风力发电机塔架减振装置及其设计.docx

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摘要

随全球经济社会的发展壮大，能源消费相应地也在不断增长。

发展绿色能源在长期的能源战略中，已成为全球的一个共识。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的青睐。

从全球范围来看，面对世界风电快速发展的新形势，美国和欧盟的大多数国家已经把风电作为发展新能源的首选，我国的新增机组装机容量中，风电机组装机容量也开始超过水电。

海上风电也在如火如荼的发展，是风电领域新的发展方向，越来越受到世界各国的关注。

随着我国首批16个国家能源研发中心成立，这将对2020年的减排目标的实现，改变以往的能源消费格局和保障国家能源安全都具有重大意义。

风电领域在节能减排、增加就业和确保能源安全等方面的取得的成就逐渐被世人所接受，世界风电今后还会朝着快速稳定的方向发展。

随着风能市场的不断扩大，风力发电机的应用越来越频繁，在使用的过程中也暴露出一些问题（如螺栓松动，塔架倒塌等），这些问题制约着人们对风能的开发利用，也阻碍了节能减排、低碳环保能源战略目标的实现。

风电装备属于高架设施，长期处于在露天环境中，具有自身结构的特殊性，而且受到工作环境的限制，不能像对待其他高架设施一样，简单的通过给它外加拉索或是设置加固措施的方式实现自身的减振，故对于风机的安全运行的研究具有非常现实的意义。

本文结合风力发电的发展背景，分析了现阶段风能的应用现状和风电在全世界的发展情况，以及风力发电机在应用时存在的一些问题。

从风机的结构和工作情况出发，分析了风机产生振动的机理。

同时给出了国内外对于风机减振研究的一些动向和技术措施，根据唐德尧教授的专利文件提出的一种风力发电机减振装置的设计方法为依据，建立塔架系统的数学模型。

通过对机械系统和电子系统进行等效类比，运用电子仿真软件TINA对系统进行仿真比较，提出一种可以减小塔架振动的方案，再用机械仿真的方法，在CAD软件UG中对方案进行建模处理，通过对模型进行动力学分析与有限元分析，得到理想的设计参数。

最后进行优化设计，出等效缩尺模型设计图，根据设计图纸进行机加工，然后对塔架及其减振装置实验分析，验证方案中装置的减振效果。

关键词：

风机；电子仿真软件TINA;等效类比；有限元分析；动力学分析

Abstract

Alongwiththecountry'seconomicgrowthandsocialprogress,theenergyconsumptionisbeingsustainedgrowth.Therefore,thedevelopmentofgreenenergyhasbecomeaglobalagreement,Inthelong-termenergystrategy,windpowerisconsiderofcleanandrenewableenergywhichmoreandmoreattentionsarebeingpaidbycountriesallovertheworld.Globallyspeaking,withthesituationthattherapiddevelopmentofwindpower,theUnitedStatesandmostcountriesofEuropeanUnionhaveputforwardthatTakingthedevelopmentofwindpowerasapreferredinusingnewenergy.InChina,theinstalledwindcapacityofwindpowerhasexceedtheinstalledwindcapacityofhydropower,now.Theoffshorewindpowerwhichisconsiderasthedirectionofdevelopmentinwindmarketispaymoreattentionintheworld.Alongwithchinahasestablished16nationalenergyR&Dcenters,itwillsignificanceforchangingourenergyconsumptionpatternandensuringourenergysafety,italsogoodforrealizingthereductiontargetsin2O2O.Theconceptthatwindturbinescouldincreasingemployment,reducingtheemissionandintheaspectsofkeepingenergy-savinghasbeenacceptedgradually.Thefutureofwindwillbemorefastandmorehealthy.

Someproblems（e.g.,towercollapsed,boltedloosenessetc）hasbeenexposedintheprocessofuse,withtheexpansionofwindmarketandthewindgeneratorsweremorefrequentlyusedinourcountry.Itrestrictsthedevelopmentofourenergytargetinreducetheemission,lowcarbonandenvironmentprotection.Thewindpowerequipmentiselevatedfacilitieswhichhaveitsspecialstructure,anditisrestrictbyitsworkingcondition.Wecan'treducethevibrationbymeasuresthatgivingitthereinforcementorsettingdampingduetotheyaredifferentwithotherelevatedfacilities.Itisverysignificancethatresearchonthesafeoperationofwindpower.

Thispaperiscombinedwiththebackgroundofwindpowerdevelopment,weanalyzethesituationofwindpowerapplicationandtheprogressthatinwindpowerintheworld,aswellassomeproblemsinapplicationofwind.Itisstartingfromthestructureofwindpoweraswellasitsworkingcondition.Tellyouthemechanismofvibration.Atthesametime,theresearchonreducingthevibrationofthewindpowerhasbeenputforward,accordingtopatentdocument"ANewMethodOfReducingTheVibrationInWindTurbineDesign",whichprofessorTangproposed,themathematicmodelofthetowersystemwasestablished.Thenitproposeaschemethatcouldreducedthetowervibration,byusingtheelectronicsimulationsoftwareTINA,accordingtotheequivalentanalogybetweenthemechanicalsystemsandelectronicsystems,next,wegotthemodelingbyCADsoftwareUGsoftwareformthescheme,andwegotthedesignparametersbythedynamicsanalysisandfemanalysis,andthenRenderingdrawings.Finally,doexperimentsonthedevicewhichdesignbyusandmadeinthefactory,andwhetherthedevicehaveagoodeffectonvibrationornot.

Keywords：

WindTurbine;TheelectronicsimulationsoftwareTINA;

Theequivalentanalogy;FemAnalysis;DynamicsAnalysis

第1章绪论 1

1.1风力发电机减振研究的背景与意义 1

1.1.1风机减振研究背景 1

1.1.2风机减振研究意义 3

1.2风机减振的研究现状 5

1.2.1国内外研究的动态 5

1.2.2现阶段研究中存在的问题 7

1.3研究内容 8

1.3.1建模与电子仿真 8

1.3.2对建立模型进行动力学与有限元分析 9

1.3.3对机加工的缩尺模型的实验 9

第2章理论基础 10

2.1有限元理论概述 10

2.2机械动力学的有限元分析 10

2.2.1模态的有限元分析 10

2.2.2结构动力响应的有限元分析 12

2.3机电等效类比 14

第3章 系统的电子仿真分析 16

3.1建立塔架系统数学模型 16

3.2电子仿真分析 17

第4章 塔架在CAD软件中建模 21

4.1风机模型参数预设置 21

4.2在UG中建立风力发电机三维实体模型 23

第5章 塔架的动力学与有限元分析 26

5.1有限元方法的基本步骤 26

5.2塔架的静力学分析 26

5.2.1网格划分 26

5.2.2施加约束和载荷 27

5.2.3静力学分析结果 28

5.3塔架动力学分析 31

5.3.1塔架及其系统模态分析 31

5.3.2塔架系统的谐响应分析 38

5.3.3动力学分析结果 43

5.4小结 44

第6章 实验分析与数据采集 45

6.1塔架系统的安装 45

6.2塔架及减振系统的实验分析 54

6.3塔架减振评估 57

第7章 结论与展望 59

参考文献 61

致谢 64

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果 65

第1章绪论

1.1风力发电机减振研究的背景与意义1.1.1风机减振研究背景

经济的发展和社会的进步都要靠能源供应的支持。

以燃烧煤炭为基础建立的大量消耗化石燃料的消费格局1,不可避免的带来了矿产资源的高消耗与生态环境的高污染。

随人们对能源与可持续发展认识的深入，怎样在经济发展与环境保护之