverkan på totalkostnaden. Ett innovativt friktionsförband, öppna långa slitsade hål, och dess implementering på stålrören betraktas. Det innovativa förbandet har avsevärt förbättrat det konstruktiva beteendet vid utmattningsbelastning, med minst dubbla utmattningskapaciteten och nästan inga begränsningar i förbandets hållfasthet. Detta möjliggör en optimering av tornets design och ett billigare in-situ montage. Dessutom öppnar friktionsförbandet nya möjligheter för vidare utveckling av konceptet med rörformade torn för högre tornhöjder.
Statiska och långtidsbelastade friktionsförband undersöks experimentellt och numeriskt. Dessa undersökningar har lett till nya rekommendationer för dimensionering som överensstämmer med befintliga dimensioneringsprinciper i Eurokoder samt Riktlinjer för certifiering av vindkraftverk som publicerats av Germanischer Lloyd WindEnergie.
Dimensioneringsexempel med det innovativa förbandet har gjorts och dessa jämförs med flänsförbandet i rapporten. Besparingen, endast baserad på minskad materialkostnad för förbanden, är minst 20000 Euro per vindkraftverk. Potentialen med större kostnadsfördelar finns i enklare och snabbare tornproduktion och in-situ montage, samt i optimering av dörröppningar. Dessa tilläggsfördelar har endast utvärderats kvantitativt, baserat på övervägandet av stål med hållfastheten större än S355 (sträckgränsen 355 MPa) vilket används som den högsta stålkvaliteten i tornen.
Arbetet som utförts vid Luleå tekniska universitet och övriga partners i det internationella projektet HISTWIN, skapar möjligheter att konstruera ett pilottorn med ”HISTWIN” (friktions-) förband.
Tubular steel towers for multi-megawatt turbines are currently available with hub height up to about 100 m. They have a slightly conical shape with increased diameter and plate thickness at the base.
The towers are made of 2-3 segments manufactured in a workshop and assembled on site. Transportation constraints impose limits on the diameter, length and weight of segments. Typically the diameter is limited to about 4.3 m, the mass about 60 tones and the segment length about 25 m.
The steel towers represent about 15 to 20% of the total installation costs. The optimal design of connection of the tower’s segments have strong influence on the total price. An innovative friction type connection, open long slotted holes, and its implementation in the tubular towers are considered. The innovative connection has substantially improved structural performance of the connection in fatigue, at least double fatigue endurance and almost no limits to the connection strength. The enables optimization of the tower design and less expensive in-situ assembling. In addition the friction connection open possibilities for further development of the tubular tower concept.
The static and long term behaviours of flat segments are investigated experimentally and numerically. These investigations led to new design recommendations which comply with existing Eurocode design rules and Guidelines for the certification of Wind Turbines published by the Germanischer Lloyd WindEnergie.
Design examples of the innovative connection is prepared and savings, based only on reduced material costs of connections, are at least of 20000 Euros per
tower is shown. The potential of having higher cost benefits are further influenced by easier and faster tower production and in-situ assembling, and by optimization of the door openings. These further benefits are only quantitatively assessed based on consideration of higher strength steel than S 355 (yield strength 355 MPa) which is used as the highest steel grade in the towers.
The work performed at Luleå University of Technology and other partners of international project HISTWIN, creates opportunities to design a pilot tower with “HISTWIN” (friction) connection.