风电塔筒受力模型分析研究毕业设计论文_图文

1、毕业设计(论文 风电塔筒受力模型分析研究 兰州理工大学本科毕业论文目 录第一章 绪论 . 1 1. 1选题背景 . . 1 1. 2风力发电发展状况 . . 2 1. 2. 1 世界风力发电发展状况 . 2 1. 2. 2 我国风力发电发展状况 . 3 1. 3风力发电机组塔筒的研究现状 . . 4 1. 3. 1 风力发电机组塔筒概述 . 4 1. 3. 2 风力发电机组塔筒的研究现状 . 5 1. 4风力发电机组塔筒的设计 . . 9 1. 5本研究的意义及研究主要内容 . . 10 1. 5. 1 研究意义 . 10 1. 5. 2 本文主要研究内容及安排 . 12 第二章 塔筒受力模型

2、的建立 . . 14 2. 1结构简化 . . 14 2. 2材料属性 . . 15 2. 3材料的本构关系 . . 15 第三章 塔筒的受力分析 . . 17 3. 1各工况下风荷载计算 . . 17 3. 1. 1 确定分析工况 . 17 3. 1. 2 风荷载计算 . 19 3. 2塔筒所受主要载荷 . . 23 3. 2. 1 极限载荷 . 23 3. 2. 2 风切变 . 23风电塔筒受力模型分析研究3. 3在塔筒坐标系中各载荷的计算 . . 24 3. 4塔筒受力分析实例 . . 27 第四章 塔筒的屈曲分析 . . 29 4. 1稳定性的计算方法 . . 29 4. 1. 1 失

3、稳的类型 . 29 4. 1. 2 特征值求解方法 . 29 4. 2塔筒的屈曲分析 . . 30 4. 2. 1 屈曲分析概述 . 30 4. 2. 2 塔筒屈曲分析计算 . 31 4. 3塔筒在极限载荷情况下的稳定性分析 . . 32 第五章 塔筒的优化设计 . . 33 5. 1优化设计概述 . . 33 5. 2优化设计要素 . . 33 5. 3优化设计流程 . . 34 5. 4优化设计实例 . . 35 第六章 结论与展望 . . 37 6. 1结论 . . 37 6. 2展望 . . 37 参考文献 . 39外文原文 . 42外文翻译 . 65致 谢 . 84兰州理工大学本科毕

4、业论文摘 要塔筒是风力发电机的主要支撑装置, 它将发电机与地面联接, 为风轮提供需要的 高度。 该结构体系一直以引进国外的设计为主, 国内没有统一的风力发电机塔筒设计 规程标准。 随着风力发电机塔筒的大型化发展, 作用在塔筒上的风载荷的交变性和随 机性将更为明显, 因此, 有必要对风电塔筒结构及受力进行详尽的分析, 是发展风力 发电产业的重要基础研究工作之一。本文 1.5MW 风力发电机组锥筒型塔筒为研究对象, 对风力发电机组锥筒型塔筒的 结构进行简化, 在塔筒坐标系中计算塔筒所受的主要载荷, 对塔筒进行简单的受力与 屈曲分析, 然后以塔筒壁厚为设计变量, 塔筒质量为目标函数, 对该塔筒的优化

5、设计 进行了初步探讨。研究表明:对塔筒进行受力与屈曲分析应重点考虑切出风速工况的影响; 门洞对 塔筒基底应力、塔顶位移以及固有频率的影响很小,而对发生失稳破坏的影响较大, 因而在进行塔筒屈曲分析时不能忽略门洞的影响; 优化后节约钢材量可观, 该类型塔 筒有进一步研究的和进行优化设计的必要。关键词 :塔筒,水平轴风力发电机,受力分析,屈曲因子,优化设计风电塔筒受力模型分析研究ABSTRACTThe tower is a main support equipment of wind turbine. It joins the generator and the ground and provide

6、s altitude for the impeller. The design of the structure system has been introduced primarily from the overseas. There is no unification design regulations standard for wind turbine tower at home yet. Along with the maximization of wind turbine tower, the role of the tower s wind load variability an

7、d randomness of the cross will become more evident , therefore , it is necessary to carry on the exhaustive analysis for the windward electricity tower structure and force ,the analysis is one of the important basic research. The taper cylinder tower of some approved wind generator set of one wind e

8、lectric plant was taken as the object of study, For the taper cylinder tower, simplify the structure of the tower drum coordinates calculation by tower drum, the main load of simple tower drum of the stress and the buckling analysis and the stress and the flexure analysis to the tower ; Finally ,the

9、 tower wall thickness and the tower mass as the constraints, the design variable and the objective function.The research indicated:the influence of the cut-out wind speed work condition should be the key consideration when carries on the stress and the flexure analysis to the tower; the influence to

10、 the tower basis stress, the displacement in the tower top as well as the natural frequency is very small, but the influence to the buckling destroys is big, thus the influence of the door opening cannot be neglected when carries on the tower flexure analysis ; After the optimization, it is consider

11、able to save the steel products quantity. There is the necessity for this type tower to carry on further research and the optimization design .Key Words:Tower , Horizontal axis wind turbines, Stress analysis, Buckling factor, Optimization design兰州理工大学本科毕业论文第一章 绪论1. 1 选题背景能源是经济发展的命脉, 能源问题作为关系到世界经济发展和

12、人们生存环境的重 大问题正日益受到世界各国的广泛关注。 随着世界经济的迅猛发展, 各行各业对能源 的需求也日益俱增。 传统的石化能源如煤、 石油、 天然气的开发和利用在一定程度上 满足了生产发展和人们生活的能源需要, 但是, 对这些不可再生资源的掠夺性开采和 过度利用已经在全球范围内造成了严重的环境污染和生态环境恶化等问题。 在能源需 求量不断增加和保护生态环境的双重压力下, 以保护为目的的新能源研究为能源利用 领域开创了新天地。 而作为一种主要的可再生能源, 风能的开发和利用在新能源研究 中一直被广泛关注 1。风能是可再生能源中发展最快的清洁能源, 也是最具有大规模开发和商业化发展 前景的可

13、再生能源。人类早在远古时代便开始利用风力,但发展缓慢。 20世纪 80年 代以来,世界风电装机容量迅猛增长。 21世纪是高效、清洁和安全利用新能源的时 代, 世界各国都在做这方面的努力, 都在把能源开发利用作为关键科技领域给予关注。 这中间,风能将成为主要角色,为 21世纪的人类服务。在新能源领域风力发电技术 比较成熟,商品化大型风力发电机组单机容量已由 80年代初期的几十千瓦发展到 1MW 以上,随着风力发电机组逐渐向大型化方向发展,作用在塔筒上的载荷的交变 性和随机性更为明显, 其本身又是弹性结构, 因此塔筒的振动是不可避免的。 振动带 来的疲劳会降低材料的强度, 缩短整机的使用寿命。 所

14、以, 对于塔筒的结构动力学特 性分析,是风力机研究工作的一项重要环节。风力发电机是把风的动能转换成电能的机械设备。世界各国研制的风力发电 机 2,3的形态和种类很多,按照风力发电机功率大小分类:可分为小型风力发电机 (功 率小于 l0kW 、中型风力发电机 (功率在 10100kW 之间 和大型风力发电机 (功率大 于 l00kW ;按照风力发电机风轮轴方向分类:可分为水平轴风力发电机 (风轮轴与水 平面平行或接近于平行 和垂直轴风力发电机 (风轮轴垂直于水平面 。 水平轴风力发电 机在风轮高速旋转时对传动机构要求较低, 有较高的风能利用系数, 是目前技术最成风电塔筒受力模型分析研究熟、生产应

15、用最广泛的一种风力发电机。塔筒是支撑机舱及风力机零部件的结构, 它将风力机与地面连接, 为风轮提供必 要的工作高度, 通过基础将风力机各部件的荷载传至地面。 塔筒结构体系一直以引进 国外的设计为主, 国内没有统一的风力发电机塔筒设计规程标准。 随着国内风力发电 机塔筒的大型化, 有必要对风电塔筒受力进行详尽的分析, 为建立我国自己的设计规 程标准奠定基础。 本课题通过对塔筒受力模型进行分析研究, 为塔筒的动态设计提供 理论依据。1. 2 风力发电发展状况由于化学燃料的日益枯竭和人类对环境恶化的倍加关注,从上世纪七十年代以 来, 各国政府和国际组织都相继投入大量的资金用于可再生能源的开发, 寻求

16、一条经 济社会进步与资源环境和人口相协调的、可持续发展的道路。在众多的可再生能源中,风能 4以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。 风力发电 5,6具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、运行不污染环境等优点, 被世界各国优先采用。随着风电装机规模的不断增大, 机组单机容量的不断扩大, 以及海上风力发电项 目的起步,世界上很多国家对风电的开发都给予了高度重视及政策激励 7。欧洲风能 协会和绿色和平组织的风力 12:关于 2020年风电达到世界电力总量 12%的蓝图 正是基于此而出台的。中国风能资源丰富,主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带。近年来,随着 政府支持力度的加大,中国风电建设

17、进入了一个新的规模化发展时期。1. 2. 1 世界风力发电发展状况人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早, 最初是将风能转换为机械能, 用 风车提水、碾米、磨面、借风帆为船助航等。 19世纪末,丹麦科技人员开始研究风 力发电,为风能的利用开辟了更为广阔的前景。 1941年,美国在巴蒙特州研制并建 立了一台当时世界上最大的风力发电机,风轮的直径为 53 m,塔高 34 m,输出功率 为 1.5MW 。 5060年代,西欧各国也相继开始研究风力发电技术,到 60年代末,德兰州理工大学本科毕业论文国成功地使用了复合材料叶片,为复合材料用于制作大型风力发电机叶片奠定了基 础。1973年出现世界石油危

18、机后,煤和石油等化石燃料日益枯竭,空气污染、气候 变暖等环境问题也日趋严重,风力发电作为可再生的清洁能源受到越来越多的重视。 经过 10余年的发展,风力发电技术同趋成熟,提高了风力发电机的效率和可靠性。 上世纪 90年代以来,世界风电装机平均每年以大约 30%的速度增长,到 2000年底 全世界已装机 49 238台,装机容量达 1 845万 kW ,已成为相当规模的一个产业。其 中新增风电装机中 90%在欧洲和美国,主要是在欧洲,约占 75%。 2005年,德国建 造了当时世界上最大的风力发电机新动力 5兆,该风力发电机叶片长 61.5米, 塔筒高 120米,机舱自带起重设备,可在风速为 3

19、.525m/s范围内安全运行,由控制 中心负责运行状态监控。输出功率为 5MW ,年发电量可达 1 700万 kWh 。截止到 2008年底, 全世界风电累计装机容量已达 1.2亿 kW , 其中发展最快的是 美国 2 517万 kW ,德国 2 390万 kW ,西班牙 1 675万 kW ,中国 1 324万 kW 。世界 风能协会预计,到 2020年,风电装机容量会达到 12亿 kW ,年发电量相当于届时世 界电力需求的 12%8。1. 2. 2 我国风力发电发展状况我国 20世纪 50年代中期开始研制风力发电装置,其后就处于停滞状态。 60年 代开始小批量生产, 70年代末,在世界能源

20、危机的影响下,我国风力发电进入了一 个新的发展阶段,主要是小型风能发电机,其风电设备都是独立运行的。 1982年 5月我国正式成立了全国性的风能专业委员会。 1985年我国成立了“全国风力机械标 准化技术委员会” 。 直到 1986年, 在山东荣城建成了我国第一座并网运行的风电场后, 从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段, 但其特点是规模和单机容量均较 小 9。90年代后, 我国从小型风力发电机组 (国际规定 l0kW 以下 的广泛应用走向大型 风力发电机组的开发、引进、创新之路,风力发电进入了扩大建设规模的阶段。 1993年我国风电总装机容量仅 1.71万 kW , 1998年增至

21、22.6万 kW , 2004年达到 76.4万 kW 。 2006年 1月 1日国家颁布可再生能源法 ,倡导鼓励一些企业投资风电市场,风电塔筒受力模型分析研究风电建设步伐明显加快,如图 1-1所示。 2006年底,全国己建成约 80个风电场,装 机总容量达到约 260万 kW ,比 2005年新增装机 100多万 kW ,增长率超过 100%。 截止到 2008年底,我国风电装机总容量达到 1 324.22万 kW ,超过全球总装机的 10%,名列全球第四 10。从单机容量上看,我国自主研制的风力发电机也逐渐向大型化发展。 2007年 11月,国内首台具有自主知识产权的 2MW 风力发电机组

22、在渝下线出厂,风机塔筒呈锥 型,高达 80米,最大直径 6米,其内将安装一部升降机 11。 2009年 2月,我国第一 台 2. 5MW直驱永磁风力发电机组在广西北海市研制成功, 该风力发电机组的研制填 补了国内大功率风力发电机的市场空白, 为我国目前能够生产的最大功率的风力发电 机组。 图 1-1 20012009年中国风电装机容量图1. 3 风力发电机组塔筒的研究现状1. 3. 1 风力发电机组塔筒概述塔筒是风力发电机组中的主要支承装置, 它将风电机与地面联接, 为水平轴风轮 提供需要的高度, 而且要承受极限风速产生的载荷。 目前常见的塔筒有锥筒式、 桁架 式、 混凝土式等几种形式, 现代

23、大型风力发电机组通常采用锥筒式塔筒, 这种形式的 塔筒一般有若干段 2030m 的锥筒用法兰联接而成,塔筒由底向上直径逐渐减小,兰州理工大学本科毕业论文整体呈圆台状, 因此也有人称此类塔筒为圆台式塔筒, 这类塔筒的优点是安全性能好, 而且进行维修时比较方便安全, 在国际风电市场上, 现代大型风力发电机组普遍采用 的是锥筒式塔筒,本论文正是以这种类型的塔筒为研究对象的。1. 3. 2 风力发电机组塔筒的研究现状近 10年间,国际上并网型大型水平轴式风力机获得了相当快速的发展。目前, 丹麦、德国、荷兰、美国等国家,已拥有了基本成熟的风力发电技术。世界最先进水 平的丹麦其主流机型的功率已达 2.03

24、.5MW 水平, 德国 Repower 公司研制出了功率 达 5.0MW 的样机,悬浮磁动风力机发电装置初期发电功率可达 10MW ,可全风速、 全风向发电, 随着风机机组单机容量的不断增加, 与之配套的圆筒型塔筒也向着高耸 化方向发展。 与此同时, 与提高大型风力机塔筒性能有关的空气动力学、 结构动力学、 微气象学问题研究受到了广泛关注 1214,图 1-2是具有世界先进水平的丹麦 BONUS 公司生产的 1MW 风力机结构示意图,采用的是圆筒型塔筒。 1-叶片; 2-轮毂; 3-主轴; 4-增速器;5-制动器; 6-发电机; 7-塔筒图 1-2 丹麦 BONUS 公司生产的 1MW 风力发

25、电机由于风力机塔筒的运行可靠性能是决定风机安全运行的关键要素, 故该问题一直 受到广泛关注。 因风力机是复杂的空气动力学系统, 故即使发展到今天, 关于叶轮 (片 的空气动力学响应、 尾流效应及其对风力机塔筒的稳定性能影响等问题, 仍然是研究风电塔筒受力模型分析研究国外许多研究机构开展了包括弹性叶片和柔性塔筒在内的大型风力发电机结构 动力学分析的方法研究, 主要分为两大类:实验的方法和计算的方法。 实验方法是对兰州理工大学本科毕业论文叶片和塔筒施加激励信号, 然后通过测量输入信号和输出响应的信号, 用参数辨识 16的方法对其进行分析, 从而得出风力发电机的结构动力学特性参数。 这是一种对具体

26、风力发电机直接研究的方法,所以结果可靠,是最有效的分析方法。但是,对于容量 日益增大的大型风力发电机来说,叶片和塔筒通常都在几十米以上,在这种情况下, 要安装和运行满足实验条件的设备就有一定困难, 而且从风力发电机设计的角度考虑 也不现实。 经典的计算分析方法是对耦合的运动方程进行数值积分求解。 用这种方法 计算往往非常困难,尤其对于多自由度耦合系统,求其解更为复杂。上述这些研究工作, 使得国际上风力机的设计制造, 正在朝着更大容量、 变桨距、 变转速、无齿轮和无刷化的方向快速前进着。专家预测,到 2020年,新一代风力机 必须是更加有效、更加容错、更低成本。其性能,则应当是能够拥有更优良的发

27、电质 量、更轻质量、更长寿命以及低噪音、低成本、更高的风能转化效率等。国内风电产业发展与欧洲发达国家相比,起步较晚。但经过 20年的科技攻关, 在国家有关部门和地方政府的支持下,我国的风电技术在基础理论研究、实验研究、 设计制造方面, 也取得了相当的进展, 风能利用技术有了很大提高, 积累了不少成功 的经验。 1995年,合肥工业大学王永智,陶其斌,周必成研究了风力发电机塔筒的 固有频率和固有振型, 顺风向下塔筒的风效应和位移响应, 以及由风轮旋转引起的位 移响应。给出了计算实例,为风力发电机塔筒结构动力设计提供了有效方法。 1997年, 北京航空航天大学流体力学研究所窦修荣、 山东工业大学黄

28、珊秋、 宋宪耕 17分析 了大型水平轴风力发电机塔筒在地面风作用下的受力情况, 给出定态风和非定态风诱 发的塔筒振动响应的计算方法, 对一实际塔筒进行计算和仿真, 结果表明, 该计算方 法在工程应用中是合理的。 1997年,山东工业大学陆萍、黄珊秋、张俊、宋宪耕 18讨论了水平轴风力发电机筒形塔筒结构的静动态分析建模和有限单元类型的选取及 计算方法,并以 200kW 风力发电机的六棱锥筒形塔筒为例,计算并给出了静动态特 性。 2001年,山东工业大学黄珊秋、陆萍对由美国引进的 ZOND Z-40风力发电机塔 筒和国内自己设计的塔筒的固有振动特性进行了计算, 通过模态分析, 结果表明:以 Q23

29、5或 16Mn 为材料生产的 ZOND Z-40风力机塔筒可以替代由美国进口的 A36为材 料的塔筒,并且以 Q235作为材料的塔筒,其固有振动特性更接近进口的塔筒。 2002年,山东工业大学陆萍、秦惠芳、栾芝云 19将有限元技术与模态理论相结合,在有限风电塔筒受力模型分析研究元软件的基础上研制了一套用于风力发电机塔筒结构的动态分析程序系统, 讨论了模 型建立、 荷载施加、 边界条件和模态参数的计算, 并给出了应用实例及结果分析。 2004年, 沈阳工业大学诊断与控制中心周勃、 费朝阳、 陈长征 20利用有限元分析研究了风 力发电机塔筒的动态特性及影响因素, 如结构设计和所受载荷分布特点, 确

30、定适合的 有限元模型和划分网格的方法,并验证分析结果;根据塔筒静荷载和风荷载的特点, 计算风力发电机锥筒型塔筒的固有频率, 并分析塔筒产生共振的可能性; 研究了三种 有意义的振动模态:侧向弯曲模态、 前后弯曲模态和扭转模态, 通过塔筒的振型曲线 分析塔筒的动态性能,为风力发电机塔筒的结构动态设计提供有效的依据。 2006年, 天津工业大学郭威、 徐玉秀对离网型风力发电机模型的塔筒振动进行了分析, 运用瑞 雷法计算其基频, 以有限元模态分析和试验测量的方法计算分析塔筒的固有频率和振 型。 根据分析结果讨论有限元建模的合理性, 分析引起振动的原因, 并依此提出塔筒 较合理的锥形筒结构改进方案。通过

31、以上介绍, 可以看到国内在风力发电机塔筒的研究才刚起步, 主要集中在中 小型风力发电机塔筒的研究上, 对超过 800kW 的大型风力发电机塔筒的抗风、 抗震、 结构体系改良等研究还是空白。具体表现如下:(1塔筒结构剖析在国内风电行业, 将有限单元法利用于风力发电机组塔筒的分析计算, 虽然已取 得了一些成果, 但大都是针对于塔筒的固有频率等性能的分析和计算, 其它的方面诸 如疲劳、 稳定性等问题则很少涉及, 尚未形成系统的研究结果。 因此有必要对风电塔 筒结构进行详尽的解剖分析,得到该种特殊结构的设计控制指标和理论分析方法。 (2塔筒抗风研究大型水平轴风力发电机塔筒多为细长的圆柱状结构, 在风的

32、作用下会产生顺风向 的变形和振动以及垂直风速方向的横向振动。 结构的变形与振动不但引起塔筒附加的 应力、影响结构强度,而且还会影响塔筒顶端风轮的变形和振动。因此,在风力发电 机设计中必须考虑风诱发的塔筒风振响应问题。(3塔筒抗震研究地震作用是风力发电机塔筒所受的另一种重要的动力荷载, 当今, 抗震科学尚处 于较低水平, 试验手段和技术还不能确切模拟地震对建筑物的破坏作用, 因此, 有必兰州理工大学本科毕业论文要在充分吸取历史地震经验和教训的基础上, 结合现代技术, 在基本理论、 计算方法 和构造措施等多方面, 研究改进风力发电机塔筒结构的抗震设计技术, 以进一步提高 此种结构的抗震可靠度。(4

33、结构体系改良目前大型风力发电机塔筒为锥筒形 (或称圆台形 钢结构,结构类型单一,也不能 适应我国不同地区抗风、 抗震的具体要求, 所以根据我国国情, 结合工艺专业进行结 构体系的改良十分必要。上述文献表明, 影响风力机塔筒质量的多方面问题几乎同步地吸引着国内外研究 者的关注与投入。 显然, 这些新发展对全面提高与促进风力机技术水平上升到新高度 具有积极的促进作用。 但对比国内外研究与发展模式间存在着的一些差异、 特别是我 国在生产制造技术方面的落后可以看出, 关于风力机塔筒振动及稳定性的研究仍然是 国内外风力发电领域深入进行的研究内容之一。1. 4 风力发电机组塔筒的设计由于自然界的风在时间和

34、空间上具有多变性, 使得风对风力机塔筒结构的作用显 得非常复杂。 在空间上要考虑风速、 风向和风压沿塔筒高度的变化; 在时间上由于风 速的脉动以及随风频脱落的涡系等, 会引起塔筒结构的振动。 在过临界范围, 有可能 导致十几倍甚至几十倍于正常风力的效应。 在结构体型、 刚度和阻尼的一定组合条件 下,会发生风致空气动力失稳,即弛振或颤振 (弯扭耦合 。一旦发生气动力失稳有可 能导致结构的破坏;另外,塔筒结构的变形和振动,不仅会引起塔筒的附加应力,影 响其结构强度, 而且还会影响顶端风轮的变形和振动, 从而影响其性能。 因此设计风 力机及其塔筒时,必须分析计算风力引起的塔筒结构动力学的问题。塔筒结

35、构动力学分析,主要解决两个方面的问题:一是塔筒结构动力固有特性, 即固有频率和固有振型的分析计算;二是塔筒结构的动力响应分析计算和稳定性分 析。一方面塔筒要满足以上高度、刚度、强度等要求,另一方面要减轻重量,降低成 本。因此,目前风力发电机组中的塔筒大都设计为柔性塔,对于柔性塔,其一阶固有 频率一般在叶轮旋转频率的 13倍之间,所以在设计时还必须考虑塔筒与叶轮是否风电塔筒受力模型分析研究会发生共振。基于塔筒以上特点及性能要求,在对塔筒进行设计时,必须考虑的几点因素有:塔筒的静强度、屈曲、振动模态及疲劳等几个方面。由此,塔筒设计的计算分析一般 应包括以下几方面的内容:(1塔筒在极限载荷下的静强度

36、计算;(2塔筒的疲劳强度分析;(3塔筒的振动模态分析;(4塔筒的屈曲稳定性分析。1. 5 本研究的意义及研究主要内容1. 5. 1 研究意义2010年 1月 20日,维护人员进行“风机叶片主梁加强”工作。期间因风大不能 正常进入轮毂工作,直到 2010年 1月 27日工作结束。 28日 10:20分,维护人员就 地启动风机,到 1月 31日 43#风机发出“桨叶 1快速收桨太慢”等多个报警, 02: 27分发“振动频带 11的振动值高”报警,并快速停机。 8:00风电缺陷管理人员通 知维护负责人, 18:00维护人员处理缺陷完毕后就地复位并启机。直到 2月 1日 3: 18分,之前 43#风机

37、无任何报警信息,发生了倒塌事件(如图 1-3、 1-4 。风机倒塌 现场情况为:43#塔筒从中、下段法兰连接处折断倒塌,主机随同塔筒上段和中段朝 着主导风向北偏西 60度方向, 扭曲旋转约 180度后倒在大致为北偏西 15度方向, 法 兰盘脖颈距端部 12mm 处撕裂近三分之二 (连接螺栓 83孔 , 三分之一螺栓断裂 (42条 ,中塔筒下法兰约三分之一撕裂随中塔筒倒下。塔筒中段、上段、风机机舱、轮 毂顺势平铺在地面上, 塔筒上段在中间部分发生扭曲变形。 风力发电机摔落在地, 且 全部摔碎, 齿轮箱与轮毂主轴轴套连接处断裂, 齿轮箱连轴器破碎, 叶片从边缘破裂 大量填充物散落在地面上。兰州理工

38、大学本科毕业论文 图 1-3 机组倒塌全景 图 1-4中塔筒下法兰与焊口间撕裂风电塔筒受力模型分析研究随着风力发电机组逐渐向大型化方向发展, 目前的商品化大型风力发电机组的单 机容量已由 80年代初期的几十 kW 发展到数 MW 级水平。 而在风力发电机的运行中, 塔筒是决定其安全、可靠运行的关键因素之一。它是风力发电机组的主要承重结构, 尤其是大型风力发电机组, 其高度甚至达到了一百米以上。 当风力机运行时, 塔筒在 外载荷的作用下发生变形和位移,作用在塔顶的轴向压力会产生对塔筒各截面的弯 矩, 当外载荷达到一定的值时, 弯矩的增大会导致塔筒某一截面超出其屈服极限, 局 部失稳, 使得塔筒发

39、生破坏, 对于直驱式风力发电机组, 由于其塔顶上方风轮和机舱 的质心位于塔壁以外, 由此产生的弯矩对塔筒造成的影响更加突出; 另外, 塔筒顶端 产生过大的位移 (挠度 ,引起机组的激烈振动,最终导致机组不能正常运行,也是影 响整机正常工作的因素之一。动态特性是决定结构是否技术上合理、 安全性可靠和经济性可行的关键, 因此对 结构进行动态分析也是整个设计环节中的关键。 通过对塔筒进行动态响应分析, 可以 计算出在各种载荷情况下塔筒的结构是否满足稳定性的要求, 并为设计和优化提供必 要的依据。本文将以兆瓦级风力发电机组为基础,对风力机塔筒进行建模计算。 1. 5. 2 本文主要研究内容及安排塔筒是

40、风力发电机组中的主要支撑装置, 它将风电机与地面连接, 为水平轴风轮 提供需要的高度, 其重要性随着风力发电机组容量的增加、 高度的增加而愈来愈明显。 在风力发电机组中塔筒的重量占风力发电机组总重的 1/2左右, 其成本占风力发电机 组制造成本的 15%左右,它是整个风力机组安全运行的基础,其设计水平将直接影 响风力发电机的性能 21。塔筒作为风力发电机的重要组成部分, 一直以引进国外的设计为主, 在国内投入 使用后能否适应我国的地形与风能资源情况, 机组运行过程中, 能否充分发挥其强度、 刚度、稳定性及自身的各项性能,有必要对其受力、自振特性、稳定性进行详尽的解 剖分析, 并对各项性能指标进

41、行评价, 如果各项指标距离控制指标均有较大的富余度, 则可以考虑对该结构进行优化设计。 综上所述, 以现代大型风力发电机组普遍采用的 锥筒型塔筒为研究对象,对“风电塔筒受力模型”进行初步探讨,以便于为塔筒的设兰州理工大学本科毕业论文计和结构改良奠定基础。以 1.5MW 风电机组为原型,建立塔筒的力学模型,分析其在工况以及极限载荷 等变工况下的受力情况,以实现对风力发电机塔筒的结构优化设计。具体内容如下:第一章对本研究课题的选题背景及其科学意义进行了阐述。 通过对国内外研究与 发展状况的归纳分析,提出了本论文的研究内容并简述了主要研究目的。第二章建立风电机组塔筒受力模型, 使塔筒的整体结构得到简

42、化, 为下章塔筒的 受力分析奠定基础。同时也对材料的属性及本构关系作了具体的阐述。第三章探讨了风力机塔筒在工况、 极限载荷等变工况下的受力情况, 验证塔筒在 各种载荷情况下的最大应力是否超出材料的许用应力,是否满足静强度要求。同时, 通过塔筒坐标系,对风电机组塔筒的受力进行了具体分析。第四章对风电机组塔筒进行屈曲分析,采用特征值方法来分析塔筒的稳定性问 题。第五章以塔筒壁厚为设计变量,塔筒质量为目标函数,塔底应力、塔顶变形、一 阶固有频率与一阶屈曲因子的控制指标为约束条件对该塔筒的优化设计进行了初步 探讨。第六章对全文的分析与研究进行了总结与归纳, 并对需深入研究的问题提出了作 者的见解。风电

43、塔筒受力模型分析研究第二章 塔筒受力模型的建立2. 1 结构简化风力发电机组塔筒除塔筒本身外,还有一些其他的附属设备,如平台、爬梯、门 洞等。 分析计算时, 塔筒几何模型简化的原则是在保证计算精度的前提下, 对一些与 所研究塔筒强度、 自振特性、 稳定性没有重要作用或者承受载荷情况并不关键的部位 作简化, 这样既减轻了建模的工作量, 又不会影响分析结果的精确性。 建立模型时以 1.5MW 风力发电机组塔筒为例,作如下简化 (简化后的结构如图 2-1所示 : 图 2-1 塔筒结构简化图兰州理工大学本科毕业论文(1塔筒简化为底部固定、顶端自由的空间薄壁锥筒形结构,并考虑门洞的影 响;(2由于爬梯、

44、休息平台主要承受竖向荷载,并且与塔筒之间为软连接,可将 其质量附加到塔筒上;(3风轮与机舱简化为作用在塔筒上方的偏心质量块,保证其重心与实际结构 的重心重合。2. 2 材料属性根据水平轴风力发电机塔筒的主要几何特征与力学特性, 在保证计算精度的情况 下,塔筒筒身材料为 Q345钢,其力学性能参数为:密度 7.85×103kg/m3,弹性模量 2.060×1011Pa , 泊松比 0.3, 热膨胀系数 1.200×10-5,屈服强度 3.45×105kN/m2, 抗拉 强度 4.90×105kN/m2。机舱与风轮的简化质量块密度为 1.389&#

45、215;103kg/m3,与塔筒相比 可视为刚体。2. 3 材料的本构关系本构关系是指结构在受力过程中材料的应力一应变关系, 目前国内外对钢材的应 力一应变关系研究成果比较成熟, 本文为了计算上的方便与合理, 采用由 4段直线构 成的钢材应力应变关系曲线 22,23,如图 2-2所示。图中 为钢材的应力, 为钢材 应变, f y 为钢材的屈服强度, f u 为钢材的极限强度。15风电塔筒受力模型分析研究 16图 2-2 钢材应力应变曲线弹性阶段 (oa:=Ey , 0<<1屈服段 (ab:=f y , 1<<2, 2=101强化段 (bc:= fy +Ey /150(1

46、-2, 2<<3二次塑流段 (cd:=fu , 3<, 3=100, E y =206 000MPa兰州理工大学本科毕业论文17第三章 塔筒的受力分析塔筒是风力发电机的主要支撑结构。 它不仅要有一定的高度, 使风力发电机在较 为理想的位置上运转; 而且还应有足够的强度和刚度, 以保证在台风或者暴风袭击时 不会使整机倾倒, 其设计水平将直接影响风力发电机的工作性能和可靠性。 为了确保 风力发电机组的正常运行, 提高塔筒自身的可靠性, 在设计塔筒结构时必须充分考虑 塔筒的应力和变形,因而塔筒的受力分析是风力发电机组设计中的一项重要的工作。现对 1.5MW 风力发电机组进行受力分析

47、。该风电场基本数据:该风电场位于丘陵地带,海拔 1500m ,平均气压为 830hPa ,风速高,风力大, 年平均风日 70天,年最大风日 123天,年平均风速 5.2m/s,最大风速 28m/s, 10分 钟平均最大风速达 26m/s, 70m 处的年平均风速为 8.33m/s。该地区 1.5MW 风力发电机组其它主要技术参数:风轮质量 (含轮毂 2.8×104kg ,机舱质量 3.7×104kg ,休息平台厚度 0.003m ,叶片 长度 30m , 叶片最宽处宽度 3.2m , 风轮转速 18.5rpm , 切入风速 3.0m/s, 额定风速 13m/s, 切出风速

48、25m/s,抗最大风速 50m/s。3. 1 各工况下风荷载计算3. 1. 1 确定分析工况在风力发电机的工作过程中,当风速 V 大于切入风速 V q 时,发电机有功率输出,但是小于额定功率 P 0;当风速 V 等于额定风速 V 0时,发电机输出额定功率 P 0;当风速大于额定风速 V 0时,从理论上讲将维持功率恒定,但实际中通常有些下降 24,如图 3-1所示;当风速大于切出风速 V c 时,为安全起见,风力发电机将停止工作。在 某 地 区 50年 一 遇 极 限 风 荷 载 情 况 下 , 根 据 建 筑 结 构 荷 载 规 范 (GB50009-200125中 的 全 国 基 本 风 压

49、 分 布 图 及 附 近 地 区 规 定 , 基 本 风 压 取 为 0.75kN /m 2。风电塔筒受力模型分析研究 18图 3-1 1.5MW风力发电机的功率特性曲线任一地貌任一高度处的风压与标准地貌 10m 高处基本风压存在如下关系 26:0z z =式中:z 为任一地貌任一高度处的风压;z 为风压高度变化系数;0为标准地貌 10m 高处的基本风压。 根据 建筑结构荷载规范 (GB50009-2001查得风轮中心处的风压高度变化系数 z (63.7=1.81,则风轮中心处的风压 z =1.81³0.75=1.3575kN/m2。风速与风压之间存在以下关系 26:221v w =

50、式中:为空气密度。 根据所在地点的海拔高度 z(m,可按下述公式近似估算空气密度:/(00125. 030001. 0m t e z -= 该风电场海拔 1 500m ,代入 (3-3求得该风电场空气密度为 1.08kg/m3。由 (3-2(3-1 (3-2(3-3兰州理工大学本科毕业论文19 可以求得风轮中心处风速为:s m w v z/13. 501008. 13575. 1223=- 本文所研究的 1.5MW 风力发电机组叶片抗最大风速为 50m/s,故在 50年一遇极 限风荷载下已经被破坏。对于风力发电机塔筒为代表的高耸结构, 风荷载是主要的控制荷载 26。 根据风力 发电机的工作过程

51、, 为确切的研究塔筒的受力情况, 本文选取三种典型的风荷载工况:额定风速工况、切出风速工况及抗最大风速工况,对其进行受力分析。3. 1. 2 风荷载计算(1作用在风轮上的风压力1 额定风速工况下作用于风轮上的风荷载根据有关资料介绍 27, 风力发电机运行时, 作用在风轮扫风面积上的轴向推力用 下列公式计算:S V C F p u 2=式中:C p 为风能利用系数,一般取 O.4;V 为风速;S 为风轮的扫风面积。在额定风速 13m/s(约 6级 的风荷载下,作用于风轮上的风荷载为: (191 30(134. 0222kN S V C F P u =2 切出风速工况下作用于风轮上的风荷载 在切出风速 25m /s 的风荷载下,同样采用 (3-5计算作用于风轮上的风荷载:(707 30(254. 0222kN S V C F P u =3 抗最大风速工况下作用于风轮上的风荷载 在抗最大风速工况下, 风力发电机早已停止工作, 风轮的转速为零, 此时作用在 风轮上的风压力采用 1984年丹麦风电专家彼得森到福建讲学时的推荐公式 28:B A C v F b t x max 221= (3-4 (3-5 (3-6 (3-7(3-8风电塔筒受力模型分析研究20式中:为风力发电机所在风电场的空气密度;V max 为叶片的抗最大风速;