【正文】 raints，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風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 0 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(wèn)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(wèn)題正日益受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的石化能源如煤、石油、天然氣的開(kāi)發(fā)和利用在一定程度上滿(mǎn)足了生產(chǎn)發(fā)展和人們生活的能源需要，但是，對(duì)這些不可再生資源的掠奪性開(kāi)采和過(guò)度利用已經(jīng)在全球范圍內(nèi)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題。而作為一種主要的可再生能源，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用在新能源研究中一直被廣泛關(guān)注 [1]。人類(lèi)早在遠(yuǎn)古時(shí)代便開(kāi)始利用風(fēng)力，但發(fā)展緩慢。21 世紀(jì)是高效、清潔和安全利用新能源的時(shí)代，世界各國(guó)都在做這方面的努力，都在把能源開(kāi)發(fā)利用作為關(guān)鍵科技領(lǐng)域給予關(guān)注。在新能源領(lǐng)域風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟，商品化大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量已由 80 年代初期的幾十千瓦發(fā)展到 1MW 以上，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸向大型化方向發(fā)展，作用在塔筒上的載荷的交變性和隨機(jī)性更為明顯，其本身又是彈性結(jié)構(gòu)，因此塔筒的振動(dòng)是不可避免的。所以，對(duì)于塔筒的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析，是風(fēng)力機(jī)研究工作的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。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(lèi)很多，按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率大小分類(lèi)：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(lèi)：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)。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(guò)基礎(chǔ)將風(fēng)力機(jī)各部件的荷載傳至地面。隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的大型化，有必要對(duì)風(fēng)電塔筒受力進(jìn)行詳盡的分析，為建立我國(guó)自己的設(shè)計(jì)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。1．2 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r由于化學(xué)燃料的日益枯竭和人類(lèi)對(duì)環(huán)境惡化的倍加關(guān)注，從上世紀(jì)七十年代以來(lái)，各國(guó)政府和國(guó)際組織都相繼投入大量的資金用于可再生能源的開(kāi)發(fā)，尋求一條經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步與資源環(huán)境和人口相協(xié)調(diào)的、可持續(xù)發(fā)展的道路。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。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織的《風(fēng)力 12：關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量 12％的藍(lán)圖》正是基于此而出臺(tái)的。近年來(lái)，隨著政府支持力度的加大，中國(guó)風(fēng)電建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的規(guī)模化發(fā)展時(shí)期。19 世紀(jì)末，丹麥科技人員開(kāi)始研究風(fēng)力發(fā)電，為風(fēng)能的利用開(kāi)辟了更為廣闊的前景。 50~60 年代，西歐各國(guó)也相繼開(kāi)始研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，到 60 年代末，風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 2 德國(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)。經(jīng)過(guò) 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。其中新增風(fēng)電裝機(jī)中 90％在歐洲和美國(guó)，主要是在歐洲，約占 75％。輸出功率為 5MW，年發(fā)電量可達(dá) 1 700 萬(wàn) kWh。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]。60 年代開(kāi)始小批量生產(chǎn)，70 年代末，在世界能源危機(jī)的影響下，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，主要是小型風(fēng)能發(fā)電機(jī)，其風(fēng)電設(shè)備都是獨(dú)立運(yùn)行的。1985 年我國(guó)成立了“全國(guó)風(fēng)力機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)” 。90 年代后，我國(guó)從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(國(guó)際規(guī)定 l0kW 以下)的廣泛應(yīng)用走向大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)、引進(jìn)、創(chuàng)新之路，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模的階段。 2022 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)蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文3電市場(chǎng)，風(fēng)電建設(shè)步伐明顯加快，如圖 11 所示。截止到 2022 年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到 1 萬(wàn) kW，超過(guò)全球總裝機(jī)的 10％，名列全球第四 [10]。2022 年11 月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 2MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在渝下線(xiàn)出廠(chǎng)，風(fēng)機(jī)塔筒呈錐型，高達(dá) 80 米，最大直徑 6 米，其內(nèi)將安裝一部升降機(jī) [11]。圖 11 2022～2022 年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量圖1．3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的研究現(xiàn)狀1．3．1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒概述塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的主要支承裝置，它將風(fēng)電機(jī)與地面聯(lián)接，為水平軸風(fēng)輪提供需要的高度，而且要承受極限風(fēng)速產(chǎn)生的載荷。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。世界最先進(jìn)水平的丹麥其主流機(jī)型的功率已達(dá) ～ 水平，德國(guó) Repower 公司研制出了功率達(dá) 的樣機(jī)，懸浮磁動(dòng)風(fēng)力機(jī)發(fā)電裝置初期發(fā)電功率可達(dá) 10MW，可全風(fēng)速、全風(fēng)向發(fā)電，隨著風(fēng)機(jī)機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，與之配套的圓筒型塔筒也向著高聳化方向發(fā)展。1葉片；2輪轂；3主軸；4增速器；5制動(dòng)器；6發(fā)電機(jī)；7塔筒圖 12 丹麥 BONUS公司生產(chǎn)的 1MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于風(fēng)力機(jī)塔筒的運(yùn)行可靠性能是決定風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵要素，故該問(wèn)題一直受到廣泛關(guān)注。英國(guó)的 等對(duì)風(fēng)輪的尾流場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了從實(shí)驗(yàn)室到全尺寸實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比研究。提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題是研究中的另一核心主題。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(dòng)力學(xué)與塔筒彈性力學(xué)耦合問(wèn)題，提出了一種既考慮空氣動(dòng)力學(xué)影響、又考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)干擾的設(shè)計(jì)模型。土耳其的 E Kavak Akpinar 等對(duì)風(fēng)能特征、風(fēng)能特征與風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的季節(jié)性變化規(guī)律，進(jìn)行了全面評(píng)估分析。愛(ài)爾蘭的 等對(duì)隨機(jī)采樣獲得的風(fēng)載荷與風(fēng)力機(jī)塔筒的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系進(jìn)行了全面分析。而通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)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。圓柱薄殼結(jié)構(gòu)在受壓時(shí)，其承載力取決于屈曲問(wèn)題，對(duì)其屈曲強(qiáng)度的可靠預(yù)測(cè)一直為人們所極為關(guān)注。191l～1934 年間，Lorenz，Southwell，Von Mises，F(xiàn)1 252。1945 年，Koiter 提出了關(guān)于彈性穩(wěn)定的非線(xiàn)性理論，該理論可以判定分枝點(diǎn)附近平衡路徑的穩(wěn)定性 [15]。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。實(shí)驗(yàn)方法是對(duì)葉片和塔筒施加激勵(lì)信號(hào)，然后通過(guò)測(cè)量輸入信號(hào)和輸出響應(yīng)的信號(hào)，用參數(shù)辨識(shí) [16]的方法對(duì)其進(jìn)行分析，從而得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)。但是，對(duì)于容量日益增大的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，葉片和塔筒通常都在幾十米以上，在這種情況下，要安裝和運(yùn)行滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)備就有一定困難，而且從風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的角度考慮也不現(xiàn)實(shí)。用這種方法計(jì)算往往非常困難，尤其對(duì)于多自由度耦合系統(tǒng)，求其解更為復(fù)雜。專(zhuān)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。國(guó)內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展與歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家相比，起步較晚。1995 年，合肥工業(yè)大學(xué)王永智，陶其斌，周必成研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的固有頻率和固有振型，順風(fēng)向下塔筒的風(fēng)效應(yīng)和位移響應(yīng)，以及由風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)引起的位移響應(yīng)。1997 年，北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所竇修榮、山東工業(yè)大學(xué)黃珊秋、宋憲耕[17]分析了大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒在地面風(fēng)作用下的受力情況，給出定態(tài)風(fēng)和非定態(tài)風(fēng)誘發(fā)的塔筒振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算方法，對(duì)一實(shí)際塔筒進(jìn)行計(jì)算和仿真，結(jié)果表明，該計(jì)算方法在工程應(yīng)用中是合理的。2022 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(guò)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)蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文7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。2022 年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)診斷與控制中心周勃、費(fèi)朝陽(yáng)、陳長(zhǎng)征 [20]利用有限元分析研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的動(dòng)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(dòng)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(guò)塔筒的振型曲線(xiàn)分析塔筒的動(dòng)態(tài)性能，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。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(dòng)的原因，并依此提出塔筒較合理的錐形筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。具體表現(xiàn)如下：(1)塔筒結(jié)構(gòu)剖析在國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)，將有限單元法利用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的分析計(jì)算，雖然已取得了一些成果，但大都是針對(duì)于塔筒的固有頻率等性能的分析和計(jì)算，其它的方面諸如疲勞、穩(wěn)定性等問(wèn)題則很少涉及，尚未形成系統(tǒng)的研究結(jié)果。(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)。因此，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中必須考慮風(fēng)誘發(fā)的塔筒風(fēng)振響應(yīng)問(wèn)題。(4)結(jié)構(gòu)體系改良目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒為錐筒形(或稱(chēng)圓臺(tái)形)鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類(lèi)型單一，也不能適應(yīng)我國(guó)不同地區(qū)抗風(fēng)、抗震的具體要求，所以根據(jù)我國(guó)國(guó)情，結(jié)合工藝專(zhuān)業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的改良十分必要。顯然，這些新發(fā)展對(duì)全面提高與促進(jìn)風(fēng)力機(jī)技術(shù)水平上升到新高度具有積極的促進(jìn)作用。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。在過(guò)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)。一旦發(fā)生氣動(dòng)力失穩(wěn)有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞；另外，塔筒結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)，不僅會(huì)引起塔筒的附加應(yīng)力，影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且還會(huì)影響頂端風(fēng)輪的變形和振動(dòng)，從而影響其性能。塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力固有特性，即固有頻率和固有振型的分析計(jì)算；二是塔筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算和穩(wěn)定性分蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文9析。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會(huì)發(fā)生共振。由此，塔筒設(shè)計(jì)的計(jì)算分析一般應(yīng)包括以下幾方面的內(nèi)容：(1)塔筒在極限載荷下的靜強(qiáng)度計(jì)算；(2)塔筒的疲勞強(qiáng)度分析；(3)塔筒的振動(dòng)模態(tài)分析；(4)塔筒的屈曲穩(wěn)定性分析。期間因風(fēng)大不能正常進(jìn)入輪轂工作，直到 2022 年 1 月 27 日工作結(jié)束。8：00 風(fēng)電缺陷管理人員通知維護(hù)負(fù)責(zé)人，18：00 維護(hù)人員處理缺陷完畢后就地復(fù)位并啟機(jī)。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(pán)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。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，風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 10 葉片從邊緣破裂大量填充物散落在地面上。而在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行中，塔筒是決定其安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(huì)產(chǎn)生對(duì)塔筒各截面的彎矩，當(dāng)外載荷達(dá)到一定的值時(shí)，彎矩的增大會(huì)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(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于其塔頂上方風(fēng)輪和機(jī)艙的質(zhì)心位于塔壁以外，由此產(chǎn)生的彎矩對(duì)塔筒造成的影響更加突出；另外，塔筒頂端產(chǎn)生過(guò)大的位移(撓度)，引起機(jī)組的激烈振動(dòng)，最終導(dǎo)致機(jī)組不能正常運(yùn)行，也是影響整機(jī)正常工作的因素之一。通過(guò)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(mǎn)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)。1．5．2 本文主要研究?jī)?nèi)容及安排塔筒是風(fēng)力發(fā)