【正文】 tower to carry on further research and the optimization design．Key Words：Tower，Horizontal axis wind turbines，Stress analysis，Buckling factor，Optimization design風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 0 第一章 緒論1．1 選題背景能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，能源問題作為關(guān)系到世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生存環(huán)境的重大問題正日益受到世界各國的廣泛關(guān)注。而作為一種主要的可再生能源，風(fēng)能的開發(fā)和利用在新能源研究中一直被廣泛關(guān)注 [1]。21 世紀(jì)是高效、清潔和安全利用新能源的時(shí)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(lǐng)域給予關(guān)注。所以，對(duì)于塔筒的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析，是風(fēng)力機(jī)研究工作的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。塔筒是支撐機(jī)艙及風(fēng)力機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)，它將風(fēng)力機(jī)與地面連接，為風(fēng)輪提供必要的工作高度，通過基礎(chǔ)將風(fēng)力機(jī)各部件的荷載傳至地面。1．2 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r由于化學(xué)燃料的日益枯竭和人類對(duì)環(huán)境惡化的倍加關(guān)注，從上世紀(jì)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(jì)社會(huì)進(jìn)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。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織的《風(fēng)力 12：關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量 12％的藍(lán)圖》正是基于此而出臺(tái)的。19 世紀(jì)末，丹麥科技人員開始研究風(fēng)力發(fā)電，為風(fēng)能的利用開辟了更為廣闊的前景。經(jīng)過 10 余年的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)同趨成熟，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和可靠性。輸出功率為 5MW，年發(fā)電量可達(dá) 1 700 萬 kWh。60 年代開始小批量生產(chǎn)，70 年代末，在世界能源危機(jī)的影響下，我國風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，主要是小型風(fēng)能發(fā)電機(jī)，其風(fēng)電設(shè)備都是獨(dú)立運(yùn)行的。90 年代后，我國從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(國際規(guī)定 l0kW 以下)的廣泛應(yīng)用走向大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開發(fā)、引進(jìn)、創(chuàng)新之路，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模的階段。截止到 2022 年底，我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到 1 萬 kW，超過全球總裝機(jī)的 10％，名列全球第四 [10]。圖 11 2022～2022 年中國風(fēng)電裝機(jī)容量圖1．3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的研究現(xiàn)狀1．3．1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒概述塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的主要支承裝置，它將風(fēng)電機(jī)與地面聯(lián)接，為水平軸風(fēng)輪提供需要的高度，而且要承受極限風(fēng)速產(chǎn)生的載荷。世界最先進(jìn)水平的丹麥其主流機(jī)型的功率已達(dá) ～ 水平，德國 Repower 公司研制出了功率達(dá) 的樣機(jī)，懸浮磁動(dòng)風(fēng)力機(jī)發(fā)電裝置初期發(fā)電功率可達(dá) 10MW，可全風(fēng)速、全風(fēng)向發(fā)電，隨著風(fēng)機(jī)機(jī)組單機(jī)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。英國的 等對(duì)風(fēng)輪的尾流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了從實(shí)驗(yàn)室到全尺寸實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比研究。如丹麥技術(shù)大學(xué)的 等研究了風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)與塔筒彈性力學(xué)耦合問題，提出了一種既考慮空氣動(dòng)力學(xué)影響、又考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)干擾的設(shè)計(jì)模型。愛爾蘭的 等對(duì)隨機(jī)采樣獲得的風(fēng)載荷與風(fēng)力機(jī)塔筒的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系進(jìn)行了全面分析。圓柱薄殼結(jié)構(gòu)在受壓時(shí)，其承載力取決于屈曲問題，對(duì)其屈曲強(qiáng)度的可靠預(yù)測(cè)一直為人們所極為關(guān)注。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(diǎn)附近平衡路徑的穩(wěn)定性 [15]。實(shí)驗(yàn)方法是對(duì)葉片和塔筒施加激勵(lì)信號(hào)，然后通過測(cè)量輸入信號(hào)和輸出響應(yīng)的信號(hào)，用參數(shù)辨識(shí) [16]的方法對(duì)其進(jìn)行分析，從而得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)。用這種方法計(jì)算往往非常困難，尤其對(duì)于多自由度耦合系統(tǒng)，求其解更為復(fù)雜。國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展與歐洲發(fā)達(dá)國家相比，起步較晚。1997 年，北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所竇修榮、山東工業(yè)大學(xué)黃珊秋、宋憲耕[17]分析了大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒在地面風(fēng)作用下的受力情況，給出定態(tài)風(fēng)和非定態(tài)風(fēng)誘發(fā)的塔筒振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算方法，對(duì)一實(shí)際塔筒進(jìn)行計(jì)算和仿真，結(jié)果表明，該計(jì)算方法在工程應(yīng)用中是合理的。2022 年，沈陽工業(yè)大學(xué)診斷與控制中心周勃、費(fèi)朝陽、陳長征 [20]利用有限元分析研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的動(dòng)態(tài)特性及影響因素，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所受載荷分布特點(diǎn)，確定適合的有限元模型和劃分網(wǎng)格的方法，并驗(yàn)證分析結(jié)果；根據(jù)塔筒靜荷載和風(fēng)荷載的特點(diǎn)，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)錐筒型塔筒的固有頻率，并分析塔筒產(chǎn)生共振的可能性；研究了三種有意義的振動(dòng)模態(tài)：側(cè)向彎曲模態(tài)、前后彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)，通過塔筒的振型曲線分析塔筒的動(dòng)態(tài)性能，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。具體表現(xiàn)如下：(1)塔筒結(jié)構(gòu)剖析在國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)，將有限單元法利用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的分析計(jì)算，雖然已取得了一些成果，但大都是針對(duì)于塔筒的固有頻率等性能的分析和計(jì)算，其它的方面諸如疲勞、穩(wěn)定性等問題則很少涉及，尚未形成系統(tǒng)的研究結(jié)果。因此，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中必須考慮風(fēng)誘發(fā)的塔筒風(fēng)振響應(yīng)問題。顯然，這些新發(fā)展對(duì)全面提高與促進(jìn)風(fēng)力機(jī)技術(shù)水平上升到新高度具有積極的促進(jìn)作用。在過臨界范圍，有可能導(dǎo)致十幾倍甚至幾十倍于正常風(fēng)力的效應(yīng)。塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，主要解決兩個(gè)方面的問題：一是塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力固有特性，即固有頻率和固有振型的分析計(jì)算；二是塔筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算和穩(wěn)定性分蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文9析。由此，塔筒設(shè)計(jì)的計(jì)算分析一般應(yīng)包括以下幾方面的內(nèi)容：(1)塔筒在極限載荷下的靜強(qiáng)度計(jì)算；(2)塔筒的疲勞強(qiáng)度分析；(3)塔筒的振動(dòng)模態(tài)分析；(4)塔筒的屈曲穩(wěn)定性分析。8：00 風(fēng)電缺陷管理人員通知維護(hù)負(fù)責(zé)人，18：00 維護(hù)人員處理缺陷完畢后就地復(fù)位并啟機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)摔落在地，且全部摔碎，齒輪箱與輪轂主軸軸套連接處斷裂，齒輪箱連軸器破碎，風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 10 葉片從邊緣破裂大量填充物散落在地面上。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，塔筒在外載荷的作用下發(fā)生變形和位移，作用在塔頂?shù)妮S向壓力會(huì)產(chǎn)生對(duì)塔筒各截面的彎矩，當(dāng)外載荷達(dá)到一定的值時(shí)，彎矩的增大會(huì)導(dǎo)致塔筒某一截面超出其屈服極限，局部失穩(wěn)，使得塔筒發(fā)生破壞，對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于其塔頂上方風(fēng)輪和機(jī)艙的質(zhì)心位于塔壁以外，由此產(chǎn)生的彎矩對(duì)塔筒造成的影響更加突出；另外，塔筒頂端產(chǎn)生過大的位移(撓度)，引起機(jī)組的激烈振動(dòng)，最終導(dǎo)致機(jī)組不能正常運(yùn)行，也是影響整機(jī)正常工作的因素之一。1．5．2 本文主要研究內(nèi)容及安排塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的主要支撐裝置，它將風(fēng)電機(jī)與地面連接，為水平軸風(fēng)輪提供需要的高度，其重要性隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增加、高度的增加而愈來愈明顯。以 風(fēng)電機(jī)組為原型，建立塔筒的力學(xué)模型，分析其在工況以及極限載荷等變工況下的受力情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)也對(duì)材料的屬性及本構(gòu)關(guān)系作了具體的闡述。第五章以塔筒壁厚為設(shè)計(jì)變量，塔筒質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，塔底應(yīng)力、塔頂變形、一階固有頻率與一階屈曲因子的控制指標(biāo)為約束條件對(duì)該塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。建立模型時(shí)以 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒為例，作如下簡化(簡化后的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示)：風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 14 圖 21 塔筒結(jié)構(gòu)簡化圖（1）塔筒簡化為底部固定、頂端自由的空間薄壁錐筒形結(jié)構(gòu)，并考慮門洞的影響；（2）由于爬梯、休息平臺(tái)主要承受豎向荷載，并且與塔筒之間為軟連接，可將其質(zhì)量附加到塔筒上；（3）風(fēng)輪與機(jī)艙簡化為作用在塔筒上方的偏心質(zhì)量塊，保證其重心與實(shí)際結(jié)構(gòu)的重心重合。圖中 σ 為鋼材的應(yīng)力，ε為鋼材應(yīng)變，f y 為鋼材的屈服強(qiáng)度，f u 為鋼材的極限強(qiáng)度?，F(xiàn)對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行受力分析。在某地區(qū) 50 年一遇極限風(fēng)荷載情況下，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB500092022)[25]中的全國基本風(fēng)壓分布圖及附近地區(qū)規(guī)定，基本風(fēng)壓取為 ／m 2。根據(jù)所在地點(diǎn)的海拔高度 z(m)，可按下述公式近似估算空氣密度： )/(0125. ???該風(fēng)電場(chǎng)海拔 1 500m，代入(33)求得該風(fēng)電場(chǎng)空氣密度為 。3．1．2 風(fēng)荷載計(jì)算(1)作用在風(fēng)輪上的風(fēng)壓力1)額定風(fēng)速工況下作用于風(fēng)輪上的風(fēng)荷載根據(jù)有關(guān)資料介紹 [27]，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，作用在風(fēng)輪掃風(fēng)面積上的軸向推力用下列公式計(jì)算： SVCFpu2?式中：C p為風(fēng)能利用系數(shù)，一般取 ；V 為風(fēng)速；S 為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積。μ z(0)=，μ z(6)=，μ z(12)=，μ z(18)=,μ z(24)=，μ z(30)=，μ z(36)=，μ z(42)=，μ z(48)=，μ z(54)=，μ z(60)=，μ z(62．4)=．b、風(fēng)荷載體型系數(shù) μ s由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB500092022)中圓截面構(gòu)筑物風(fēng)荷載體型系數(shù)表，確定該塔筒的體型系數(shù)為 。即：39。然而 IEC614001 和 GL準(zhǔn) 則 [29]指出，50 年一遇陣風(fēng)值定義為 50 年一遇陣風(fēng) 10min 平均值(“參考風(fēng)速”)的 倍。適當(dāng)?shù)摩?指數(shù)值隨表面的粗糙值 z0的增加而增加，地方等級(jí)的典型值為 。3．3 在塔筒坐標(biāo)系中各載荷的計(jì)算塔筒坐標(biāo)系建立在塔筒與機(jī)艙連接面處，主要用來描述塔筒所承受的作用力。(2)作用在葉片上的脈動(dòng)力 FM 212)(39VR?????其中：V 1一風(fēng)輪頂部風(fēng)速；V2一風(fēng)輪底部風(fēng)速。 )sin4(sin4122yrxr Ca??????coi39。)1(4???如果在確定氣流誘導(dǎo)因子排除阻力或部分阻力，那么當(dāng)用葉素的作用力計(jì)算阻力產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩時(shí)，就必須考慮阻力或部分阻力的影響，結(jié)合（325）： rCNcWrDLd????? )cossin(21)cossin( 1???(317)(318)(319)(320)(321)(322)(323)(324)(325)風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 26 可以得出（326）： rCNcWrarUQd??????? )cossin(21)(4 139。3．4 塔筒受力分析實(shí)例在進(jìn)行塔筒受力分析計(jì)算時(shí)，為更確切地研究塔筒的受力問題，本文依據(jù) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的數(shù)據(jù)進(jìn)行受力分析，材料的物理、力學(xué)性能如表 31 所示，其原型數(shù)據(jù)參數(shù)如表 32 所示。m） 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 28 通過在額定風(fēng)速、切出風(fēng)速與抗最大風(fēng)速工況下進(jìn)行塔筒的受力分析，可知在切出風(fēng)速工況下對(duì)塔筒的受力與穩(wěn)定性影響最大。穩(wěn)定問題一般分為兩類，第一類是理想化的情況，即達(dá)到某種荷載時(shí)，除結(jié)構(gòu)原來的平衡狀態(tài)存在外，還可能出現(xiàn)第二個(gè)平衡狀態(tài)，所以又稱平衡分岔失穩(wěn)或分支點(diǎn)失穩(wěn)，在數(shù)學(xué)處理上是求解特征值問題，故又稱特征值屈曲。此外，還有一種跳躍失穩(wěn) [30]，當(dāng)荷載達(dá)到某值時(shí)，結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)發(fā)生一個(gè)明顯的跳躍，由于在跳躍時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，所以可歸入第二類失穩(wěn)。求解特征方程，得到特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，用以確定屈曲荷載及其對(duì)應(yīng)的變形形態(tài)。屈曲因子也可以為負(fù)值，這說明當(dāng)荷載反向時(shí)會(huì)發(fā)生屈曲。在結(jié)構(gòu)的失效形態(tài)中，屈曲是其中的一種。本文對(duì)塔筒進(jìn)行屈曲分析計(jì)算時(shí)，就是采用特征值方法來分析塔筒穩(wěn)定性問題的。因此，工況下的屈曲安全系數(shù)是判斷塔筒屈曲強(qiáng)度的依據(jù)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只是被動(dòng)的分析，沒有主動(dòng)的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長，沒有體現(xiàn)真正的設(shè)計(jì)含義。塔筒參數(shù)如底部直徑、頂部直徑、各段壁厚等直接決定了塔筒的造價(jià)以及其安全性能。根據(jù)本文所研究錐筒型塔筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)有：塔筒高度、塔頂直徑、塔底直徑與塔筒壁厚等。在本文中塔筒壁厚必須取為整數(shù)。對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，高 62m，底部直徑 ，頂部直徑 ，材料為Q345，重 ，底部的壁厚為 ，頂部的壁厚為 。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)的對(duì)比，如表 51 所示。最后以這些指標(biāo)為約束條件，塔筒壁厚為設(shè)計(jì)變量，塔筒質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)該塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。（3）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，塔筒上應(yīng)力分布并不是均勻一致的，而是隨著高度的不同其應(yīng)力狀況有所變化，這主要是因?yàn)椴煌叨忍幩驳暮啅?、厚度不同，造成塔筒隨高度不同而變化的強(qiáng)度分布。因此，對(duì)風(fēng)力機(jī)特別是水平軸風(fēng)力機(jī)的研究必將長期持續(xù)下去。其中，研究塔筒對(duì)地震載風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 38 荷、尾流場(chǎng)效應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)律，應(yīng)是當(dāng)前研究的首要問題之一。建筑電氣，2022，28(3)：82—85．［7］許振華．世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景[J]．發(fā)電設(shè)備，2022，(6)：4753．［8］周燕莉．風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．甘肅科技，2022，24(3)：9—11．［9］尹超．淺談我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景[J]．山東電力高等?？茖W(xué)校校報(bào)，2022，12(1)：7476．［10］傅光云．車多路少：風(fēng)電發(fā)展遭遇瓶頸[N]．國際金融報(bào)，2022．3．17(8)．［11］關(guān)媛媛．國內(nèi)最大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在渝研制成功[N]．重慶日?qǐng)?bào)，2022．11．18．［12］李德源，葉枝全．風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2022，26(4)：473481［13］陳嚴(yán)，歐陽高飛．變轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)模型與隨機(jī)載荷下的動(dòng)態(tài)分析[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2022，25(6)：723727［14］Kishinami and experimental study on the aerodynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine [J]． Energy， 2022， 30(1112)：2089—2100［15］錢翼謖．空氣動(dòng)力學(xué)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022．2［16］，M．Ahsanu