风电塔筒受力模型分析研究

1、毕业设计（论文） 风电塔筒受力模型分析研究 学 生 姓 名 黄彦博 学 号 专 业 班 级 材料成型及控制工程 07 级 7 班 指 导 教 师 张鹏林 提 交 日 期 2011 年 6 月 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1 11 选题背景 .1 12 风力发电发展状况 .2 121 世界风力发电发展状况 .2 122 我国风力发电发展状况 .3 13 风力发电机组塔筒的研究现状 .4 131 风力发电机组塔筒概述 .4 132 风力发电机组塔筒的研究现状 .5 14 风力发电机组塔筒的设计 .9 15 本研究的意义及研究主要内容 .10 151

2、 研究意义 .10 152 本文主要研究内容及安排 .12 第二章第二章 塔筒受力模型的建立塔筒受力模型的建立.1414 21 结构简化 .14 22 材料属性 .15 23 材料的本构关系 .15 第三章第三章 塔筒的受力分析塔筒的受力分析.1717 31 各工况下风荷载计算 .17 311 确定分析工况 .17 312 风荷载计算 .19 32 塔筒所受主要载荷 .23 321 极限载荷 .23 322 风切变 .23 33 在塔筒坐标系中各载荷的计算 .24 34 塔筒受力分析实例 .27 第四章第四章 塔筒的屈曲分析塔筒的屈曲分析.2929 41 稳定性的计算方法 .29 411 失稳

3、的类型 .29 412 特征值求解方法 .29 42 塔筒的屈曲分析 .30 421 屈曲分析概述 .30 422 塔筒屈曲分析计算 .31 43 塔筒在极限载荷情况下的稳定性分析 .32 第五章第五章 塔筒的优化设计塔筒的优化设计.3333 51 优化设计概述 .33 52 优化设计要素 .33 53 优化设计流程 .34 54 优化设计实例 .35 第六章第六章 结论与展望结论与展望.3636 61 结论 .36 62 展望 .36 参考文献参考文献.3838 外文原文外文原文.4141 外文翻译外文翻译.6464 致致 谢谢.8383 摘摘 要要 塔筒是风力发电机的主要支撑装置，它将发电

4、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

5、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 ABSTRACT The tower is a main support equipment of wind turbineIt joins the generator and the ground and provides altitude for the impellerThe design of the structure

6、 system has been introduced primarily from the overseasThere is no unification design regulations standard for wind turbine tower at home yetAlong with the maximization of wind turbine tower，the role of the towers wind load variability and randomness of the cross will become more evident，therefore，i

7、t 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 electric plant was taken as the object of study, For the taper cylin

8、der 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 tower wall thickness and the tower mass as the constraints，the desig

9、n 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 the tower basis stress，the displacement in the tower top as well as th

10、e 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 considerable to save the steel products quantityThere is the necessity for this type

11、tower to carry on further research and the optimization design Key Words：Tower，Horizontal axis wind turbines，Stress analysis，Buckling factor，Optimization design 第一章第一章 绪论绪论 11 选题背景选题背景 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

12、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

13、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

14、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 术最成熟、生产应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

15、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。 12 风力发电发展状况风力发电发展状况 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

16、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，中国风电建设进入了一个新的规模化发展时期。 121 世界风力发电发展状况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

17、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

18、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 3.525m/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

19、 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 128。 122 我国风力发电发展状况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，

20、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 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

21、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

22、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 13 风力发电机组塔筒的研究现状风力发电机组塔筒的研究现状 131 风力发电机组塔筒概述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，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

23、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。 132 风力发电机组塔筒的研究现状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 2.03.5MW 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

24、。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 然是研究的热点问题。

25、英国的 J.WHALE 等对风轮的尾流场效应进行了从实验室到 全尺寸实验测试的对比研究。英国的 Grant M.Mo 等对一个投入运行的风力机进行了 尾流场内的动力学实验和数值计算分析，介绍了风轮尾流场效应对整个风机机组稳 定性分析，但没有具体分析风轮尾流场及塔筒尾涡对塔筒稳定性研究。提高风力机 运行稳定性问题是研究中的另一核心主题。当前的研究正在向更深入细致的去考虑 多方面影响因素的方向发展。如丹麦技术大学的 M.O.L.Hansen 等研究了风力机系统 的空气动力学与塔筒弹性力学耦合问题，提出了一种既考虑空气动力学影响、又考 虑结构动力学干扰的设计模型。希腊的 N.Bazeos 等研究了一

26、个钢制塔筒对风力机运 行可靠性的影响作用，分别对静态时、地震时的稳定性问题进行了分析，但对风力 机塔筒的动态响应研究没有涉及。土耳其的 E Kavak Akpinar 等对风能特征、风能特 征与风力机动态响应之间的季节性变化规律，进行了全面评估分析。在提高风力机 的设计等方面，围绕着提供可靠的动态设计理论依据为目的，荷兰的 Wim Bierbooms 等提出了一个考虑阵风作用的风能参数随机统计模型。爱尔兰的 P.J.Murtagh 等对随机采样获得的风载荷与风力机塔筒的动态耦合关系进行了全面分 析。这些研究反映出，柔性地适应风特性变动的设计思想，借助实验研究完善风力 机塔筒动态设计理论建模的方

27、法，已融会贯穿在了风力机的设计中。而通过实验研 究来提高风力机塔筒运行性能，是受到普遍关注的另一种研究方式。在这方面，多 年的发展已使得德国、丹麦、荷兰、美国、希腊等国家，分别拥有了自己的检测机 构，制定了相关的国际标准，建立了资格认证体系等。圆柱薄壳结构在受压时，其 承载力取决于屈曲问题，对其屈曲强度的可靠预测一直为人们所极为关注。18 世纪 中期，Euler 对细长压杆的稳定性作了开创性的研究，形成了弹性结构屈曲的经典理 论。191l1934 年间，Lorenz，Southwell，Von Mises，F1gge，Schwerin 和 Donnell 等学者将经典理论用于分析轴心受压圆柱壳

28、的屈曲，并得到了轴压圆柱壳屈 曲应力的经典解释。1945 年，Koiter 提出了关于弹性稳定的非线性理论，该理论可 以判定分枝点附近平衡路径的稳定性15。研究发现，轴压圆柱壳的后屈曲性质是不 稳定的，且很小的几何缺陷就会极大地降低其承载力。圆筒型风力机塔筒的屈曲分 析是研究风力机稳定性的基础工作之一。 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

29、对具体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

30、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、山东工业大学黄珊秋、宋宪

31、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 Q235 或 16Mn 为材

32、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，确定适合的有限元模型和划分网格的方法，并验证分析结果；

33、 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

34、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

35、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)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

36、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。 14 风力发电机组塔筒的设计风力发电机组塔筒的设计 由于自然界的风在时间和空间上具有多变性，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

37、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

38、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。 15 本研究的意义及研究主要内容本研究的意义及研究主

39、要内容 151 研究意义研究意义 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：

40、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。 图 1-3 机组倒塌全景 图 1-4 中塔筒下法兰与焊口间撕裂 随着风力发电机组逐渐向大型化

41、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

42、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。 152 本文主要研究内容及安排本文主要研究内容及安排 塔筒是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

43、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

44、型”进行初步探讨， 以便于为塔筒的设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

45、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。 第二章第二章 塔筒受力模型的建立塔筒受力模型的建立 21 结构简化结构简化 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

46、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 （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、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。 22 材料属性材料属性 根据水平轴风力发电机塔筒的

47、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 7.85103kg/m3，弹性模 量 2.0601011Pa，泊松比 0.3，热膨胀系数 1.20010-5，屈服强度 3.45105kN/m2， 抗拉强度 4.90105kN/m2。机舱与风轮的简化质量块密度为 1.389103kg/m3，与塔筒 相比可视为刚体。 23 材料的本构关系材料的本构关系 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

48、 2-2 所示。图中 为钢材的应力， 为钢材应变，fy为钢材的屈服强度，fu为钢材的极限强度。 图 2-2 钢材应力应变曲线 弹性阶段(oa)：=Ey，01 屈服段(ab)：=fy，12，2=101 强化段(bc)：= fy +Ey/150(1-2)，23 二次塑流段(cd)：=fu，3n. 4.5. Tower and cables strength analysis Checking the interaction equations for the load and resistance factor design criteria (LRFD), in accordance with

49、the design codes for steel structuresas for example ABNT/NBR8800 (1986), or the ASCE or yet the EUROCODE recommendationsthe angle sections of those members connected to the foundation have exceeded the prescribed limit values, whichever limit state was verified: safety or serviceability. Other membe

50、rs, around level 28.00 m, were also ill-proportioned. These calculations were made by taking the stress resultants at one instant of time where a peak in time history occurred for the axial force in these angle section members. As indicated by the envelope of tension forces in the cables (Table 4),

51、the limit tension ratio for maximum wind velocity recommended by the Brazilian code for transmission lines was not surpassed. The analysis resulted in working ratios equal to 24% for the electric conductors and 20% for the lightning conductors; in both cases not greater than the recommended limit, 5

52、0% of the nominal cable strength. These results rule out the possibility that the collapse of these transmission line towers had been caused by rupture of cables under the action of wind. The existing damping devices (Stockbridge) were not included in the 3D-FEM model. They are useful to attenuate h

53、igh frequency small amplitude movements that result from low speed winds that may lead to rupture caused by fatigue. Conversely, in the present analysis the movements are of another nature; they are of low frequency and considerable large amplitude. It is important to emphasize here that the linear

54、dynamic analysis carried out with the towercables coupled model is just a preliminary step of a complete appraisal of this aerodynamic problem. Further steps should be taken with a non-linear dynamic analysis, in order to take into account adequately the large displacements of the cables that are al

55、lowed by large angular displacements of the suspension-rods. Fig. 9. Double pendulum behaviorcomparison. 5. The important dynamic effect of the suspension-rods An important conclusion from this study is the fundamental role the suspension rods play in the coupled towertransmission line system; the h

56、eight of the chain of insulators (or of the suspension-rod) defines the dynamic characteristics of the towercables coupled model. The system has the tendency to behave like a double pendulum in the orthogonal direction to the transmission line axis, and a preliminary evaluation of the system fundame

57、ntal frequency can be made with a two-degree-of freedom model (Fig. 9). Taking the following transmission line characteristics as used in the 3D model: (a) medium span: L =450 m; (b) chain of insulators: height=2.65m suspension-rod height L1=2.90 m; (c) electric conductors: Grosbeak (weight: =13.0 N

58、/m, maximum tension: Trmax =31500 N); (d) and the sag s of cables hanging in catenary shape under the action of their own weight as given by Eq. (15) (where Tr0 is equal to the tension at the middle of the span): where s 10:45m was obtained by considering that Tr0 =Trmax; when the suspension points

59、are at the same level and thus the tension variation is very small. The fundamental frequency can be estimated with the double pendulum model as given by Eq. (16), where L1 is the suspension-rod height and g is the acceleration of gravity The length L2 corresponds to the vertical distance between th

60、e straight line passing through the tips of two consecutive suspension-rods and the catenary centre of mass, i.e., L2 =2s=3: The model fundamental frequency based on the double pendulum linearized model (Fig. 10a) results in fdp = 0.175 Hz which may be considered a simple and close estimation of f1