【正文】 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 ／ m2。若采用 (310)，需求得離地 10m 高的風(fēng)速 v1，求得此時風(fēng)壓 w1=ρ v12/2，并用 w1取代 w0。國內(nèi)外大量的文獻(xiàn)已給出并經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí) ，在近地面處，風(fēng)速與高度基本上滿足下列關(guān)系式： ?)(00 HHVV ? 式中： V0一高度為 H0 (通常取為離地面 10m)處觀測到的風(fēng)速值； V 一高度為 H處的風(fēng)速值； α一風(fēng)切變系數(shù)。39。 4． 1． 2 特征值求解方法 通過對特征方程的求解， 可以確定結(jié)構(gòu)屈曲時的極限荷 載和破壞形態(tài)。 4． 3 塔筒 在極限載荷情況下的穩(wěn)定性分析 工況下 塔筒 的屈 曲變形出現(xiàn)在中間部位，主要是 塔筒 承受的彎矩大，而在極限情況下， 塔筒 的屈曲變形多出現(xiàn)在底部，是因?yàn)?塔筒 承受風(fēng)輪、機(jī)艙以及自身的重量。在此取塔筒 的分段壁厚為設(shè)計(jì)變量。 本章以 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)為約束條件對該 塔筒 的優(yōu)化設(shè)計(jì) 進(jìn)行了初步探討。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 塔筒 是一種薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，機(jī)組運(yùn)行時， 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向壓力會產(chǎn)生對 塔筒 各截面的彎矩，當(dāng)外載荷達(dá)到一定的值時，彎矩的增大會導(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，對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于其塔頂上方葉輪和機(jī)艙的質(zhì)心位于塔壁以外，由此產(chǎn)生的彎矩對 塔筒 造成的影響更加突 出，對 塔筒 進(jìn)行屈曲分析，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)。第二類是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時， 變形迅速增大，而不會出現(xiàn)新的變形形式，即平衡狀態(tài)不發(fā)生質(zhì)變，也稱極值點(diǎn)失穩(wěn)。 rraarUrrCCNcW d ??????? 239。 3． 2． 2 風(fēng)切變 風(fēng)速隨高度變化的增加而增加被稱為風(fēng)切變，如圖 32 所示。 a、風(fēng)壓高度變化系數(shù) μ z 該 風(fēng)電場位于丘陵地區(qū)，屬于 B類地面粗糙度類別，風(fēng)壓高度變化系數(shù) μ z由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB500092021)查得。 現(xiàn)對 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行受力分析。同時也對材料的屬性及本構(gòu)關(guān)系作了具體的闡述。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，葉片從邊緣破裂大量填充物散落在地面上。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)。 2021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 的動態(tài)性能，為風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 的結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)方法是對蘭州理工大學(xué)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(yīng)的信號，用參數(shù)辨識 [16]的方法對其進(jìn)行分析，從而得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性參數(shù)。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力學(xué)影響、又考慮結(jié)構(gòu)動力學(xué)干擾的設(shè)計(jì)模型。截止到 2021 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]。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。 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。 關(guān)鍵詞 ：塔筒 ， 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) ， 受力分析 ， 屈曲因子 ， 優(yōu)化設(shè)計(jì) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 II ABSTRACT The tower is a main support equipment of wind turbine． It joins the generator and the ground and provides altitude for the impeller． The design of the structure system has been introduced primarily from the overseas． There is no unification design regulations standard for wind turbine tower at home yet． Along with the maximization of wind turbine tower， the role of the tower’s wind load variability and randomness of the cross will bee more evident，therefore， it is necessary to carry on the exhaustive analysis for the windward electricity tower structure and force ,the analysis is one of the important basic research． The taper cylinder tower of some approved wind generator set of one wind electric plant was taken as the object of study, For the taper cylinder tower, simplify the structure of the tower drum coordinates calculation by tower drum, the main load of simple tower drum of the stress and the buckling analysis and the stress and the flexure analysis to the tower；Finally ,the tower wall thickness and the tower mass as the constraints， the design variable and the objective function． The research indicated： the influence of the cutout wind speed work condition should be the key consideration when carries on the stress and the flexure analysis to the tower； the influence to the tower basis stress， the displacement in the tower top as well as the natural frequency is very small， but the influence to the buckling destroys is big， thus the influence of the door opening cannot be neglected when carries on the tower flexure analysis； After the optimization， it is considerable to save the steel products quantity． There is the necessity for this type tower to carry on further research and the optimization design． Key Words： Tower， Horizontal axis wind turbines， Stress analysis， Buckling factor，Optimization design 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 1 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。 風(fēng)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。 在眾多的可再生能源中，風(fēng)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。 截止到 2021 年底，全世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá) 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。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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(xué)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(diǎn)是安全性能好，而且進(jìn) 行維修時比較方便安全，在國際風(fēng)電市場上，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。這些研究反映出，柔性地適應(yīng)風(fēng)特性變動的設(shè)計(jì)思想，借助實(shí)驗(yàn)研究完善風(fēng)力機(jī) 塔筒 動態(tài)設(shè)計(jì)理論建模的方法，已融會貫穿在了風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中。 上述這些研究工作，使得國際上風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)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(jìn)著。因此有必要對風(fēng)電 塔筒 結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的解剖分析，得到該種特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)和理論分析方法。 一方面塔筒要滿足以上高度 、剛度、強(qiáng)度等要求，另一方面要減輕重量，降低成本。 動態(tài)特性是決定結(jié)構(gòu)是否技術(shù)上合理、安全性可靠和經(jīng)濟(jì)性可行的關(guān)鍵，因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)分析也是整個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵。 第 六 章對全文 的分析與 研究進(jìn)行了總結(jié)與歸納，并對需深入研究的問題提出了作者的見解。 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 18 圖 31 力發(fā)電機(jī)的功率特性曲線 任一地貌任一高度處的風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)地貌 10m高處基本風(fēng)壓存在如下關(guān)系 [26]： 0??? zz ? 式中：ω z為任一地貌任一高度處的風(fēng)壓； μ z為風(fēng)壓高度變化系數(shù)； ω 0為標(biāo)準(zhǔn)地貌 10m 高處的基本風(fēng)壓。即： 139。 (313) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 24 圖 32 風(fēng)速隨高度的非線性變化圖 和 給出地面粗糙度 z0和地面風(fēng)的切變指數(shù)α的關(guān)系為： )( l 200 ??? ZZ? 切變系數(shù)α的變化范圍一般在 到 之間，我國陸上一般取α =,經(jīng)查證已有氣象資料可知，在風(fēng)能資源豐富的甘肅省 西北部，一般取α =。232 ? ??????Rd daCRcNUWaaRUQ ??????? 本文所選的風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速 V=13m/s，風(fēng)輪直徑 D=77m，掃略面積 S=4657m2，將 V、 S 和 D 代入 （ 315）～（ 327） 式 求解風(fēng)力機(jī)塔筒的具體受力情況。 屈曲特征方程 為 [30]： 0)]([ ?? ?? rGK 式中： K 為剛度矩陣； G(r)為荷載向量 r 作用下的幾何 (P— ?)剛度； (41) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 30 λ為特征值對角矩陣； φ 為對應(yīng)的特征向量矩陣。在極限載荷下，風(fēng)力機(jī)要停止工作，以減少風(fēng)機(jī)承受的外載荷．一般情況下，停帆下風(fēng)機(jī)承受的外力是工況下的 40％左右，并且極限載荷下 塔筒 的一階屈曲安全系數(shù)大于工況下的一階屈曲安全系數(shù)。 (2)約束條件 約束條件是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須滿足的限制條件，根據(jù)約束的性質(zhì)可以把它們區(qū)分為性能約束和側(cè)面約束兩類 [40]。 對 塔筒 參數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以在保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，減小 塔筒 重量，進(jìn)而降低成本 [39]。對于受壓結(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，此時若出現(xiàn)橫向的撓動，結(jié)構(gòu)即會發(fā)生屈曲破壞。此類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時相應(yīng)的荷載稱為屈曲荷載。 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。本文采用的極限風(fēng)速值為 50m/s。 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。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)時必