【正文】 電機(jī)組中的主要支撐裝置，它將風(fēng)電機(jī)與地面連接，為水平軸風(fēng)輪提供需要的高度，其重要性隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增加、高度的增加而愈來(lái)愈明顯。塔筒作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，一直以引進(jìn)國(guó)外的設(shè)計(jì)為主，在國(guó)內(nèi)投入使用后能否適應(yīng)我國(guó)的地形與風(fēng)能資源情況，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，能否充分發(fā)揮其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及自身的各項(xiàng)性能，有必要對(duì)其受力、自振特性、穩(wěn)定性進(jìn)行詳盡的解剖分析，并對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果各項(xiàng)指標(biāo)距離控制指標(biāo)均有較大的富余度，則可以考慮對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以 風(fēng)電機(jī)組為原型，建立塔筒的力學(xué)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(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展?fàn)顩r的歸納分析，提出了本論文的研究?jī)?nèi)容并簡(jiǎn)述了主要研究目的。同時(shí)也對(duì)材料的屬性及本構(gòu)關(guān)系作了具體的闡述。同時(shí)，通過(guò)塔筒坐標(biāo)系，對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒的受力進(jìn)行了具體分析。第五章以塔筒壁厚為設(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(duì)該塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文13第二章 塔筒受力模型的建立2．1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒除塔筒本身外，還有一些其他的附屬設(shè)備，如平臺(tái)、爬梯、門(mén)洞等。建立模型時(shí)以 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒為例，作如下簡(jiǎn)化(簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示)：風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 14 圖 21 塔筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖（1）塔筒簡(jiǎn)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(mén)洞的影響；（2）由于爬梯、休息平臺(tái)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(fēng)輪與機(jī)艙簡(jiǎn)化為作用在塔筒上方的偏心質(zhì)量塊，保證其重心與實(shí)際結(jié)構(gòu)的重心重合。機(jī)艙與風(fēng)輪的簡(jiǎn)化質(zhì)量塊密度為 103kg/m3，與塔筒相比可視為剛體。圖中 σ 為鋼材的應(yīng)力，ε為鋼材應(yīng)變，f y 為鋼材的屈服強(qiáng)度，f u 為鋼材的極限強(qiáng)度。它不僅要有一定的高度，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在較為理想的位置上運(yùn)轉(zhuǎn)；而且還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證在臺(tái)風(fēng)或者暴風(fēng)襲擊時(shí)不會(huì)使整機(jī)傾倒，其設(shè)計(jì)水平將直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作性能和可靠性。現(xiàn)對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行受力分析。該地區(qū) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其它主要技術(shù)參數(shù)：風(fēng)輪質(zhì)量(含輪轂)10 4kg，機(jī)艙質(zhì)量 104kg，休息平臺(tái)厚度 ，葉片長(zhǎng)度 30m，葉片最寬處寬度 ，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 ，切入風(fēng)速 ，額定風(fēng)速13m/s，切出風(fēng)速 25m/s，抗最大風(fēng)速 50m/s。在某地區(qū) 50 年一遇極限風(fēng)荷載情況下，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB500092022)[25]中的全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖及附近地區(qū)規(guī)定，基本風(fēng)壓取為 ／m 2。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB500092022)查得風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓高度變化系數(shù) μ z()=，則風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓 ω z==。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： )/(0125. ???該風(fēng)電場(chǎng)海拔 1 500m，代入(33)求得該風(fēng)電場(chǎng)空氣密度為 。對(duì)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]。3．1．2 風(fēng)荷載計(jì)算(1)作用在風(fēng)輪上的風(fēng)壓力1)額定風(fēng)速工況下作用于風(fēng)輪上的風(fēng)荷載根據(jù)有關(guān)資料介紹 [27]，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，作用在風(fēng)輪掃風(fēng)面積上的軸向推力用下列公式計(jì)算： SVCFpu2?式中：C p為風(fēng)能利用系數(shù)，一般取 ；V 為風(fēng)速；S 為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積。作用于風(fēng)輪上的風(fēng)壓力為： )(31)( kNBACvFbtx ????????(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(guò)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB500092022)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： 0wzsk???式中：w k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。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》(GB500092022)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 。經(jīng)過(guò)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。即：39。50 年一遇陣風(fēng)的量級(jí)取決于陣風(fēng)的持續(xù)的時(shí)間，它是基于載荷面積的大小。然而 IEC614001 和 GL準(zhǔn) 則 [29]指出，50 年一遇陣風(fēng)值定義為 50 年一遇陣風(fēng) 10min 平均值(“參考風(fēng)速”)的 倍。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。適當(dāng)?shù)摩?指數(shù)值隨表面的粗糙值 z0的增加而增加，地方等級(jí)的典型值為 。國(guó)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： ?)(0HV?(313)蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文23式中：V 0一高度為 H0 (通常取為離地面 10m)處觀測(cè)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)。3．3 在塔筒坐標(biāo)系中各載荷的計(jì)算塔筒坐標(biāo)系建立在塔筒與機(jī)艙連接面處，主要用來(lái)描述塔筒所承受的作用力。塔筒的受力分析簡(jiǎn)圖如 33所示。(2)作用在葉片上的脈動(dòng)力 FM 212)(39VR?????其中：V 1一風(fēng)輪頂部風(fēng)速；V2一風(fēng)輪底部風(fēng)速。(4)由風(fēng)輪和機(jī)艙引起的俯仰力矩： hGMF???)(121其中：h 一偏心距離。 )sin4(sin4122yrxr Ca??????coi39。 rarUrCNcWd ?????? 239。)1(4???如果在確定氣流誘導(dǎo)因子排除阻力或部分阻力，那么當(dāng)用葉素的作用力計(jì)算阻力產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩時(shí)，就必須考慮阻力或部分阻力的影響，結(jié)合（325）： rCNcWrDLd????? )cossin(21)cossin( 1???(317)(318)(319)(320)(321)(322)(323)(324)(325)風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 26 可以得出（326）： rCNcWrarUQd??????? )cossin(21)(4 139。39。3．4 塔筒受力分析實(shí)例在進(jìn)行塔筒受力分析計(jì)算時(shí)，為更確切地研究塔筒的受力問(wèn)題，本文依據(jù) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的數(shù)據(jù)進(jìn)行受力分析，材料的物理、力學(xué)性能如表 31 所示，其原型數(shù)據(jù)參數(shù)如表 32 所示。計(jì)算結(jié)果如表 334 所示：(327)(326)蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文27表 33作用于塔筒上的風(fēng)壓力(kN)塔筒高度（m） 額定風(fēng)速工況 切出風(fēng)速工況 抗最大風(fēng)速工況0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 表 34 其他載荷計(jì)算結(jié)果不同工況下所受載荷 額定風(fēng)速工況 切出風(fēng)速工況 抗最大風(fēng)速工況風(fēng)輪上的風(fēng)壓力（kN ）191 707 311空氣的推動(dòng)力（kN） 葉片上的脈動(dòng)力（kN ） 沿塔筒高度方向壓力（kN ）910 910 910由風(fēng)輪和機(jī)艙引起的俯仰力矩（kNm） 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 28 通過(guò)在額定風(fēng)速、切出風(fēng)速與抗最大風(fēng)速工況下進(jìn)行塔筒的受力分析，可知在切出風(fēng)速工況下對(duì)塔筒的受力與穩(wěn)定性影響最大。當(dāng)塔筒在外荷載的作用下發(fā)生變形時(shí)，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，發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。穩(wěn)定問(wèn)題一般分為兩類，第一類是理想化的情況，即達(dá)到某種荷載時(shí)，除結(jié)構(gòu)原來(lái)的平衡狀態(tài)存在外，還可能出現(xiàn)第二個(gè)平衡狀態(tài)，所以又稱平衡分岔失穩(wěn)或分支點(diǎn)失穩(wěn)，在數(shù)學(xué)處理上是求解特征值問(wèn)題，故又稱特征值屈曲。第二類是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，變形迅速增大，而不會(huì)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)。此外，還有一種跳躍失穩(wěn) [30]，當(dāng)荷載達(dá)到某值時(shí)，結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)發(fā)生一個(gè)明顯的跳躍，由于在跳躍時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，所以可歸入第二類失穩(wěn)。4．1．2 特征值求解方法通過(guò)對(duì)特征方程的求解，可以確定結(jié)構(gòu)屈曲時(shí)的極限荷載和破壞形態(tài)。求解特征方程，得到特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，用以確定屈曲荷載及其對(duì)應(yīng)的變形形態(tài)。特征值 λ 稱為屈曲因子，它必須乘以 r 中的荷載才能引起屈曲，即屈曲荷載為屈曲因子與給定荷載的乘積。屈曲因子也可以為負(fù)值，這說(shuō)明當(dāng)荷載反向時(shí)會(huì)發(fā)生屈曲。λ 越大，則說(shuō)明結(jié)構(gòu)的安全性越好。在結(jié)構(gòu)的失效形態(tài)中，屈曲是其中的一種。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(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(duì)塔筒造成的影響更加突出，對(duì)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)。本文對(duì)塔筒進(jìn)行屈曲分析計(jì)算時(shí)，就是采用特征值方法來(lái)分析塔筒穩(wěn)定性問(wèn)題的。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)樗渤惺茱L(fēng)輪、機(jī)艙以及自身的重量。因此，工況下的屈曲安全系數(shù)是判斷塔筒屈曲強(qiáng)度的依據(jù)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的一個(gè)重要領(lǐng)域，它已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門(mén) [36～38] 。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只是被動(dòng)的分析，沒(méi)有主動(dòng)的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，沒(méi)有體現(xiàn)真正的設(shè)計(jì)含義。塔筒是風(fēng)力機(jī)的主要部件，是風(fēng)力機(jī)的主要受力部件之一。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(jià)以及其安全性能。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(duì)該塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。根據(jù)本文所研究錐筒型塔筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)有：塔筒高度、塔頂直徑、塔底直徑與塔筒壁厚等。在此取塔筒的分段壁厚為設(shè)計(jì)變量。在本文中塔筒壁厚必須取為整數(shù)。本文對(duì)塔筒進(jìn)行優(yōu)化的目的在于降低成本，減輕塔筒重量，因此以塔筒質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，高 62m，底部直徑 ，頂部直徑 ，材料為Q345，重 ，底部的壁厚為 ，頂部的壁厚為 。對(duì)優(yōu)化后結(jié)果取整后得到，塔筒的塔底壁厚 18mm，塔頂?shù)谋诤駷?8mm，塔筒的體積為 。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)的對(duì)比，如表 51 所示。如表 52。最后以這些指標(biāo)為約束條件，塔筒壁厚為設(shè)計(jì)變量，塔筒質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)該塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。為風(fēng)電機(jī)組的載荷設(shè)計(jì)計(jì)算提供了依據(jù)。（3）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，塔筒上應(yīng)力分布并不是均勻一致的，而是隨著高度的不同其應(yīng)力狀況有所變化，這主要是因?yàn)椴煌叨忍幩驳暮?jiǎn)徑、厚度不同，造成塔筒隨高度不同而變化的強(qiáng)度分布。門(mén)洞對(duì)塔筒基底應(yīng)力、塔頂位移以及固有頻率的影響很小，而對(duì)發(fā)生失穩(wěn)破壞的影響較大，因而在進(jìn)行塔筒屈曲分析時(shí)不能忽略門(mén)洞的影響。因此，對(duì)風(fēng)力機(jī)特別是水平軸風(fēng)力機(jī)的研究必將長(zhǎng)期持續(xù)下去。因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的分析上提出以下建議，以便為后續(xù)工作的順利開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。其中，研究塔筒對(duì)地震載風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 38 荷、尾流場(chǎng)效應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)律，應(yīng)是當(dāng)前研究的首要問(wèn)題之一。（3）機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于風(fēng)速風(fēng)向是不斷變化的，塔筒的受載既有周期性又有隨機(jī)性的特點(diǎn)，將來(lái)還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。建筑電氣，2022，28(3)：82—85．［7］許振華．世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及遠(yuǎn)景[J]．發(fā)電設(shè)備，2022，(6)：4753．［8］周燕莉．風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．甘肅科技，2022，24(3)：9—11．［9］尹超．淺談我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景[J]．山東電力高等?？茖W(xué)校校報(bào)，2022，12(1)：7476．［10］傅光云．車多路少：風(fēng)電發(fā)展遭遇瓶頸[N]．國(guó)際金融報(bào)，2022．3．17(8)．［11］關(guān)媛媛．國(guó)內(nèi)最大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在渝研制成功[N]．重慶日?qǐng)?bào)，2022．11．18．［12］李德源，葉枝全．風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析[J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2022，26(4)：473481［13］陳嚴(yán)，歐陽(yáng)高飛．變轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)模型與隨機(jī)載荷下的動(dòng)態(tài)分析[J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2022，25(6)：723727［14］Kishinami and experimental study on the aerodynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine [J]． Energy， 2022， 30(1112)：2089—2100［15］錢(qián)翼謖．空氣動(dòng)力學(xué)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022．2［16］，M．Ahsanu