【文章內(nèi)容簡介】 [17]分析了大型水平軸風力發(fā)電機塔筒在地面風作用下的受力情況，給出定態(tài)風和非定態(tài)風誘發(fā)的塔筒振動響應的計算方法，對一實際塔筒進行計算和仿真 ， 結(jié)果表明，該計算方法在工程應用中是合理的。 1997 年，山東工業(yè)大學陸萍、黃珊秋、張俊、宋憲耕 [18]討論了水平軸風力發(fā)電機筒形塔筒結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)分析建模和有限單元類型的選取及計算方法，并以 200kW 風力發(fā)電機的六棱錐筒形塔筒為例，計算并給出了靜動態(tài)特性。 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(nèi)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(jié)果表明：以Q235 或 16Mn為材料生產(chǎn)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 。 2021年，山東工業(yè)大學陸萍、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(jié)構(gòu)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(jié)果分析。 2021年，沈陽工業(yè)大學診斷與控制中心周勃、費朝陽、陳長征 [20]利用有限 元分析研究了風力發(fā)電機 塔筒 的動態(tài)特性及影響因素，如結(jié)構(gòu)設計和所受載荷分布特點，確定適合的有限元模型和劃分網(wǎng)格的方法，并驗證分析結(jié)果；根據(jù) 塔筒 靜荷載和風荷載的特點，計算風力發(fā)電機錐筒型 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，為風力發(fā)電機 塔筒 的結(jié)構(gòu)動態(tài)設計提供有效的依據(jù)。 2021 年，天津工業(yè)大學郭威、徐玉秀對離網(wǎng)型風力發(fā)電機模型的 塔筒 振動進行了分析，運用瑞雷法計算其基頻，以有限元模態(tài)分析和試驗測量的方法計 算分析 塔筒 的固有頻率和振型。根據(jù)分析結(jié)果討論有限元建模的合理性，分析引起振動的原因，并依此提出 塔筒較合理的錐形筒結(jié)構(gòu)改進方案。 通過以上介紹，可以看到國內(nèi)在風力發(fā)電機 塔筒 的研究才剛起步，主要集中在中小型風力發(fā)電機 塔筒 的研究上，對超過 800kW 的大型風力發(fā)電機 塔筒 的抗風、抗震、結(jié)構(gòu)體系改良等研究還是空白。具體表現(xiàn)如下： (1)塔筒 結(jié)構(gòu)剖析 在國內(nèi)風電行業(yè)，將有限單元法利用于風力發(fā)電機組 塔筒 的分析計算，雖然已取得了一些成果，但大都是針對于 塔筒 的固有頻率等性能的分析和計算，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。因此有必要對風電 塔筒 結(jié)構(gòu)進行詳盡的解剖分析，得到該種特殊結(jié)構(gòu)的設計控制指標和理論分析方法。 (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(jié)構(gòu)，在風的作用下會產(chǎn)生順風向的變形和振動以及垂直風速方向的橫向振動。結(jié)構(gòu)的變形與振動不但引起 塔筒 附加的應力、影響結(jié)構(gòu)強度，而且還會影響 塔筒 頂端風輪的變形和振動。因此，在風力發(fā)電機設計中必須考慮風誘發(fā)的 塔筒 風振響應問題。 (3)塔筒 抗震研究 地震作用是風力發(fā)電機 塔筒 所受的另一種重要的動力荷載，當今，抗震科學尚處于較低水平，試驗手段 和技術(shù)還不能確切模擬地震對建筑物的破壞作用，因此，有必蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 9 要在充分吸取歷史地震經(jīng)驗和教訓的基礎上，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)，在基本理論、計算方法和構(gòu)造措施等多方面，研究改進風力發(fā)電機 塔筒 結(jié)構(gòu)的抗震設計技術(shù)，以進一步提高此種結(jié)構(gòu)的抗震可靠度。 (4)結(jié)構(gòu)體系改良 目前大型風力發(fā)電機 塔筒 為錐筒形 (或稱圓臺形 )鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型單一，也不能適應我國不同地區(qū)抗風、抗震的具體要求，所以根據(jù)我國國情，結(jié)合工藝專業(yè)進行結(jié)構(gòu)體系的改良十分必要。 上述文獻表明，影響風力機 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。顯然，這些 新發(fā)展對全面提高與促進風力機技術(shù)水平上升到新高度具有積極的促進作用。但對比國內(nèi)外研究與發(fā)展模式間存在著的一些差異、特別是我國在生產(chǎn)制造技術(shù)方面的落后可以看出，關(guān)于風力機 塔筒 振動及穩(wěn)定性的研究仍然是國內(nèi)外風力發(fā)電領域深入進行的研究內(nèi)容之一。 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(jié)構(gòu)的作用顯得非常復雜 。 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(jié)構(gòu)的振動。在過臨界范圍，有可能導致十幾倍甚至幾十倍 于正常風力的效應。在結(jié)構(gòu)體型、剛度和阻尼的一定組合條件下，會發(fā)生風致空氣動力失穩(wěn)，即弛振或顫振 (彎扭耦合 )。一旦發(fā)生氣動力失穩(wěn)有可能導致結(jié)構(gòu)的破壞；另外，塔筒結(jié)構(gòu)的變形和振動，不僅會引起塔筒的附加應力，影響其結(jié)構(gòu)強度，而且還會影響頂端風輪的變形和振動，從而影響其性能。因此設計風力機及其塔筒時，必須分析計算風力引起的塔筒結(jié)構(gòu)動力學的問題。 塔筒結(jié)構(gòu)動力學分析，主要解決兩個方面的問題：一是塔筒結(jié)構(gòu)動力固有特性，即固有頻率和固有振型的分析計算；二是塔筒結(jié)構(gòu)的動力響應分析計算和穩(wěn)定性分析。 一方面塔筒要滿足以上高度 、剛度、強度等要求，另一方面要減輕重量，降低成本。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(zhuǎn)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。 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。由此，塔筒設計的計算分析一般應包括以下幾方面的內(nèi)容： (1)塔筒在極限載荷下的靜強度計算； (2)塔筒的疲勞強度分析； (3)塔筒的振動模態(tài)分析； (4)塔筒的屈曲穩(wěn)定性分析。 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，維護人員進行“風機葉片主梁加強”工作。期間因風大不能正常進入輪轂工作，直到 2021 年 1 月 27 日工作結(jié)束。 28 日 10： 20 分， 維護人員就地啟動風機，到 1 月 31 日 43風機發(fā)出“槳葉 1 快速收槳太慢”等多個報警， 02：27 分發(fā)“振動頻帶 11 的振動值高”報警，并快速停機。 8： 00 風電缺陷管理人員 通知維護負責人 ， 18： 00 維護人員處理缺陷完畢后就地復位并啟機。直到 2 月 1 日 3：18 分，之前 43風機無任何報警信息，發(fā)生了倒塌事件 （ 如圖 1 14）。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(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。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。風力發(fā)電機摔落在地，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。 蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 11 圖 13 機組倒塌全景 圖 14中塔筒下法蘭與焊口間撕裂 風電塔筒受力模型分析研究 12 隨著風力發(fā)電機組逐漸向大型化方向發(fā)展，目前的商品化大型風力發(fā)電機組的單機容量已由 80 年代初期的幾十 kW 發(fā)展到數(shù) MW級水平。而在風力發(fā)電機的運行中，塔 筒 是決定其 安全、可靠運行的關(guān)鍵因素之一。它是風力發(fā)電機組的主要承重結(jié)構(gòu)，尤其是大型風力發(fā)電機組，其高度甚至達到了一百米以上。當風力機運行時，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，當外載荷達到一定的值時，彎矩的增大會導致塔 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)式風力發(fā)電機組，由于其塔頂上方風輪和機艙的質(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；另外，塔 筒 頂端產(chǎn)生過大的位移 (撓度 )，引起機組的激烈振動，最終導致機組不能正常運行，也是影響整機正常工作的因素之一。 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)濟性可行的關(guān)鍵，因此對結(jié)構(gòu)進行動態(tài)分析也是整個設計環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵。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(jié)構(gòu)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)。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 。 1． 5． 2 本文主要研究內(nèi)容及安排 塔筒 是風力發(fā)電機組中的主要支撐裝置，它將風電機與地面連接，為水平軸風輪提供需要的高度，其重要性隨著風力發(fā)電機組容量的增加、高度的增加而愈來愈明顯。在風力發(fā)電機組中 塔筒 的重量占風力發(fā)電機組總重的 1/2 左右，其成本占風力發(fā)電機組制造成本的 15％左右，它是整個風力機組安全運行的基礎，其設計水平將直接影響 風力發(fā)電機的性能 [21]。 塔筒 作為風力發(fā)電機的重要組成部分，一直以引進國外的設計為主，在國內(nèi)投入使用后能否適應我國的地形與風能資源情況，機組運行過程中，能否充分 發(fā)揮其強度、剛度、穩(wěn)定性及自身的各項性能，有必要對其受力、自振特性、穩(wěn)定性進行詳盡的解剖分析，并對各項性能指標進行評價，如果各項指標距離控制指標均有較大的富余度，則可以考慮對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。綜上 所述，以現(xiàn)代大型風力發(fā)電機組普遍采用的錐筒型塔筒為研究對象， 對“ 風電塔筒受力模型 ” 進行初步探討，以便于為 塔筒 的設計和結(jié)構(gòu)改良奠定基礎。 蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 13 以 風電機組為原型， 建立 塔筒 的力學模型， 分析其在工況以及極限載荷等變工況下的受力情況，以實現(xiàn)對風力發(fā)電機 塔筒 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。具體內(nèi)容如下： 第 一 章對本研究課題的選題 背景 及 其科學意義進行了闡述。通過對國內(nèi)外研究與發(fā)展狀況的歸納分析，提出了本論文的研究內(nèi)容并簡述了主要研究目的。 第二章建立風電機組塔筒受力模型，使塔筒的整體結(jié)構(gòu)得到簡化，為下章塔筒的受力分析奠定基礎。同時也對材料的屬性及本構(gòu)關(guān)系作了具體的闡述。 第 三 章探討了風力機 塔筒 在工況、極限載荷等變工況下的受力情況，驗證 塔筒 在各種載荷情況下的最大應力是否超出材料的許用應力，是否滿足靜強度要求 。同時，通過塔筒坐標系，對風電機組塔筒的受力進行了具體分析。 第四章對風電機組塔筒進行屈曲分析，采用特征值方法來分析塔筒的穩(wěn)定性問題。 第五 章以 塔筒 壁厚為設計變量， 塔筒 質(zhì)量為目標函數(shù)，塔底應力、塔頂變形、一階固有頻率與一階屈曲因子的控制指標為約束條件對該 塔筒 的優(yōu)化設計進行了初步探討。 第 六 章對全文 的分析與 研究進行了總結(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。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(guān)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(jié)果的精確性。建立模型時以 風力發(fā)電機組塔筒為例，作如下簡化 (簡化后的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示 )： 圖 21 塔筒結(jié)構(gòu)簡化圖 蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 15 （ 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） 風輪與機艙簡化為作用在塔筒上方的偏心質(zhì)量塊，保證其重心與實際結(jié)構(gòu)的重心重合。 2． 2 材料屬性 根據(jù)水平軸風力發(fā)電機塔筒的主要幾何特征與力學特性，在保證計算精度的情況下， 塔筒筒身材料為 Q345 鋼，其力學性能參數(shù)為：密度 103kg/m3，彈性模量1011Pa，泊松比 ， 熱膨脹系數(shù) 105℃，屈服強度 105kN/m2，抗拉強度 105kN/m2。機艙與風輪的簡化質(zhì)量塊密度為 103kg/m3，與塔筒相比可視為剛體。 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力一應變關(guān)系，目前國內(nèi)外對鋼材的應力一應變關(guān)系研究成果比較成熟，本文為了計算上的方便與合理，采用由 4 段直線構(gòu)成的鋼材應力 — 應變關(guān)系曲線 [22,23]，如圖 22 所示。圖中σ為鋼材的應力，ε為鋼材應變， fy 為鋼材的屈服強度， fu 為鋼材的極限強度。 風電塔筒受力模型分析研究 16 圖 22 鋼材應力 — 應變曲線 彈性階段 (oa)： σ =Eyε ， 0ε ε 1 屈服段 (ab)： σ =fy， ε 1ε ε 2， ε 2=10ε 1 強化段 (bc)： σ = fy +Ey/[150(ε 1ε 2)]， ε 2ε ε 3 二次塑流段 (cd)： σ =fu， ε 3ε ， ε 3=100ε ， Ey=206 000MPa 蘭州理工大學本科畢業(yè)論文 17 第三章 塔筒的受力分析 塔筒是風力發(fā)電機的主要支撐結(jié)構(gòu)。它不僅要有一定的高度，使風力發(fā)電機在較為理