【正文】 一步提高此種結(jié)構(gòu)的抗震可靠度。在結(jié)構(gòu)體型、剛度和阻尼的一定組合條件下，會(huì)發(fā)生風(fēng)致空氣動(dòng)力失穩(wěn)，即弛振或顫振 (彎扭耦合 )。 1． 5 本研究的意義及研究主要內(nèi)容 1． 5． 1 研究意義 2021 年 1 月 20 日，維護(hù)人員進(jìn)行“風(fēng)機(jī)葉片主梁加強(qiáng)”工作。 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 圖 13 機(jī)組倒塌全景 圖 14中塔筒下法蘭與焊口間撕裂 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 12 隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸向大型化方向發(fā)展，目前的商品化大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量已由 80 年代初期的幾十 kW 發(fā)展到數(shù) MW級水平。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中 塔筒 的重量占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總重的 1/2 左右，其成本占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造成本的 15％左右，它是整個(gè)風(fēng)力機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)水平將直接影響 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能 [21]。 第 三 章探討了風(fēng)力機(jī) 塔筒 在工況、極限載荷等變工況下的受力情況，驗(yàn)證 塔筒 在各種載荷情況下的最大應(yīng)力是否超出材料的許用應(yīng)力，是否滿足靜強(qiáng)度要求 。 2． 2 材料屬性 根據(jù)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的主要幾何特征與力學(xué)特性，在保證計(jì)算精度的情況下， 塔筒筒身材料為 Q345 鋼，其力學(xué)性能參數(shù)為：密度 103kg/m3，彈性模量1011Pa，泊松比 ， 熱膨脹系數(shù) 105℃，屈服強(qiáng)度 105kN/m2，抗拉強(qiáng)度 105kN/m2。 該 風(fēng)電場基本數(shù)據(jù)： 該風(fēng)電場位于丘陵地帶，海拔 1500m，平均氣壓為 830hPa，風(fēng)速高，風(fēng)力大，年平均風(fēng)日 70 天，年最大風(fēng)日 123 天，年平均風(fēng)速 ，最大風(fēng)速 28m/s， 10 分鐘平均最大風(fēng)速達(dá) 26m/s， 70m處的年平均風(fēng)速為 。 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： )/(0 0 1 2 30 0 0 mte z??? 該 風(fēng)電場海拔 1 500m，代入 (33)求得該風(fēng)電場空氣密度為 。 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》 (GB500092021)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 。 S，求得各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓力，其中 S 為錐筒型 塔筒 的投影面積： Pk(60)=， Pk(54)=， Pk(48)=， Pk(42)=, Pk(36)=， Pk(30)=， Pk(24)=， Pk(18)=， Pk(12)=， Pk(6)=， Pk (0)=. 3)抗最大風(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。在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組時(shí)，通常將風(fēng)速理論上的對數(shù)分布 U(z)∝ n(z/z0)近似為 U(z)∝ (z/zref)α 。 (314) 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 25 圖 33 塔筒受力分析簡圖 下面分別進(jìn)行計(jì)算： （ 1）空氣推動(dòng)力： 軸向推力 Fr 2294 VRFr ??? 其中： ρ 一空氣的密度； R一風(fēng)輪半徑； V一風(fēng)力機(jī)輪轂處的風(fēng)速。12 )1()(4)c oss i n(21 ???? ? 可以得到展向長度為 δ r 的葉素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： rraarUQ ???? 239。 m） 由梯度風(fēng)引起的俯仰力矩 （ kN178。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)相應(yīng)的荷載稱為極限荷載。也可以將 λ視為安 全系數(shù)：如果屈曲因子大于 1，給定的荷載必須增大以引起屈曲；如果它小于 1，給定荷載必須減小以防止屈曲。 計(jì)算 塔筒 的穩(wěn)定性可以采用 線性穩(wěn)定性分析和非線性穩(wěn)定性分析 兩種計(jì)算方法，但是非線性穩(wěn)定性分析方法求解過程復(fù)雜，對計(jì)算設(shè)備的水平要求較高，而線性的特蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 31 征值分析方法具有求解效率高，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算中可以采用選取較大安全系數(shù)來彌補(bǔ)計(jì)算誤差，工程計(jì)算中可以采取這種方法。 機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，一般包括：產(chǎn)品的市場調(diào)查、產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、零件圖繪制等環(huán)節(jié)。 5． 2 優(yōu)化設(shè)計(jì)要素 (1)設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)變量是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可調(diào)整的設(shè)計(jì)參數(shù)。 5． 3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 圖 51 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 假定塔筒各段壁厚范圍 選取代表尺寸組合進(jìn)行計(jì)算 重新定義 壁厚范圍 所有尺寸組合指標(biāo)校核 選出符合條件最優(yōu)組合 結(jié)束 均滿足約束條件 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 35 5． 4 優(yōu)化 設(shè)計(jì)實(shí)例 本文采用塔筒的壁厚為設(shè)計(jì)變量，以材料的許用應(yīng)力為約束，以塔筒的體積為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終可以得到圓筒型塔筒壁厚的最優(yōu)值。 塔筒 高度主要取決于風(fēng)電場的地形特點(diǎn)、風(fēng)資源特點(diǎn)、安裝條件與單機(jī)容量等因素；塔風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 34 部分滿足 約束條件 頂直 徑需參考機(jī)艙的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)；塔底直徑主要受過橋限高、限寬的限制 。目前在風(fēng)電機(jī)組 塔筒 的設(shè)計(jì)中，多是參照其它同類產(chǎn)品的尺寸或經(jīng)驗(yàn)類比進(jìn)行估算，然后進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的計(jì)算，檢驗(yàn)性能是否達(dá) 到要求，這種方法誤差較大，往往得到的都不是最優(yōu)的尺寸，有改進(jìn)提高的余地。 4． 2． 2 塔筒 屈曲分析計(jì)算 屈曲強(qiáng)度的分析可以用下列公式 進(jìn)行計(jì)算 [32～ 35]： 由軸向力和彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力 σ ad， σ bd為： RtNdad ?? 2? tRMdbd 2?? ? 簡化系數(shù) ε 為： TRa ??? ab ?? ?? bdadbdbada ?? ????? ??? 根據(jù)彈性力學(xué)理論，臨界壓應(yīng)力為 ： )1(3 2vtRE del ??? 相應(yīng)的局部屈曲細(xì)長比為： elyda f??? ? 根據(jù)彈性力學(xué)理論 ，懸臂梁的歐拉力為： 23241HtREN del??? 相應(yīng)的全局穩(wěn)定性細(xì)長比為： (42) (44) (43) (45) (46) (47) (48) (49) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 32 RtNelCRr???2? 塔筒中心半徑： 2Rk? 最后的結(jié)果必須滿足下列不等式： crdddel eld tR eNMNN NRtN ??? ????? 22 其中： Nd設(shè)計(jì)軸向力； Md設(shè)計(jì)彎矩； R塔筒 半徑； t塔壁厚度； H塔筒 高度； Ed設(shè)計(jì)彈性模量； ν 泊松比； fyd設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度。 根據(jù)特征值求解方法，屈曲因子 (安全系數(shù) ) λ 大于 1 時(shí)，表明結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)；小于 1 時(shí)，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞。 比較以上結(jié)構(gòu)失穩(wěn)兩種類型的計(jì)算方法，第二類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析方法求解過程復(fù)雜，對計(jì)算設(shè)備的水平要求較高，而第一類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的特征值分析方法具有求解效率高，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，工程計(jì)算中普遍采用這種方法。 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 29 第四章 塔筒的屈曲分析 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 是一種典型的高雞腿啞鈴式結(jié)構(gòu)。 ????? ? 因此，整個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩 Q為： })]1()1(8[{21 0 39。 (315) (316) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 26 ? (3)沿 塔筒 高度方向壓力大?。? 21 GGF ??? 其中： G1一風(fēng)輪重力； G2一機(jī)艙重力。風(fēng)速沿鉛垂高度的變化，在近地面附近，由于受到地面植被、建筑物等影響，風(fēng)速會(huì)隨著高度的降低而降低。 S，求得各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓力，其中 S 為錐筒型 塔筒 的投影面積 Pk(60)=， Pk(54)=, Pk(48)=, Pk(42)=， Pk(36)=， Pk(30)=, Pk(24)=， Pk(18)=, Pk(12)=, Pk(6)=， Pk(0)=． 3． 2 塔筒所受主要載荷 3． 2． 1 極限載荷 極限載荷是基于 50年一遇的 3s 極限暴風(fēng)，并且機(jī)組是在非運(yùn)行狀態(tài)條件下計(jì)算出來的。 經(jīng)過計(jì)算求得各點(diǎn)風(fēng)振系數(shù)為： β z(0)=1， β z(6)=， β z(12)=， β z(18)=， β z(24)=， β z(30)=， β z(36)=, β z(42)=， β z(48)=， β z(54)=， β z(60)=， β z()=． 1)額定風(fēng)速工況下作用于塔筒上的風(fēng)壓力 在額定風(fēng)速工況下，即作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)速為 v=13m/s。 對于風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 為代表的高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是主要的控制荷載 [26]。 3． 1 各工況下風(fēng)荷載計(jì)算 3． 1． 1 確定分析工況 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過程中，當(dāng)風(fēng)速 V 大于切入風(fēng)速 Vq時(shí)，發(fā)電機(jī)有功率輸出，但是小于額定功率 P0；當(dāng)風(fēng)速 V 等于額定風(fēng)速 V0時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出額定功率 P0；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速 V0 時(shí)，從理論上講將維持功率恒定，但實(shí)際中通常有些下降 [24]，如圖 31 所示；當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速 Vc時(shí)，為安全起見，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將停止工作。 2． 3 材料的本構(gòu)關(guān)系 本構(gòu)關(guān)系是指結(jié)構(gòu)在受力過程中材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，目前國內(nèi)外對鋼材的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系研究成果比較成熟，本文為了計(jì)算上的方便與合理，采用由 4 段直線構(gòu)成的鋼材應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系曲線 [22,23]，如圖 22 所示。 第四章對風(fēng)電機(jī)組塔筒進(jìn)行屈曲分析，采用特征值方法來分析塔筒的穩(wěn)定性問題。綜上 所述，以現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用的錐筒型塔筒為研究對象， 對“ 風(fēng)電塔筒受力模型 ” 進(jìn)行初步探討，以便于為 塔筒 的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改良奠定基礎(chǔ)。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要承重結(jié)構(gòu)，尤其是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其高度甚至達(dá)到了一百米以上。 28 日 10： 20 分， 維護(hù)人員就地啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，到 1 月 31 日 43風(fēng)機(jī)發(fā)出“槳葉 1 快速收槳太慢”等多個(gè)報(bào)警， 02：27 分發(fā)“振動(dòng)頻帶 11 的振動(dòng)值高”報(bào)警，并快速停機(jī)。因此設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)及其塔筒時(shí)，必須分析計(jì)算風(fēng)力引起的塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的問題。 上述文獻(xiàn)表明，影響風(fēng)力機(jī) 塔筒 質(zhì)量的多方面問題幾乎同步地吸引著國內(nèi)外研究者的關(guān)注與投入。 通過以上介紹，可以看到國內(nèi)在風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 的研究才剛起步，主要集中在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 的研究上，對超過 800kW 的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 的抗風(fēng)、抗震、結(jié)構(gòu)體系改良等研究還是空白。給出了計(jì)算實(shí)例，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)提供了有效方法。經(jīng)典的計(jì)算分析方法是對耦合的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值積分求解。gge，Schwerin 和 Donnell 等學(xué)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(yīng)力的經(jīng)典解 釋 。在提高風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì) 等 方面，圍繞著提供可靠的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論依據(jù)為目的，荷蘭的 Wim Bierbooms 等 提出了一個(gè)考慮陣風(fēng)作用的風(fēng)能參數(shù)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型。因風(fēng)力機(jī)是復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，故即 使發(fā)展到今天，關(guān)于葉輪 (片 )的空氣動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、尾流效應(yīng)及其對風(fēng)力機(jī) 塔筒 的穩(wěn)定性能影響等問題，仍然是研究風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 6 的熱點(diǎn)問題。 2021 年 2 月，我國第一臺(tái) 2. 5MW 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在廣西北海市研制成功，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制填補(bǔ)了國內(nèi)大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的市場空白，為我國目前能夠生產(chǎn)的最大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 。 直到 1986 年，在山東榮城建成了我國第一座并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場后，從此并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場建設(shè)進(jìn)入了探索和示范階段，但其特點(diǎn)是規(guī)模 和單機(jī)容量均較小 [9]。 2021 年，德國建造了當(dāng)時(shí)世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī) —— 新動(dòng)力 5 兆，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長 米，塔筒高 120 米，機(jī)艙自帶起重設(shè)備，可在風(fēng)速為 ~25m/s 范圍內(nèi)安全運(yùn)行，由控制中心負(fù)責(zé)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控 。 1． 2． 1 世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r 人類利用風(fēng)能的歷史可追溯到中世紀(jì)甚至更早，最初是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用風(fēng)車提水、碾米、磨面 、 借風(fēng)帆為船助航等。本課題通過對塔筒受力模型進(jìn)行分析 研究，為 塔筒 的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。振動(dòng)帶來的疲勞會(huì)降低材料的強(qiáng)度，縮短整機(jī)的使用壽命。在能源需求量不斷增加和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的雙重壓力下，以保護(hù)為目的的新能源研究為能源利用領(lǐng)域開創(chuàng)了新天地。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 i 目 錄 第一章 緒論 ....................................................... 1 1． 1 選題背景 ........................................................ 1 1． 2 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r .........................