【正文】 開發(fā)和利用在新能源研究中一直被廣泛關(guān)注 [1]。 風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。人類早在遠古時代便開始利用風力，但發(fā)展緩慢。 20 世紀 80 年代以來，世界風電裝機容量迅猛增長。 21 世紀是高效、清潔和安全利用新能源的時代，世 界各國都在做這方面的努力，都在把能源開發(fā)利用作為關(guān)鍵科技領域給予關(guān)注。這中間，風能將成為主要角色，為 21 世紀的人類服務。在新能源領域風力發(fā)電技術(shù)比較成熟，商品化大型風力發(fā)電機組單機容量已由 80 年代初期的幾十千瓦發(fā)展到1MW 以上，隨著風力發(fā)電機組逐漸向大型化方向發(fā)展，作用在塔筒上的載荷的交變性和隨機性更為明顯，其本身又是彈性結(jié)構(gòu)，因此塔筒的振動是不可避免的。振動帶來的疲勞會降低材料的強度，縮短整機的使用壽命。所以，對于塔筒的結(jié)構(gòu)動力學特性分析，是風力機研究工作的一項重要環(huán)節(jié)。 風力發(fā)電機是把風的動能轉(zhuǎn)換成電能 的機械設備。世界各國研制的風力發(fā)電 機 [2,3]的形態(tài)和種類很多，按照風力發(fā)電機功率大小分類：可分為小型風力發(fā)電機 (功率小于 l0kW)、中型風力發(fā)電機 (功率在 10～ 100kW 之間 )和大型風力發(fā)電機 (功率 大于 l00kW)；按照風力發(fā)電機風輪軸方向分類：可分為水平軸風力發(fā)電機 (風輪軸與水平面平行或接近于平行 )和垂直軸風力發(fā)電機 (風輪軸垂直于水平面 )。 水平軸風力發(fā)電機在風輪高速旋轉(zhuǎn)時對傳動機構(gòu)要求較低，有較高的風能利用系數(shù)，是目前技術(shù)最成風電塔筒受力模型分析研究 2 熟、生產(chǎn)應用最廣泛的一種風力發(fā)電機。 塔筒是支撐機艙及風力機零部件的結(jié)構(gòu)， 它將風力機與地面連接 ， 為風輪提供必要的工作高度，通過基礎將風力機各部件的荷載傳至地面。塔筒結(jié)構(gòu)體系一直以引進國外的設計為主，國內(nèi)沒有統(tǒng)一的風力發(fā)電機塔筒設計規(guī)程標準。隨著國內(nèi)風力發(fā)電機 塔筒 的大型化，有必要對風電塔筒受力進行詳盡的分析，為建立我國 自己的設計規(guī)程標準奠定基礎。本課題通過對塔筒受力模型進行分析 研究，為 塔筒 的動態(tài)設計提供理論依據(jù)。 1． 2 風力發(fā)電發(fā)展狀況 由于化學燃料的日益枯竭和人類對環(huán)境惡化的倍加關(guān)注，從上世紀七十年代以來，各國政府和國際組織都相繼投入大量的資金用于可再生能源的開發(fā)，尋求一條經(jīng)濟社會進步與資源環(huán)境和人口相協(xié)調(diào)的、可持續(xù)發(fā)展的道路。 在眾多的可再生能源中，風能 [4]以其巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿κ艿饺藗兊那嗖A。風力發(fā)電 [5,6]具有建設周期短、裝機規(guī)模靈活、不消耗燃料、運行不污染環(huán)境等優(yōu)點，被世界各國優(yōu)先采用。 隨著風電裝機規(guī)模的不斷增大，機組單機容量的不斷擴大，以及海上風力發(fā)電項目的起步，世界上很多國家對風電的開發(fā)都給予了高度重視及政策激勵 [7]。歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織的《風力 12：關(guān)于 2020 年風電達到世界電力總量 12％的藍圖》正是基于此而出臺的。 中國風能資源豐富，主要集中在 三北地區(qū)及東部沿海風能豐富帶。近年來，隨著政府支持力度的加大，中國風電建設進入了一個新的規(guī)模化發(fā)展時期。 1． 2． 1 世界風力發(fā)電發(fā)展狀況 人類利用風能的歷史可追溯到中世紀甚至更早，最初是將風能轉(zhuǎn)換為機械能，用風車提水、碾米、磨面 、 借風帆為船助航等。 19 世紀末，丹麥科技人員開始研究風力發(fā)電，為風能的利用開辟了更為廣闊的前景。 1941 年，美國在巴蒙特州研制并建立了一臺當時世界上最大的風力發(fā)電機，風輪的直徑為 53 m，塔高 34 m，輸出功率為 。 50~60 年代，西歐各國也相繼開始研究風力發(fā)電技術(shù)，到 60 年代末，德蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 3 國成功地使用了復合材料葉片，為復合材料用于制作大型風力發(fā)電機葉片奠定了基礎。 1973 年出現(xiàn)世界石油危機后，煤和石油等化石燃料日益枯竭，空氣污染、氣候變暖等環(huán)境問題也日趨嚴重，風力發(fā)電作為可再生的清潔能源受到越來越多的重視。經(jīng)過 10 余年的發(fā)展，風力發(fā)電技術(shù)同趨成熟，提高了風力發(fā)電機的效率和可靠性。上世紀 90 年代以來，世界風電裝機平均每年以大約 30％的速度增長，到 2021 年底全世界已裝機 49 238 臺，裝機容量達 1 845 萬 kW，已成為相當規(guī)模的一個產(chǎn)業(yè)。其中新增風電裝機中 90％在歐洲和美國，主要 是在歐洲，約占 75％。 2021 年，德國建造了當時世界上最大的風力發(fā)電機 —— 新動力 5 兆，該風力發(fā)電機葉片長 米，塔筒高 120 米，機艙自帶起重設備，可在風速為 ~25m/s 范圍內(nèi)安全運行，由控制中心負責運行狀態(tài)監(jiān)控 。 輸出功率為 5MW，年發(fā)電量可達 1 700 萬 kWh。 截止到 2021 年底，全世界風電累計裝機容量已達 億 kW，其中發(fā)展最快的是美國 2 517 萬 kW，德國 2 390 萬 kW，西班牙 1 675 萬 kW，中國 1 324 萬 kW。世界風能協(xié)會預計，到 2020 年，風電裝機容量會達到 12 億 kW，年發(fā)電量相 當于屆時世界電力需求的 12％ [8]。 1． 2． 2 我國風力發(fā)電發(fā)展狀況 我國 20 世紀 50 年代中期開始研制風力發(fā)電裝置，其后就處于停滯狀態(tài)。 60 年代開始小批量生產(chǎn)， 70 年代 末 ，在世界能源危機的影響下，我國風力發(fā)電進入了一個新的發(fā)展階段，主要是小型風能發(fā)電機，其風電設備都是獨立運行的。 1982 年 5月我國正式成立了全國性的風能專業(yè)委員會。 1985 年我國成立了“全國風力機械標準化技術(shù)委員會”。 直到 1986 年，在山東榮城建成了我國第一座并網(wǎng)運行的風電場后，從此并網(wǎng)運行的風電場建設進入了探索和示范階段，但其特點是規(guī)模 和單機容量均較小 [9]。 90 年代后，我國從小型風力發(fā)電機組 (國際規(guī)定 l0kW 以下 )的廣泛應用走向大型風力發(fā)電機組的開發(fā)、引進、創(chuàng)新之路，風力發(fā)電進入了擴大建設規(guī)模的階段。 1993年我國風電總裝機容量僅 萬 kW， 1998 年增至 萬 kW， 2021 年達到 萬kW。 2021 年 1 月 1 日 國家頒布《可再生能源法》，倡導鼓勵一些企業(yè)投資風電市場，風電塔筒受力模型分析研究 4 風電建設步伐明顯加快，如圖 11 所示。 2021 年底，全國己建成約 80 個風電場，裝機總?cè)萘窟_到約 260 萬 kW， 比 2021 年新增裝機 100 多萬 kW，增長率超過 100％。截止到 2021 年底，我國風電裝機總?cè)萘窟_到 1 萬 kW，超過全球總裝機的 10％，名列全球第四 [10]。 從單機容量上看，我國自主研制的風力發(fā)電機也逐漸向大型化發(fā)展。 2021 年 11月，國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 2MW 風力發(fā)電機組在渝下線出廠，風機塔筒呈錐型，高達 80 米，最大直徑 6 米，其內(nèi)將安裝一部升降機 [11]。 2021 年 2 月，我國第一臺 2. 5MW 直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組在廣西北海市研制成功，該風力發(fā)電機組的研制填補了國內(nèi)大功率風力發(fā)電機的市場空白，為我國目前能夠生產(chǎn)的最大功率的風力發(fā)電機組 。 圖 11 2021～ 2021年中國風電裝機容量 圖 1． 3 風力發(fā)電機組塔 筒 的 研究現(xiàn)狀 1． 3． 1 風力發(fā)電機組塔 筒 概述 塔 筒 是風力發(fā)電機組中的主要支承裝置，它將風電機與地面聯(lián)接，為水平軸風輪提供需要的高度，而且要承受極限風速產(chǎn)生的載荷。目前常見的塔 筒 有錐筒式、桁架式、混凝土式等幾種形式，現(xiàn)代大型風力發(fā)電機組通常采用錐筒式塔 筒 ，這種形式的塔 筒 一般有若干段 20～ 30m 的錐筒用法蘭聯(lián)接而成，塔 筒 由底向上直徑逐漸減小，蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 5 整體呈圓臺狀，因此也有人稱此類 塔筒 為圓臺式塔 筒 ，這類塔 筒 的優(yōu)點是安全性能好，而且進 行維修時比較方便安全，在國際風電市場上，現(xiàn)代大型風力發(fā)電機組普遍采用的是錐筒式塔 筒 ，本論文正是以這種類型的塔 筒 為研究對象的。 1． 3． 2 風力發(fā)電機組塔筒的研究現(xiàn)狀 近 10 年間，國際上并網(wǎng)型大型水平軸式風力機獲得了相當快速的發(fā)展。目前，丹麥、德國、荷蘭、美國等國家，已擁有了基本成熟的風力發(fā)電技術(shù)。世界最先進水平的丹麥其主流機型的功率已達 ～ 水平，德國 Repower 公司研制出了功率達 的樣機，懸浮磁動風力機發(fā)電裝置初期發(fā)電功率可達 10MW，可全風速、全風向發(fā)電，隨著風機機組單機容量的不 斷增加，與之配套的圓筒型塔筒也向著高聳化方向發(fā)展。與此同時，與提高大型風力機 塔筒 性能有關(guān)的空氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學、微氣象學問題研究受到了廣泛關(guān)注 [12~14]，圖 12 是具有世界先進水平的丹麥 BONUS公司生產(chǎn)的 1MW 風力機結(jié)構(gòu)示意圖，采用的是圓筒型 塔筒 。 1葉片； 2輪轂； 3主軸； 4增速器； 5制動器； 6發(fā)電機； 7塔筒 圖 12 丹麥 BONUS公司生產(chǎn)的 1MW風力發(fā)電機 由于風力機 塔筒 的運行可靠性能是決定風機安全運行的關(guān)鍵要素，故該問題一 直受到廣泛關(guān)注。因風力機是復雜的空氣動力學系統(tǒng)，故即 使發(fā)展到今天，關(guān)于葉輪 (片 )的空氣動力學響應、尾流效應及其對風力機 塔筒 的穩(wěn)定性能影響等問題，仍然是研究風電塔筒受力模型分析研究 6 的熱點問題。英國的 等對風輪的尾流場效應進行了從實驗室到全尺寸實驗測試的對比研究。英國的 Grant 等對一個投入運行的風力機進行了尾流場內(nèi)的動力學實驗和數(shù)值計算分析，介紹了風輪尾流場效應對整個風機機組穩(wěn)定性分析，但沒有具體分析風輪尾流場及 塔筒 尾渦對 塔筒 穩(wěn)定性研究。提高風力機運行穩(wěn)定性問題是研究中的另一核心主 題。當前的研究正在向更深入細致的去考慮多方面影響因素的方向發(fā)展 。如丹麥技術(shù)大學的 等研究了風力機系統(tǒng)的空氣動力學與 塔筒 彈性力學耦 合 問題，提出了一種既考慮空氣動力學影響、又考慮結(jié)構(gòu)動力學干擾的設計模型。希臘的 等研究了一個鋼制 塔筒 對風力機運行可靠性的影響作用，分別對靜態(tài)時、地震時的穩(wěn)定性問題進行了分析，但對風力機 塔筒 的動態(tài)響應研究沒有涉及。土耳其 的 E Kavak Akpinar 等對風能特征、風能特征與風力機動態(tài)響應之間的季節(jié)性變化規(guī)律 ， 進行了全面評估分析。在提高風力機的設計 等 方面，圍繞著提供可靠的動態(tài)設計理論依據(jù)為目的，荷蘭的 Wim Bierbooms 等 提出了一個考慮陣風作用的風能參數(shù)隨機統(tǒng)計模型。愛爾蘭的 等對隨機采樣獲得的風載荷與風力機 塔筒 的動態(tài)耦 合 關(guān)系進行了全面分析。這些研究反映出，柔性地適應風特性變動的設計思想，借助實驗研究完善風力機 塔筒 動態(tài)設計理論建模的方法，已融會貫穿在了風力機的設計中。而通過實驗研究來提高風力機 塔筒 運行性能，是受到普遍關(guān)注的另一種研究方式。在這方面，多年的發(fā)展已使得德國、丹麥、荷蘭、美國、希臘等國家，分別擁有了自己的檢測機構(gòu)，制定了相關(guān)的國際標準，建立了資格認證體系等。圓柱薄殼結(jié)構(gòu)在受壓時，其承載力取決于屈 曲問題，對其屈曲強度的可靠預測一直為人們所極為關(guān)注。 18 世紀中期， Euler 對細長壓桿的穩(wěn)定性作了開創(chuàng)性的研究，形成了彈性結(jié)構(gòu)屈曲的經(jīng)典理論。 191l～ 1934 年間， Lorenz， Southwell， Von Mises， F1252。gge，Schwerin 和 Donnell 等學者將經(jīng)典理論用于分析軸心受壓圓柱殼的屈曲，并得到了軸壓圓柱殼屈曲應力的經(jīng)典解 釋 。 1945 年， Koiter 提出了關(guān)于彈性穩(wěn)定的非線性理論，該理論可以判定分枝點附近平衡路徑的穩(wěn)定性 [15]。研究發(fā)現(xiàn)，軸壓圓柱殼的后屈曲性質(zhì)是不穩(wěn)定的，且很小的幾何 缺陷就會極大地降低其承載力。圓筒型風力機 塔筒 的屈曲分析是研究風力機穩(wěn)定性的基礎工作之一。 國外許多研究機構(gòu)開展了包括彈性葉片和柔性塔筒在內(nèi)的大型風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)動力學分析的方法研究，主要分為兩大類：實驗的方法和計算的方法。實驗方法是對蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 7 葉片和塔筒施加激勵信號，然后通過測量輸入信號和輸出響應的信號，用參數(shù)辨識 [16]的方法對其進行分析，從而得出風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)動力學特性參數(shù)。這是一種對具體風力發(fā)電機直接研究的方法，所以結(jié)果可靠，是最有效的分析方法。但是，對于容量日益增大的大型風力發(fā)電機來說，葉片和塔筒通常都在幾十 米以上，在這種情況下，要安裝和運行滿足實驗條件的設備就有一定困難，而且從風力發(fā)電機設計的角度考慮也不現(xiàn)實。經(jīng)典的計算分析方法是對耦合的運動方程進行數(shù)值積分求解。用這種方法計算往往非常困難，尤其對于多自由度耦合系統(tǒng)，求其解更為復雜。 上述這些研究工作，使得國際上風力機的設計制造，正在朝著更大容量、變槳距、變轉(zhuǎn)速、無齒輪和無刷化的方向快速前進著。專家預測，到 2020 年，新一代風力機必須是更加有效、更加容錯、更低成本 。其性能，則應當是能夠擁有更優(yōu)良的發(fā)電質(zhì)量、更輕質(zhì)量、更長壽命 以及低噪音、低成本、更高的風能轉(zhuǎn)化效 率等。 國內(nèi)風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展與歐洲發(fā)達國家相比，起步較晚。但經(jīng)過 20 年的科技攻關(guān)，在國家有關(guān)部門和地方政府的支持下， 我國的風電 技術(shù)在基礎理論研究、實驗研究、設計制造方面，也取得了相當?shù)倪M展， 風能利用技術(shù)有了很大提高，積累了不少成功的經(jīng)驗。 1995 年， 合 肥工業(yè)大學王永智，陶其斌，周必成研究了風力發(fā)電機塔筒的固有頻率和固有振型，順風向下塔筒的風效應和位移響應，以及由風輪旋轉(zhuǎn)引起的位移響應。給出了計算實例，為風力發(fā)電機塔筒結(jié)構(gòu)動力設計提供了有效方法。 1997年，北京航空航天大學流體力學研究所竇修榮、山東工業(yè)大學黃珊秋 、宋憲耕