【正文】 在本文中 塔筒 壁厚 必須取為整數(shù)。 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。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) 。在結(jié)構(gòu)的失效形態(tài) 中，屈曲是其中的一種。 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)。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。 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。 )s i n4(s i n41 222 yrxr CCaa ???? ??? ??? c ossin41 39。 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。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。 ww zszk ???? ① w1的求解 作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓力： w=ρ v12/2=132/2=(N/m2)， 由 w=μ zw1[26]得： w1=w/μ z=② wk’ 的求解 將各系數(shù)代入 (312)得： wk’ (0)=， wk’ (6)； ， wk’ (12)=， wk’ (18)=, wk’ (24)=， wk’ (30)=， wk’ (36)=， wk’ (42)=， wk’ (48)=， wk’ (54)=, wk’ (60)a ， wk’ ()=． ③ Pk的求解 根據(jù)風(fēng)壓力 Pk= wk’ 179。 在額定風(fēng)速 13m/s(約 6級(jí) )的風(fēng)荷載下，作用于風(fēng)輪上的風(fēng)荷載為： )(191)30( 222 kNSVCF Pu ?????? ? 2)切出風(fēng)速工況下作用于風(fēng)輪上的風(fēng)荷載 在切出風(fēng)速 25m／ s的風(fēng)荷載下，同樣采用 (35)計(jì)算作用于風(fēng)輪上的風(fēng)荷載： )(7 0 7)30( 222 kNSVCF Pu ?????? ? 3)抗最大風(fēng)速工況下作用于風(fēng)輪上的風(fēng)荷載 在抗最大風(fēng)速工況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)早已停止工作，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速為零，此時(shí)作用在風(fēng)輪上的風(fēng)壓力采用 1984 年丹麥風(fēng)電專家彼得森到福建講學(xué)時(shí)的推薦公式 [28]： BACvF btx m ax221 ?? (34) (35) (36) (37) (38) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 20 式中： ρ 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在風(fēng)電場(chǎng)的空氣密度； Vmax為葉片的抗最 大風(fēng)速； Ct為推力系數(shù)，通常取 Ct=； Ab為風(fēng)輪的投影面積； B 為風(fēng)輪葉片的數(shù)目。 根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB500092021)查得風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)μ z()=，則風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓ω z=179。它不僅要有一定的高度，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在較為理想的位 置上運(yùn)轉(zhuǎn)；而且還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證在臺(tái)風(fēng)或者暴風(fēng)襲擊時(shí)不會(huì)使整機(jī)傾倒，其設(shè)計(jì)水平將直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作性能和可靠性。 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 14 第二章 塔筒受力模型的建立 2． 1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒除塔筒本身外，還有一些其他的附屬設(shè)備，如平臺(tái)、爬梯、門洞等。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展?fàn)顩r的歸納分析，提出了本論文的研究?jī)?nèi)容并簡(jiǎn)述了主要研究目的。通過對(duì)塔 筒 進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，可以計(jì)算出在各種載荷情況下塔 筒 的結(jié)構(gòu)是否滿足穩(wěn)定性的要求，并為設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供必要的依據(jù)。風(fēng)機(jī)倒塌現(xiàn)場(chǎng)情況為： 43塔筒從中、下段法蘭連接處折斷倒塌，主機(jī)隨同塔筒上段和中段朝著主導(dǎo)風(fēng)向北偏西 60 度方向，扭曲旋轉(zhuǎn)約 180 度后倒在大致為北偏西 15 度方向，法蘭盤脖頸距端部 12mm 處撕裂近三分之二（連接螺栓 83 孔），三分之一螺栓斷裂（ 42條），中塔筒下法蘭約三分之一撕裂隨中塔筒倒下。因此，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的塔筒大都設(shè)計(jì)為柔性塔，對(duì)于柔性塔，其一階固有頻率一般在葉輪旋轉(zhuǎn)頻率的 1～ 3 倍之間，所以在設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮塔筒與葉輪是否風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 10 會(huì)發(fā)生共振。 1． 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的設(shè)計(jì) 由于自然界的風(fēng)在時(shí)間和空間上具有多變性，使得風(fēng)對(duì)風(fēng)力機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)的作用顯得非常復(fù)雜 。 (2)塔筒 抗風(fēng)研究 大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 多為細(xì)長(zhǎng)的圓柱狀結(jié)構(gòu)，在風(fēng)的作用下會(huì)產(chǎn)生順風(fēng)向的變形和振動(dòng)以及垂直風(fēng)速方向的橫向振動(dòng)。 2021 年，山東工業(yè)大學(xué)黃珊秋 、 陸萍對(duì)由美國(guó)引進(jìn)的 ZOND Z40 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 和國(guó)內(nèi)自己設(shè)計(jì)的 塔筒 的固有振 動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算，通過模態(tài)分析，結(jié)果表明：以Q235 或 16Mn為材料生產(chǎn)的 ZOND Z40 風(fēng)力機(jī) 塔筒 可以替代由美國(guó)進(jìn)口的 A36 為材料的 塔筒 ，并且以 Q235 作為材料的 塔筒 ，其固有振動(dòng)特性更接近進(jìn)口的 塔筒 。專家預(yù)測(cè)，到 2020 年，新一代風(fēng)力機(jī)必須是更加有效、更加容錯(cuò)、更低成本 。圓筒型風(fēng)力機(jī) 塔筒 的屈曲分析是研究風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)工作之一。而通過實(shí)驗(yàn)研究來提高風(fēng)力機(jī) 塔筒 運(yùn)行性能，是受到普遍關(guān)注的另一種研究方式。提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性問題是研究中的另一核心主 題。 1． 3． 2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的研究現(xiàn)狀 近 10 年間，國(guó)際上并網(wǎng)型大型水平軸式風(fēng)力機(jī)獲得了相當(dāng)快速的發(fā)展。 2021 年 1 月 1 日 國(guó)家頒布《可再生能源法》，倡導(dǎo)鼓勵(lì)一些企業(yè)投資風(fēng)電市場(chǎng)，風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 4 風(fēng)電建設(shè)步伐明顯加快，如圖 11 所示。世界風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，到 2020 年，風(fēng)電裝機(jī)容量會(huì)達(dá)到 12 億 kW，年發(fā)電量相 當(dāng)于屆時(shí)世界電力需求的 12％ [8]。 50~60 年代，西歐各國(guó)也相繼開始研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，到 60 年代末，德蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 3 國(guó)成功地使用了復(fù)合材料葉片，為復(fù)合材料用于制作大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片奠定了基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電 [5,6]具有建設(shè)周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活、不消耗燃料、運(yùn)行不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)優(yōu)先采用。世界各國(guó)研制的風(fēng)力發(fā)電 機(jī) [2,3]的形態(tài)和種類很多，按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率大小分類：可分為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) (功率小于 l0kW)、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī) (功率在 10～ 100kW 之間 )和大型風(fēng)力發(fā)電機(jī) (功率 大于 l00kW)；按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪軸方向分類：可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) (風(fēng)輪軸與水平面平行或接近于平行 )和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) (風(fēng)輪軸垂直于水平面 )。人類早在遠(yuǎn)古時(shí)代便開始利用風(fēng)力，但發(fā)展緩慢。 本文 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組錐筒型 塔筒 為研究對(duì)象，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組錐筒型 塔筒 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在塔筒坐標(biāo)系中計(jì)算塔筒所受的主要載荷，對(duì) 塔筒 進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力與屈曲分析，然后以 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。 研究表明：對(duì) 塔筒 進(jìn)行受力與屈曲分析應(yīng)重點(diǎn)考慮切出風(fēng)速工況的影響；門洞對(duì) 塔筒 基底應(yīng)力、塔頂位移以及固有頻率的影響很小，而對(duì)發(fā)生失穩(wěn)破壞的影響較大，因而在進(jìn)行 塔筒 屈曲分析時(shí)不能忽略門洞的影響；優(yōu) 化后節(jié)約鋼材量可觀，該類型 塔筒 有進(jìn)一步研究的和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要。 20 世紀(jì) 80 年代以來，世界風(fēng)電裝機(jī)容量迅猛增長(zhǎng)。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要求較低，有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，是目前技術(shù)最成風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 2 熟、生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的不斷增大，機(jī)組單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，以及海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的起步，世界上很多國(guó)家對(duì)風(fēng)電的開發(fā)都給予了高度重視及政策激勵(lì) [7]。 1973 年出現(xiàn)世界石油危機(jī)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(yán)重，風(fēng)力發(fā)電作為可再生的清潔能源受到越來越多的重視。 1． 2． 2 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó) 20 世紀(jì) 50 年代中期開始研制風(fēng)力發(fā)電裝置，其后就處于停滯狀態(tài)。 2021 年底，全國(guó)己建成約 80 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到約 260 萬 kW， 比 2021 年新增裝機(jī) 100 多萬 kW，增長(zhǎng)率超過 100％。目前，丹麥、德國(guó)、荷蘭、美國(guó)等國(guó)家，已擁有了基本成熟的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。當(dāng)前的研究正在向更深入細(xì)致的去考慮多方面影響因素的方向發(fā)展 。在這方面，多年的發(fā)展已使得德國(guó)、丹麥、荷蘭、美國(guó)、希臘等國(guó)家，分別擁有了自己的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，制定了相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，建立了資格認(rèn)證體系等。 國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)開展了包括彈性葉片和柔性塔筒在內(nèi)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的方法研究，主要分為兩大類：實(shí)驗(yàn)的方法和計(jì)算的方法。其性能，則應(yīng)當(dāng)是能夠擁有更優(yōu)良的發(fā)電質(zhì)量、更輕質(zhì)量、更長(zhǎng)壽命 以及低噪音、低成本、更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效 率等。 2021年，山東工業(yè)大學(xué)陸萍、秦惠芳、欒芝云 [19]將有限元技術(shù)與模態(tài)理論相結(jié)合，在有限風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 8 元軟件的基礎(chǔ)上研制了一套用于風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析程序系統(tǒng)，討論了模型建立、荷載施加、邊界條件和模態(tài)參數(shù)的計(jì)算，并給出了應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析。結(jié)構(gòu)的變形與振動(dòng)不但引起 塔筒 附加的應(yīng)力、影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且還會(huì)影響 塔筒 頂端風(fēng)輪的變形和振動(dòng)。 在空間上要考慮風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)壓沿塔筒高度的變化；在時(shí)間上由于風(fēng)速的脈動(dòng)以及隨風(fēng)頻脫落的渦系等，會(huì)引起塔筒結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。 基于塔筒以上特點(diǎn)及性能要求，在對(duì)塔筒進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮的幾點(diǎn)因素有：塔筒的靜強(qiáng)度、屈曲、振動(dòng)模態(tài)及疲勞等幾個(gè)方面。塔筒中段、上段、風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂順勢(shì)平鋪在地面上，塔筒上段在中間部分發(fā)生扭曲變形。本文將以兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)力機(jī)塔筒進(jìn) 行 建模 計(jì)算 。 第二章建立風(fēng)電機(jī)組塔筒受力模型，使塔筒的整體結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，為下章塔筒的受力分析奠定基礎(chǔ)。分析計(jì)算時(shí)， 塔筒 幾何模型簡(jiǎn)化的原則是在保證計(jì)算精度的前提下，對(duì)一些與所研究塔筒強(qiáng)度、自振特性、穩(wěn)定性沒有重要作用或者承受載荷情況并不關(guān)鍵的部位作簡(jiǎn)化，這樣既 減輕了建模的工作量，又不會(huì)影響分析結(jié)果的精確性。為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，提高塔筒自身的可靠性，在設(shè)計(jì)塔筒結(jié)構(gòu)時(shí)必須充分考慮塔筒的應(yīng)力和變形，因而塔筒的受力分析是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要的工作。 =。 作用于風(fēng)輪上的風(fēng)壓力為： )(3113)( 23m a x2 kNBACvF btx ??????????? ?? (2)作用于塔筒上的風(fēng)壓力 作用在塔筒上的風(fēng)壓力通過《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB500092021)中采用的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值公式確定，因此垂直于高聳結(jié)構(gòu)表面上單位面積的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為： 0ww zszk ???? 式中： wk為作用在高聳結(jié)構(gòu) z高度處單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值； β z為 z 高度處的風(fēng)振系數(shù)； μ s為風(fēng)荷載體型系 數(shù)； μ z為 z 高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)； w0為基本風(fēng)壓。 S， 求得各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓力，其中 S 為錐簡(jiǎn)型 塔筒 的投影面積： (211) 3(312) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 22 Pk (60)=, Pk (54)=， Pk(48)=， Pk(42)=， Pk (36)=， Pk (30)=， Pk(24)=， Pk(18)=， Pk (12)=， Pk (6)=， Pk(0)=． 2)切出風(fēng)速工況下作用于塔筒上的風(fēng)壓力 ① w1的求解 作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓力： w=ρ v2/2=179。本文采用的極限風(fēng)速值為 50m/s。塔筒主要承受空氣的氣動(dòng)推力，葉輪質(zhì)量不平衡而引起的偏轉(zhuǎn)力，垂直力和轉(zhuǎn)矩、風(fēng)速分布不均勻而引起的俯仰力矩、重力引起的彎矩。 yrCaa ?? 為了確定風(fēng)輪完整的性能特性，比如說風(fēng)能利用系數(shù)在很寬的葉尖速比范圍內(nèi)變化的方式，需要 由（ 323） 反復(fù)迭代計(jì)算。 表 31 塔筒材料的物理、力學(xué)性能 材料名稱 牌號(hào) 密度（ kg/m3） σs(MPa) σb(MPa) 普通碳素 結(jié)構(gòu)鋼 Q235 7850 235 375~450 表 32 原型風(fēng)機(jī)塔筒參數(shù) 額定 功率 (MW) 塔筒 高度 (m) 塔底基圓直徑 (m) 塔頂基圓直徑 (m) 最大抵抗風(fēng)速 (m/s) 機(jī)艙風(fēng)輪重量 (t) 風(fēng)輪 直徑 (m) 風(fēng)輪掃略面積 (m2) 額定 風(fēng)速 (m/s) 82 60 91 77 4657 13 選取三種典型的風(fēng)荷載工況：額定風(fēng)速工況、切出風(fēng)速工況及抗最大風(fēng)速工況，對(duì)其進(jìn)行受力分析。此類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)相應(yīng)的荷載稱為屈曲荷載。每一組“特征值 — 特征向量 稱為結(jié)構(gòu)的一個(gè)屈曲模式， 利用計(jì)算機(jī) 程序按照找到這些模式的順序從數(shù)字 1 到 n 為各模式命名。對(duì)于受壓結(jié)構(gòu)，隨著壓力的增大，結(jié)構(gòu)抵抗橫向變形的能力會(huì)下降，當(dāng)載荷達(dá)到某一水平，結(jié)構(gòu)的總體剛度趨于零，喪失穩(wěn)定性，此時(shí)若出現(xiàn)橫向的撓動(dòng)，結(jié)構(gòu)即會(huì)發(fā)生屈曲破壞。 (49) (410)(411) (412) 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 33 第五章 塔筒的優(yōu)化設(shè)