【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 屈曲強度的依據(jù) 。在結構的失效形態(tài) 中，屈曲是其中的一種。 求解特征方程，得到特征值和對應的特征向量，用以確定屈曲荷載及其對應的變形形態(tài)。穩(wěn)定問題一般分為兩類，第一類是理想化的情況，即達到某種荷載時，除結構原來的平衡狀態(tài)存在外，還可能出現(xiàn)第二個平衡狀態(tài)，所以又稱平衡分岔失穩(wěn)或分支點失穩(wěn)，在數(shù)學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 分析實例 在進行塔 筒受力 分析計算時，為更確切地研究塔 筒 的 受力 問 題，本文 依據(jù) 風力發(fā)電機組 塔 筒的 數(shù)據(jù) 進行受力分析 ，材料的物理、力學性能如表 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 在塔筒坐標系中各載荷的計算 塔筒坐標系建立在塔筒與機艙連接面處，主要用來描述塔筒所承受的作用力。然而 IEC614001 和 GL 準 則 [29]指出， 50 年一遇陣風值定義為 50年 一遇陣風 10min 平均值 (“參考風速” )的 倍。 ww zszk ???? ① w1的求解 作用于風輪中心處的風壓力： 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)風壓力 Pk= wk’ 179。 在額定風速 13m/s(約 6級 )的風荷載下，作用于風輪上的風荷載為： )(191)30( 222 kNSVCF Pu ?????? ? 2)切出風速工況下作用于風輪上的風荷載 在切出風速 25m／ s的風荷載下，同樣采用 (35)計算作用于風輪上的風荷載： )(7 0 7)30( 222 kNSVCF Pu ?????? ? 3)抗最大風速工況下作用于風輪上的風荷載 在抗最大風速工況下，風力發(fā)電機早已停止工作，風輪的轉速為零，此時作用在風輪上的風壓力采用 1984 年丹麥風電專家彼得森到福建講學時的推薦公式 [28]： BACvF btx m ax221 ?? (34) (35) (36) (37) (38) 風電塔筒受力模型分析研究 20 式中： ρ 為風力發(fā)電機所在風電場的空氣密度； Vmax為葉片的抗最 大風速； Ct為推力系數(shù)，通常取 Ct=； Ab為風輪的投影面積； B 為風輪葉片的數(shù)目。 根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》 (GB500092021)查得風輪中心處的風壓高度變化系數(shù)μ z()=，則風輪中心處的風壓ω z=179。它不僅要有一定的高度，使風力發(fā)電機在較為理想的位 置上運轉；而且還應有足夠的強度和剛度，以保證在臺風或者暴風襲擊時不會使整機傾倒，其設計水平將直接影響風力發(fā)電機的工作性能和可靠性。 風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 結構簡化 風力發(fā)電機組塔筒除塔筒本身外，還有一些其他的附屬設備，如平臺、爬梯、門洞等。通過對國內外研究與發(fā)展狀況的歸納分析，提出了本論文的研究內容并簡述了主要研究目的。通過對塔 筒 進行動態(tài)響應分析，可以計算出在各種載荷情況下塔 筒 的結構是否滿足穩(wěn)定性的要求，并為設計和優(yōu)化提供必要的依據(jù)。風機倒塌現(xiàn)場情況為： 43塔筒從中、下段法蘭連接處折斷倒塌，主機隨同塔筒上段和中段朝著主導風向北偏西 60 度方向，扭曲旋轉約 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，目前風力發(fā)電機組中的塔筒大都設計為柔性塔，對于柔性塔，其一階固有頻率一般在葉輪旋轉頻率的 1～ 3 倍之間，所以在設計時還必須考慮塔筒與葉輪是否風電塔筒受力模型分析研究 10 會發(fā)生共振。 1． 4 風力發(fā)電機組塔筒的設計 由于自然界的風在時間和空間上具有多變性，使得風對風力機塔筒結構的作用顯得非常復雜 。 (2)塔筒 抗風研究 大型水平軸風力發(fā)電機 塔筒 多為細長的圓柱狀結構，在風的作用下會產生順風向的變形和振動以及垂直風速方向的橫向振動。 2021 年，山東工業(yè)大學黃珊秋 、 陸萍對由美國引進的 ZOND Z40 風力發(fā)電機 塔筒 和國內自己設計的 塔筒 的固有振 動特性進行了計算，通過模態(tài)分析，結果表明：以Q235 或 16Mn為材料生產的 ZOND Z40 風力機 塔筒 可以替代由美國進口的 A36 為材料的 塔筒 ，并且以 Q235 作為材料的 塔筒 ，其固有振動特性更接近進口的 塔筒 。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 。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。而通過實驗研究來提高風力機 塔筒 運行性能，是受到普遍關注的另一種研究方式。提高風力機運行穩(wěn)定性問題是研究中的另一核心主 題。 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。 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。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]。 50~60 年代，西歐各國也相繼開始研究風力發(fā)電技術，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。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。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 )。人類早在遠古時代便開始利用風力，但發(fā)展緩慢。 本文 風力發(fā)電機組錐筒型 塔筒 為研究對象，對風力發(fā)電機組錐筒型 塔筒 的結構進行簡化，在塔筒坐標系中計算塔筒所受的主要載荷，對 塔筒 進行簡單的受力與屈曲分析，然后以 塔筒 壁厚為設計變量， 塔筒 質量為目標函數(shù)，對該 塔筒 的優(yōu)化設計進行了初步探討。 研究表明：對 塔筒 進行受力與屈曲分析應重點考慮切出風速工況的影響；門洞對 塔筒 基底應力、塔頂位移以及固有頻率的影響很小，而對發(fā)生失穩(wěn)破壞的影響較大，因而在進行 塔筒 屈曲分析時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 有進一步研究的和進行優(yōu)化設計的必要。 20 世紀 80 年代以來，世界風電裝機容量迅猛增長。 水平軸風力發(fā)電機在風輪高速旋轉時對傳動機構要求較低，有較高的風能利用系數(shù)，是目前技術最成風電塔筒受力模型分析研究 2 熟、生產應用最廣泛的一種風力發(fā)電機。 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]。 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。 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)。 2021 年底，全國己建成約 80 個風電場，裝機總容量達到約 260 萬 kW， 比 2021 年新增裝機 100 多萬 kW，增長率超過 100％。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。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 。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，制定了相關的國際標準，建立了資格認證體系等。 國外許多研究機構開展了包括彈性葉片和柔性塔筒在內的大型風力發(fā)電機結構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。其性能，則應當是能夠擁有更優(yōu)良的發(fā)電質量、更輕質量、更長壽命 以及低噪音、低成本、更高的風能轉化效 率等。 2021年，山東工業(yè)大學陸萍、秦惠芳、欒芝云 [19]將有限元技術與模態(tài)理論相結合，在有限風電塔筒受力模型分析研究 8 元軟件的基礎上研制了一套用于風力發(fā)電機 塔筒 結構的動態(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)的計算，并給出了應用實例及結果分析。結構的變形與振動不但引起 塔筒 附加的應力、影響結構強度，而且還會影響 塔筒 頂端風輪的變形和振動。 在空間上要考慮風速、風向和風壓沿塔筒高度的變化；在時間上由于風速的脈動以及隨風頻脫落的渦系等，會引起塔筒結構的振動。 基于塔筒以上特點及性能要求，在對塔筒進行設計時，必須考慮的幾點因素有：塔筒的靜強度、屈曲、振動模態(tài)及疲勞等幾個方面。塔筒中段、上段、風機機艙、輪轂順勢平鋪在地面上，塔筒上段在中間部分發(fā)生扭曲變形。本文將以兆瓦級風力發(fā)電機組為基礎，對風力機塔筒進 行 建模 計算 。 第二章建立風電機組塔筒受力模型，使塔筒的整體結構得到簡化，為下章塔筒的受力分析奠定基礎。分析計算時， 塔筒 幾何模型簡化的原則是在保證計算精度的前提下，對一些與所研究塔筒強度、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鍵的部位作簡化，這樣既 減輕了建模的工作量，又不會影響分析結果的精確性。為了確保風力發(fā)電機組的正常運行，提高塔筒自身的可靠性，在設計塔筒結構時必須充分考慮塔筒的應力和變形，因而塔筒的受力分析是風力發(fā)電機組設計中的一項重要的工作。 =。 作用于風輪上的風壓力為： )(3113)( 23m a x2 kNBACvF btx ??????????? ?? (2)作用于塔筒上的風壓力 作用在塔筒上的風壓力通過《建筑結構荷載規(guī)范》 (GB500092021)中采用的風荷載標準值公式確定，因此垂直于高聳結構表面上單位面積的風荷載標準值為： 0ww zszk ???? 式中： wk為作用在高聳結構 z高度處單位面積上的風荷載標準值； β z為 z 高度處的風振系數(shù)； μ s為風荷載體型系 數(shù)； μ z為 z 高度處的風壓高度變化系數(shù)； w0為基本風壓。 S， 求得各節(jié)點的風壓力，其中 S 為錐簡型 塔筒 的投影面積： (211) 3(312) 風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)切出風速工況下作用于塔筒上的風壓力 ① w1的求解 作用于風輪中心處的風壓力： w=ρ v2/2=179。本文采用的極限風速值為 50m/s。塔筒主要承受空氣的氣動推力，葉輪質量不平衡而引起的偏轉力，垂直力和轉矩、風速分布不均勻而引起的俯仰力矩、重力引起的彎矩。 yrCaa ?? 為了確定風輪完整的性能特性，比如說風能利用系數(shù)在很寬的葉尖速比范圍內變化的方式，需要 由（ 323） 反復迭代計算。 表 31 塔筒材料的物理、力學性能 材料名稱 牌號 密度（ kg/m3） σs(MPa) σb(MPa) 普通碳素 結構鋼 Q235 7850 235 375~450 表 32 原型風機塔筒參數(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) 最大抵抗風速 (m/s) 機艙風輪重量 (t) 風輪 直徑 (m) 風輪掃略面積 (m2) 額定 風速 (m/s) 82 60 91 77 4657 13 選取三種典型的風荷載工況：額定風速工況、切出風速工況及抗最大風速工況，對其進行受力分析。此類結構失穩(wěn)時相應的荷載稱為屈曲荷載。每一組“特征值 — 特征向量 稱為結構的一個屈曲模式， 利用計算機 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。對于受壓結構，隨著壓力的增大，結構抵抗橫向變形的能力會下降，當載荷達到某一水平，結構的總體剛度趨于零，喪失穩(wěn)定性，此時若出現(xiàn)橫向的撓動，結構即會發(fā)生屈曲破壞。 (49) (410)(411) (412) 蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 33 第五章 塔筒的優(yōu)化設