风力发电机塔架结构模型设计与制作

1、风力发电塔架结构风力发电塔架结构模型设计与制作模型设计与制作 风力发电塔架结构风力发电塔架结构模型设计与制作模型设计与制作 1. 风力发电塔架风力发电塔架 2. 设计方案的制定设计方案的制定 3. 计算书计算书 4. 塔架模型结构的计算简介塔架模型结构的计算简介 制作由汪老师介绍制作由汪老师介绍 （廖力）（廖力） 1. 风力发电塔架风力发电塔架 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为能约为2.74109MW，其中可利用的风能为，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利

2、用的水能总量，比地球上可开发利用的水能总量还要大还要大10倍。倍。早期的风能利用早期的风能利用-风车风车主要是通过风车来抽水、磨面等主要是通过风车来抽水、磨面等人们感兴趣的是如何利用风来发电。上世人们感兴趣的是如何利用风来发电。上世纪三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应纪三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。当时的发电量较低，些小型风力发电装置。当时的发电量较低，大都在大都在5千瓦以下。千瓦以下。 上世纪七十年代，风力发电发展很快。上世纪七十年代，风力发电发展很快。1978年，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成年

3、，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成了了200千瓦风力发电机，其叶片直径为千瓦风力发电机，其叶片直径为38米。米。丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达装置，其发电量则达2000千瓦，风车高千瓦，风车高57米。米。 进进入入2121世世纪，纪，我我国国风风力力发发电电有有了了长长足足的的发发展。展。风力发电机组，风力发电机组，大体上可分转叶大体上可分转叶(包括尾舵包括尾舵)、发、发电机和塔架三部电机和塔架三部分。分。塔架是支承转叶、塔架是支承转叶、尾舵和发电机的结尾舵和发电机的结构。构。它一般修建得它一般修建得比较高，为的是获比较高，为的是获

4、得较大的和较均匀得较大的和较均匀的风力，又的风力，又要有足要有足够的强度够的强度。塔架高。塔架高度视地面障碍物对度视地面障碍物对风速影响的情况，风速影响的情况，以及转叶的直径大以及转叶的直径大小而定，一般在小而定，一般在6-20米范围内。米范围内。 目前的风力发电机只是给电瓶充电，而目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率功率的大小更主要取决于风量的大小的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机机头功率的大小。

5、在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。更能供给较大的能量。一台一台200W风力发电风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得获得500W甚至甚至1000W乃至更大的功率输出。乃至更大的功率输出。 2. 设计方案的制定设计方案的制定 1、根据、根据使用要求使用要求，确定结构形式，和结，确定结构形式，和结构布局。构布局。塔架结构示意图塔架结构示意图 模 型 塔 架 高 度 为模 型 塔 架 高 度

6、为800mm ，平面尺寸不，平面尺寸不大于大于100mm100mm 机 舱 模 型 外 形 尺 寸 为机 舱 模 型 外 形 尺 寸 为200mm100mm95mm，重量预赛为，重量预赛为10kg, 决赛决赛为为12kg 2. 设计方案的制定设计方案的制定 1、根据、根据使用要求使用要求，确定结构形式，和结，确定结构形式，和结构布局。构布局。塔架结构示意图塔架结构示意图 550凹槽50100100图2 机舱侧视图92底板92图3 底板俯视图 8孔洞机舱模型底部机舱模型底部设 置 一 凹 槽设 置 一 凹 槽100mm95mm5mm底板上留有四个底板上留有四个直径为直径为8mm的的贯穿孔洞贯穿孔

7、洞 2. 2. 设计方案的制定设计方案的制定修改设计修改设计 1、根据、根据使用要求使用要求，确定结构形式，和结，确定结构形式，和结构布局。构布局。尽量采用对称布局。尽量采用对称布局。初步设计：初步设计： 结构计算结构计算 3、绘制结构设计图绘制结构设计图 平面图、侧视图，结构几何尺寸，主要平面图、侧视图，结构几何尺寸，主要构件截面几何尺寸。构件截面几何尺寸。2、根据使用载荷，粗略的估算主要构件、根据使用载荷，粗略的估算主要构件截面的尺寸，进行初步设计。截面的尺寸，进行初步设计。载荷：机舱重量、风载荷载荷：机舱重量、风载荷2. 2. 设计方案的制定设计方案的制定 4、材料表包括：各种截面形式的

8、材料数、材料表包括：各种截面形式的材料数量，以及估算的模型重量。量，以及估算的模型重量。（竹材每立方厘米重约为（竹材每立方厘米重约为0.9克）克） 例：例：2号杆号杆截面截面4mm6mm长度长度200mm根数根数4 2 “结构设计竞赛结构设计竞赛”，强调的是，强调的是设计设计，而，而不仅仅是动手能力的比赛。不仅仅是动手能力的比赛。 计算书是结构计算、结构设计的依据计算书是结构计算、结构设计的依据，通过对通过对主要受力构件主要受力构件的计算，得出结构的的计算，得出结构的承载力和刚度承载力和刚度，解决好材料的用量与安全，解决好材料的用量与安全性间的矛盾。性间的矛盾。3. 3. 计算书计算书计算书主

9、要包括以下内容：计算书主要包括以下内容：一、结构的计算简图一、结构的计算简图二、材料的力学性能二、材料的力学性能三、主要承载构件的强度，刚度，稳定性三、主要承载构件的强度，刚度，稳定性 3. 3. 计算书计算书3. 3. 计算书计算书一、一、计算简图（计算模型）：计算简图（计算模型）： 结构的结构的几何尺寸几何尺寸，约束约束的情况，的情况，载载荷荷的大小、方向及作用位置，载荷的计的大小、方向及作用位置，载荷的计算方法等，主要受力构件（如：立柱、算方法等，主要受力构件（如：立柱、梁、板等）的梁、板等）的横截面形状、尺寸横截面形状、尺寸，所使，所使用的用的材料材料等。等。 3. 3. 计算书计算书

10、二、材料的力学性能二、材料的力学性能 根据选用的材料及其实验资料根据选用的材料及其实验资料（具有离散性）确定材料的许用应（具有离散性）确定材料的许用应力，弹性模量，等。力，弹性模量，等。 竹皮最大应力竹皮最大应力 =60MPa，弹性，弹性模量模量E=104MPa。 502胶水胶水三、主要承载构件的强度，刚度，稳定性三、主要承载构件的强度，刚度，稳定性 3. 3. 计算书计算书 强度强度：根据主要承载构件的：根据主要承载构件的内力内力，确定其确定其危险截面危险截面，根据危险截面的，根据危险截面的应应力分布力分布，确定，确定危险点危险点，根据危险点的，根据危险点的应力状态应力状态，确定构件的，确定

11、构件的强度强度。 刚度刚度：结构在载荷作用下，某些位置：结构在载荷作用下，某些位置和方向的和方向的位移或转角位移或转角代表。代表。 稳定性稳定性：轴向受压的杆轴向受压的杆，要考虑稳，要考虑稳定性。定性。压杆稳定：压杆稳定： 临界载荷临界载荷Fcr FF大柔度（细长）压杆：大柔度（细长）压杆：22)( lEIFcr小柔度（短粗）压杆：小柔度（短粗）压杆：Fcr= sA, 强度控制强度控制pilAIi 中柔度压杆（略）中柔度压杆（略）PEP22)( lEIFcr压杆两端约束的影响：压杆两端约束的影响： 4.4.塔架模型结构塔架模型结构计算计算简介简介 模型计算可以是模型计算可以是比较精确的计算比较

12、精确的计算（对（对结构的力学模型的简化较少），可以利用结构的力学模型的简化较少），可以利用计算软件计算。也可以通过简化，对主要计算软件计算。也可以通过简化，对主要受力构件作受力构件作比较粗略的计算比较粗略的计算。4.4.塔架模型结构塔架模型结构计算计算简介简介以桁架设计方案为例：以桁架设计方案为例：桁架的特点：均为拉压杆桁架的特点：均为拉压杆受力均匀，能充分发挥材受力均匀，能充分发挥材料的作用。料的作用。机舱载荷：机舱载荷：F1风载荷：风载荷：F2北京地区基本风压：北京地区基本风压：q=300N/m2示意图示意图F1F2风机型号与参数风机型号与参数生产厂家：北京兴华通风设备有限公司名称：GXF

13、-B型高效低噪斜流风机型号：6-B转速：1450r/min风量：11835m3/h全压：556Pa功率：3kW重量：114kg间距：1m。4.4.塔架模型结构塔架模型结构计算计算简介简介1、空间结构、空间结构通用计算软件：通用计算软件：例如：例如：ANSYS 等等示意图示意图F1F24.4.塔架模型结构塔架模型结构计算计算简介简介或用小型软件：或用小型软件：SMSOLVER2、简化为平面结构、简化为平面结构F3F4立柱立柱腹杆腹杆4.4.塔架模型结构塔架模型结构计算计算简介简介叠加法叠加法3、简化的计算、简化的计算F1F2+4.4.塔架模型结构塔架模型结构计算计算简介简介1）只有）只有F1作用

14、作用3、简化的计算、简化的计算F1整个结构看成一整个结构看成一压杆压杆（忽略腹杆）（忽略腹杆）22)( lEIFcrpilxyAIi 压杆的横截面压杆的横截面PEP4.4.塔架模型结构塔架模型结构计算计算简介简介3、简化的计算、简化的计算F22）只有）只有F2作用作用整个结构看成一整个结构看成一悬臂梁悬臂梁（忽略腹杆）（忽略腹杆）xy梁的横截面梁的横截面M12 A12 AaaAM1212aAM将将1 ）与）与2）立）立柱的应力叠加柱的应力叠加3、简化的计算、简化的计算F1F2+显然，高度不同，显然，高度不同，立柱中的应力也立柱中的应力也不同。不同。计算各段立柱的计算各段立柱的轴向压力，可按轴向压力，可按两端铰支考虑稳两端铰支考虑稳定性。定性。3、简化的计算、简化的计算F1F2+不足之处：不足之处：腹杆的内力无法腹杆的内力无法计算。计算。对模型计算书要求对模型计算书要求 计算书在写作上，应该尽量作到，计算书在写作上，应该尽量作到，叙述清叙述清楚、简明，有条理，能说明问题楚、简明，有条理，能说明问题，作为，作为技术档技术档案案，是模型制作的依据，不仅要自己能看得懂，是模型制作的依据，不仅要自己能看得懂，也要别人能看得懂。也要别人能看得懂。图图文并茂最好。文并茂最好。切记切记：不