5M风力发电机塔架结构设计与有限元分析

摘要：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，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。利用风力发电的尝试，早在二十世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。目前，据了解，国外已产出15-225千瓦的风力发电机了。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在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2000千瓦，风车高57米，所发电量的75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。Abstract：Windenergyasacleanand

renewableenergy,

moreand

moreattentionaroundtheworld.

The

implication

ishuge,globalwindenergyisabout

2.74×10^9MW,

whichcanmakeuseofwindenergy

is2×10^7MW,

thanonearth,developmentandutilizationofwaterquantityis10timesbigger.

Thewindhaslongbeenusedbypeople--mainlybywindmillstopumpwater,

grindingsurfaceandsoon,

andnow,

peoplewereinterestedinhowtousethewindtogenerateelectricity.

Theattemptofwindpowergeneration,inearlytwentiethCenturystarted.

Inthirty,Denmark,Sweden,

theSovietUnionandAmericaapplicationinaviationindustryrotortechnology,

successfullydevelopedanumberofsmallwindpowergenerationdevice.

Thesmallwindgenerators,

widelyusedintheislandandremoteruralareas,

thecostofelectricityitwasthanthegenerationcostmuchlowersmallinternalcombustionengine.However,

whengeneratingcapacityisrelativelylow,

mostlybelow5kw.Atpresent,

itisunderstood,

foreign

hasproduced

15,

40,

45100225kWwindturbine.

In1978

January,

200kW

windturbine

America

built

inNewMexico,

thetownofClayton,

the

bladediameterof38

meters,

willgenerateenoughelectricity

for60

households.

And

inthesummerof1978,

inthe

windpowergenerationdevice

Denmark

JutlandPeninsula

westcoast

putintooperation,

its

generatingcapacityis

2000kW,

thewindmill

is57metershigh,

thegeneratingcapacityof75%

intothepowergrid,

the

supplyof

aschool

nearthe.Thefirsthalfof1979,

in

theBlueRidgeMountainsof

NorthCarolina

America,

andbuiltthe

windmillis

theworld'slargest

electricitygenerating.

The

windmill

istenstoreyhigh,

windmill

steel

blade

diameterof60meters;

leafblademountedona

tower

building,

the

windmill

canrotatefreelyand

get

power

fromany

onedirection;

thewind

speedat38km,

generatingcapacity

upto2000

kw.

The

averagewindspeedof

the

hilly

area

isonly29

kilometers,

so

notallsportswindmill.

Accordingtoestimates,

evenifthewholeyear

only

halfthetime

running,

itcan

meetthesevenCounty,

NorthCarolina,

1%to

2%ofthe

electricityneeds.Keywords:

windpower,

energy,

windmill,

atower目录： 2一，风力发电机的背景 21.1风力发电机的现状 21.2风力发电机塔架的研究 3二，设计方法 42.1塔架的计思路 42.2材料的选用 52.3塔架模型proe建模 5三，有限元分析 63.1有限元介绍 63.1.1静力分析概念 63.1.2模态分析介绍 7用处 73.1.3屈曲分析原理 83.2模型有限元分析 83.2.1静力分析 83.2.2模态分析 133.2.3屈曲分析 17四，总结 18五，致谢 19六，参考文献 19目录：一，风力发电机的背景1.1风力发电机的现状风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面……。现在，人们感兴趣的，首先是如何利用风来发电。风是一种潜力很大的新能源，人们也许还记得，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦；一马力等于0．75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。1.2风力发电机塔架的研究风机叶片是风力发电技术进步的关键核心风力机部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。我国风机叶片行业的发展是伴随着风电产业及风电设备行业的发展而发展起来的。由于起步较晚，我国风机叶片最初主要是依靠进口来满足市场需求的。随着国内企业和科研院所的共同努力，我国风机叶片行业的供给能力迅速提升。风力发电市场介绍我国风机叶片市场已经形成外资企业、民营企业、研究院所、上市公司等多元化的主体投资形式。外资企业主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等，国内企业以时代新材、中材科技、中航惠腾、中复连众为代表。截至到2008年5月，中国境内的风电机组叶片厂商共有31家。其中，已经进入批量生产阶段的公司有10家。2008年，已经批量生产的叶片公司生产能力为460万千瓦。预计2010年，这些叶片公司全部进入批量生产阶段后，综合生产能力将达到900万千瓦。风速及风向的变化对风力发电机的发电量有着较大的影响，通常，塔架越高，风速越大，气流越平稳，发电量越大。因此风力发电机的选址应慎重考虑，每一次安装都不同，而且要考虑塔筒高、电池组的距离、当地规划要求以及建筑和树木这些障碍物等因素。风机安装与选址具体要求如下：风力发电机组推荐的最小塔高是8米或距离障碍物5米以上安装范围中心的100m范围之内尽量没有障碍物；相邻两台风机的安装应保持在8~10倍风轮直径的距离；风机选址应避开紊流。选择年平均风速较大的地区，具有较稳定的盛行风向，且风速的日变化与季变化小；风机高度范围内的垂直方向的风速切变要小；选择尽可能少的自然灾害的地方；选择安装位置时安全是首要关注的。因此，即使是在一个风速资源较不理想的地方安装风力发电机，安装时风轮叶片不得旋转。[1]二，设计方法2.1塔架的计思路图1-2风力发电机组的结构风力发电机组主要由风轮、齿轮箱、联轴器、偏航系统、刹车结构、发电机、塔架与调速调向装置构成。如图1-2所示。分为小型风力发电机组（100W-1kW）、中型风力发电机组（1kW-100kW）、大型风力发电机组（100kW-1000kW）和特大型风力发电机组（1000kW以上）。风力发电产生的电能也可以利用很多方式储存起来。例如，蓄电池储存风电电能，电解水储存风电电能，水库储存风电电能，压缩空气储存风电电能，飞轮储存风电电能，超导储能和电网储存电能。此外，利用电力电子整流/逆变技术也可以将电能直接通过并网的方式进行供电。2.2材料的选用材料的选取尤其重要,风力发电机组在工作过程中遇到很大的风力,形成巨大的负载,这需要塔架能承受巨大复杂的情况下长时间工作,所以应选择刚度较好的材料,查手册如下:选择304不锈钢作为材料,因其是面试用比较多,比较容易获取.价格也合理.能够经受恶劣的室外环境.所以这是比较理想的材料.2.3塔架模型proe建模Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个说法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer软件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指软件的版本。根据某一塔架的参数建模Proe软件建模如下:三，有限元分析3.1有限元介绍在数学中，有限元法（FEM，FiniteElementMethod）是一种为求得偏微分方程边值问题近似解的数值技术。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。3.1.1静力分析概念静力学是力学的一个分支，它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件。平衡是物体机械运动的特殊形式，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态都称为平衡。对于一般工程问题，平衡状态是以地球为参照系确定的。静力学还研究力系的简化和物体受力分析的基本方法。静力学（statics）研究物体的平衡或力系的平衡的规律的力学分支。静力学一词是P·伐里农1725年引入的。按照研究方法，静力学分为分析静力学和几何静力学。分析静力学研究任意质点系的平衡问题，给出质点系平衡的充分必要条件(见虚位移原理)。几何静力学主要研究刚体的平衡规律，得出刚体平衡的充分必要条件，又称刚体静力学。几何静力学从静力学公理（包括二力平衡公理，增减平衡力系公理，力的平行四边形法则，作用和反作用定律，刚化公理）出发，通过推理得出平衡力系应满足的条件，即平衡条件；用数学方程表示，就构成平衡方程。静力学中关于力系简化和物体受力分析的结论，也可应用于动力学。借助达朗贝尔原理，可将动力学问题化为静力学问题的形式。静力学是材料力学和其他各种工程力学的基础，在土建工程和机械设计中有广泛的应用。静力学是力学的一个分支，它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件。平衡是物体机械运动的特殊形式，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态都称为平衡。对于一般工程问题，平衡状态是以地球为参照系确定的。静力学还研究力系的简化和物体受力分析的基本方法。3.1.2模态分析介绍模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。用处模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1)评价现有结构系统的动态特性；2)在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3)诊断及预报结构系统的故障；4)控制结构的辐射噪声；5)识别结构系统的载荷。3.1.3屈曲分析原理屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷,屈曲分析包括：

线性屈曲和非线性屈曲分析。线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析；线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析，非线性后屈曲(Snap-through)分析。欧拉屈曲buckling结构丧失稳定性称作（结构）屈曲或欧拉屈曲。L.Euler从一端固支另一端自由的受压理想柱出发．给出了压杆的临界载荷。所谓理想柱，是指起初完全平直而且承受中心压力的受压杆。设此柱是完全弹性的，且应力不超过比例极限，若轴向外载荷P小于它的临界值，此杆将保持直的状态而只承受轴向压缩。如果一个扰动(如—横向力)作用于杆，使其有一小的挠曲，在这一扰动除去后。挠度就消失，杆又恢复到平衡状态，此时杆的直的形式的弹性平衡是稳定的。若轴向外载荷P大于它的临界值，柱的直的平衡状态变为不稳定，即任意扰动产生的挠曲在扰动除去后不仅不消失，而且还将继续扩大，直至达到远离直立状态的新的平衡位置为止，或者弯折。此时，称此压杆失稳或屈曲(欧拉屈曲)。线性屈曲：是以小位移小应变的线弹性理论为基础的，分析中不考虑结构在受载变形过程中结构构形的变化，也就是在外力施加的各个阶段，总是在结构初始构形上建立平衡方程。当载荷达到某一临界值时，结构构形将突然跳到另一个随遇的平衡状态，称之为屈曲。临界点之前称为前屈曲,临界点之后称为后屈曲。侧扭屈曲：梁的截面一般都作成窄而高的形式，对截面两主轴惯性矩相差很大。如梁跨度中部无侧向支承或侧向支承距离较大，在最大刚度主平面内承受横向荷载或弯矩作用时，荷裁达一定数值，梁截面可能产生侧向位移和扭转，导致丧失承载能力，这种现象叫做梁的侧向弯扭屈曲，简称侧扭屈曲。理想轴向受压直杆的弹性弯曲屈曲：即假定压杆屈曲时不发生扭转，只是沿主轴弯曲。但是对开口薄壁截面构件，在压力作用下有可能在扭转变形或弯扭变形的情况下丧失稳定，这种现象称为扭转屈曲或弯扭屈曲。3.2模型有限元分析3.2.1静力分析将模型导入ansys软件进行静力学分析分如下步骤:1,设置材料参数:选用304不锈钢作为材料,需要设置材料的参数弹性模量2.1*10^11pa,泊松比为0.32,划分网格网格划分如下图:网格划分越详细对结果精度越有利,但是这样会造成模型网格数目巨大,分析时间加长,所以在满足分析要求的情况下,尽可能的减少模型的网格数来提高效率.本次分析网格数如下图所示:接下来设置边界条件,所谓边界条件就是模型在工作过程中包含的约束,受力等参数,在模型上表述出来:设置的边界条件如下图:设置完毕以后可以对模型进行静力学分析:分析包括位移,最大主应变,等效应变,最大主应力,等效应力等,得到如下结果:Deformation应变图Equalstrain等效应变图Maxstrain最大主应变图Max