风电塔筒受力模型分析研究毕业设计论文.docx

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风电塔筒受力模型分析研究毕业设计论文

毕业设计（论文）

风电塔筒受力模型分析研究

摘要

塔筒是风力发电机的主要支撑装置，它将发电机与地面联接，为风轮提供需要的高度。

该结构体系一直以引进国外的设计为主，国内没有统一的风力发电机塔筒设计规程标准。

随着风力发电机塔筒的大型化发展，作用在塔筒上的风载荷的交变性和随机性将更为明显，因此，有必要对风电塔筒结构及受力进行详尽的分析，是发展风力发电产业的重要基础研究工作之一。

本文1.5MW风力发电机组锥筒型塔筒为研究对象，对风力发电机组锥筒型塔筒的结构进行简化，在塔筒坐标系中计算塔筒所受的主要载荷，对塔筒进行简单的受力与屈曲分析，然后以塔筒壁厚为设计变量，塔筒质量为目标函数，对该塔筒的优化设计进行了初步探讨。

研究表明：

对塔筒进行受力与屈曲分析应重点考虑切出风速工况的影响；门洞对塔筒基底应力、塔顶位移以及固有频率的影响很小，而对发生失稳破坏的影响较大，因而在进行塔筒屈曲分析时不能忽略门洞的影响；优化后节约钢材量可观，该类型塔筒有进一步研究的和进行优化设计的必要。

关键词：

塔筒，水平轴风力发电机，受力分析，屈曲因子，优化设计

ABSTRACT

Thetowerisamainsupportequipmentofwindturbine．Itjoinsthegeneratorandthegroundandprovidesaltitudefortheimpeller．Thedesignofthestructuresystemhasbeenintroducedprimarilyfromtheoverseas．Thereisnounificationdesignregulationsstandardforwindturbinetowerathomeyet．Alongwiththemaximizationofwindturbinetower，theroleofthetower’swindloadvariabilityandrandomnessofthecrosswillbecomemoreevident，therefore，itisnecessarytocarryontheexhaustiveanalysisforthewindwardelectricitytowerstructureandforce,theanalysisisoneoftheimportantbasicresearch．

Thetapercylindertowerofsomeapprovedwindgeneratorsetofonewindelectricplantwastakenastheobjectofstudy,Forthetapercylindertower,simplifythestructureofthetowerdrumcoordinatescalculationbytowerdrum,themainloadofsimpletowerdrumofthestressandthebucklinganalysisandthestressandtheflexureanalysistothetower；Finally,thetowerwallthicknessandthetowermassastheconstraints，thedesignvariableandtheobjectivefunction．

Theresearchindicated：

theinfluenceofthecut-outwindspeedworkconditionshouldbethekeyconsiderationwhencarriesonthestressandtheflexureanalysistothetower；theinfluencetothetowerbasisstress，thedisplacementinthetowertopaswellasthenaturalfrequencyisverysmall，buttheinfluencetothebucklingdestroysisbig，thustheinfluenceofthedooropeningcannotbeneglectedwhencarriesonthetowerflexureanalysis；Aftertheoptimization，itisconsiderabletosavethesteelproductsquantity．Thereisthenecessityforthistypetowertocarryonfurtherresearchandtheoptimizationdesign．

KeyWords：

Tower，Horizontalaxiswindturbines，Stressanalysis，Bucklingfactor，Optimizationdesign

第一章绪论

1．1选题背景

能源是经济发展的命脉，能源问题作为关系到世界经济发展和人们生存环境的重大问题正日益受到世界各国的广泛关注。

随着世界经济的迅猛发展，各行各业对能源的需求也日益俱增。

传统的石化能源如煤、石油、天然气的开发和利用在一定程度上满足了生产发展和人们生活的能源需要，但是，对这些不可再生资源的掠夺性开采和过度利用已经在全球范围内造成了严重的环境污染和生态环境恶化等问题。

在能源需求量不断增加和保护生态环境的双重压力下，以保护为目的的新能源研究为能源利用领域开创了新天地。

而作为一种主要的可再生能源，风能的开发和利用在新能源研究中一直被广泛关注[1]。

风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源。

人类早在远古时代便开始利用风力，但发展缓慢。

20世纪80年代以来，世界风电装机容量迅猛增长。

21世纪是高效、清洁和安全利用新能源的时代，世界各国都在做这方面的努力，都在把能源开发利用作为关键科技领域给予关注。

这中间，风能将成为主要角色，为21世纪的人类服务。

在新能源领域风力发电技术比较成熟，商品化大型风力发电机组单机容量已由80年代初期的几十千瓦发展到1MW以上，随着风力发电机组逐渐向大型化方向发展，作用在塔筒上的载荷的交变性和随机性更为明显，其本身又是弹性结构，因此塔筒的振动是不可避免的。

振动带来的疲劳会降低材料的强度，缩短整机的使用寿命。

所以，对于塔筒的结构动力学特性分析，是风力机研究工作的一项重要环节。

风力发电机是把风的动能转换成电能的机械设备。

世界各国研制的风力发电　　机[2,3]的形态和种类很多，按照风力发电机功率大小分类：

可分为小型风力发电机（功率小于l0kW）、中型风力发电机（功率在10～100kW之间）和大型风力发电机（功率大于l00kW）；按照风力发电机风轮轴方向分类：

可分为水平轴风力发电机（风轮轴与水平面平行或接近于平行）和垂直轴风力发电机（风轮轴垂直于水平面）。

水平轴风力发电机在风轮高速旋转时对传动机构要求较低，有较高的风能利用系数，是目前技术最成熟、生产应用最广泛的一种风力发电机。

塔筒是支撑机舱及风力机零部件的结构，它将风力机与地面连接，为风轮提供必要的工作高度，通过基础将风力机各部件的荷载传至地面。

塔筒结构体系一直以引进国外的设计为主，国内没有统一的风力发电机塔筒设计规程标准。

随着国内风力发电机塔筒的大型化，有必要对风电塔筒受力进行详尽的分析，为建立我国自己的设计规程标准奠定基础。

本课题通过对塔筒受力模型进行分析研究，为塔筒的动态设计提供理论依据。

1．2风力发电发展状况

由于化学燃料的日益枯竭和人类对环境恶化的倍加关注，从上世纪七十年代以来，各国政府和国际组织都相继投入大量的资金用于可再生能源的开发，寻求一条经济社会进步与资源环境和人口相协调的、可持续发展的道路。

在众多的可再生能源中，风能[4]以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。

风力发电[5,6]具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、运行不污染环境等优点，被世界各国优先采用。

随着风电装机规模的不断增大，机组单机容量的不断扩大，以及海上风力发电项目的起步，世界上很多国家对风电的开发都给予了高度重视及政策激励[7]。

欧洲风能协会和绿色和平组织的《风力12：

关于2020年风电达到世界电力总量12％的蓝图》正是基于此而出台的。

中国风能资源丰富，主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带。

近年来，随着政府支持力度的加大，中国风电建设进入了一个新的规模化发展时期。

1．2．1世界风力发电发展状况

人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能，用风车提水、碾米、磨面、借风帆为船助航等。

19世纪末，丹麦科技人员开始研究风力发电，为风能的利用开辟了更为广阔的前景。

1941年，美国在巴蒙特州研制并建立了一台当时世界上最大的风力发电机，风轮的直径为53m，塔高34m，输出功率为1.5MW。

50~60年代，西欧各国也相继开始研究风力发电技术，到60年代末，德国成功地使用了复合材料叶片，为复合材料用于制作大型风力发电机叶片奠定了基础。

1973年出现世界石油危机后，煤和石油等化石燃料日益枯竭，空气污染、气候变暖等环境问题也日趋严重，风力发电作为可再生的清洁能源受到越来越多的重视。

经过10余年的发展，风力发电技术同趋成熟，提高了风力发电机的效率和可靠性。

上世纪90年代以来，世界风电装机平均每年以大约30％的速度增长，到2000年底全世界已装机49238台，装机容量达1845万kW，已成为相当规模的一个产业。

其中新增风电装机中90％在欧洲和美国，主要是在欧洲，约占75％。

2005年，德国建造了当时世界上最大的风力发电机——新动力5兆，该风力发电机叶片长61.5米，塔筒高120米，机舱自带起重设备，可在风速为3.5~25m/s范围内安全运行，由控制中心负责运行状态监控。

输出功率为5MW，年发电量可达1700万kWh。

截止到2008年底，全世界风电累计装机容量已达1.2亿kW，其中发展最快的是美国2517万kW，德国2390万kW，西班牙1675万kW，中国1324万kW。

世界风能协会预计，到2020年，风电装机容量会达到12亿kW，年发电量相当于届时世界电力需求的12％[8]。

1．2．2我国风力发电发展状况

我国20世纪50年代中期开始研制风力发电装置，其后就处于停滞状态。

60年代开始小批量生产，70年代末，在世界能源危机的影响下，我国风力发电进入了一个新的发展阶段，主要是小型风能发电机，其风电设备都是独立运行的。

1982年5月我国正式成立了全国性的风能专业委员会。

1985年我国成立了“全国风力机械标准化技术委员会”。

直到1986年，在山东荣城建成了我国第一座并网运行的风电场后，从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均较小[9]。

90年代后，我国从小型风力发电机组（国际规定l0kW以下）的广泛应用走向大型风力发电机组的开发、引进、创新之路，风力发电进入了扩大建设规模的阶段。

1993年我国风电总装机容量仅1.71万kW，1998年增至22.6万kW，2004年达到76.4万kW。

2006年1月1日国家颁布《可再生能源法》，倡导鼓励一些企业投资风电市场，风电建设步伐明显加快，如图1-1所示。

2006年底，全国己建成约80个风电场，装机总容量达到约260万kW，比2005年新增装机100多万kW，增长率超过100％。

截止到2008年底，我国风电装机总容量达到1324.22万kW，超过全球总装机的10％，名列全球第四[10]。

从单机容量上看，我国自主研制的风力发电机也逐渐向大型化发展。

2007年11月，国内首台具有自主知识产权的2MW风力发电机组在渝下线出厂，风机塔筒呈锥型，高达80米，最大直径6米，其内将安装一部升降机[11]。

2009年2月，我国第一台2.5MW直驱永磁风力发电机组在广西北海市研制成功，该风力发电机组的研制填补了国内大功率风力发电机的市场空白，为我国目前能够生产的最大功率的风力发电机组。

图1-12001～2009年中国风电装机容量图

1．3风力发电机组塔筒的研究现状

1．3．1风力发电机组塔筒概述

塔筒是风力发电机组中的主要支承装置，它将风电机与地面联接，为水平轴风轮提供需要的高度，而且要承受极限风速产生的载荷。

目前常见的塔筒有锥筒式、桁架式、混凝土式等几种形式，现代大型风力发电机组通常采用锥筒式塔筒，这种形式的塔筒一般有若干段20～30m的锥筒用法兰联接而成，塔筒由底向上直径逐渐减小，整体呈圆台状，因此也有人称此类塔筒为圆台式塔筒，这类塔筒的优点是安全性能好，而且进行维修时比较方便安全，在国际风电市场上，现代大型风力发电机组普遍采用的是锥筒式塔筒，本论文正是以这种类型的塔筒为研究对象的。

1．3．2风力发电机组塔筒的研究现状

近10年间，国际上并网型大型水平轴式风力机获得了相当快速的发展。

目前，丹麦、德国、荷兰、美国等国家，已拥有了基本成熟的风力发电技术。

世界最先进水平的丹麦其主流机型的功率已达2.0～3.5MW水平，德国Repower公司研制出了功率达5.0MW的样机，悬浮磁动风力机发电装置初期发电功率可达10MW，可全风速、全风向发电，随着风机机组单机容量的不断增加，与之配套的圆筒型塔筒也向着高耸化方向发展。

与此同时，与提高大型风力机塔筒性能有关的空气动力学、结构动力学、微气象学问题研究受到了广泛关注[12~14]，图1-2是具有世界先进水平的丹麦BONUS公司生产的1MW风力机结构示意图，采用的是圆筒型塔筒。

1-叶片；2-轮毂；3-主轴；4-增速器；

5-制动器；6-发电机；7-塔筒

图1-2丹麦BONUS公司生产的1MW风力发电机

由于风力机塔筒的运行可靠性能是决定风机安全运行的关键要素，故该问题一直受到广泛关注。

因风力机是复杂的空气动力学系统，故即使发展到今天，关于叶轮（片）的空气动力学响应、尾流效应及其对风力机塔筒的稳定性能影响等问题，仍然是研究的热点问题。

英国的J.WHALE等对风轮的尾流场效应进行了从实验室到全尺寸实验测试的对比研究。

英国的GrantM.Mo等对一个投入运行的风力机进行了尾流场内的动力学实验和数值计算分析，介绍了风轮尾流场效应对整个风机机组稳定性分析，但没有具体分析风轮尾流场及塔筒尾涡对塔筒稳定性研究。

提高风力机运行稳定性问题是研究中的另一核心主题。

当前的研究正在向更深入细致的去考虑多方面影响因素的方向发展。

如丹麦技术大学的M.O.L.Hansen等研究了风力机系统的空气动力学与塔筒弹性力学耦合问题，提出了一种既考虑空气动力学影响、又考虑结构动力学干扰的设计模型。

希腊的N.Bazeos等研究了一个钢制塔筒对风力机运行可靠性的影响作用，分别对静态时、地震时的稳定性问题进行了分析，但对风力机塔筒的动态响应研究没有涉及。

土耳其的EKavakAkpinar等对风能特征、风能特征与风力机动态响应之间的季节性变化规律，进行了全面评估分析。

在提高风力机的设计等方面，围绕着提供可靠的动态设计理论依据为目的，荷兰的WimBierbooms等提出了一个考虑阵风作用的风能参数随机统计模型。

爱尔兰的P.J.Murtagh等对随机采样获得的风载荷与风力机塔筒的动态耦合关系进行了全面分析。

这些研究反映出，柔性地适应风特性变动的设计思想，借助实验研究完善风力机塔筒动态设计理论建模的方法，已融会贯穿在了风力机的设计中。

而通过实验研究来提高风力机塔筒运行性能，是受到普遍关注的另一种研究方式。

在这方面，多年的发展已使得德国、丹麦、荷兰、美国、希腊等国家，分别拥有了自己的检测机构，制定了相关的国际标准，建立了资格认证体系等。

圆柱薄壳结构在受压时，其承载力取决于屈曲问题，对其屈曲强度的可靠预测一直为人们所极为关注。

18世纪中期，Euler对细长压杆的稳定性作了开创性的研究，形成了弹性结构屈曲的经典理论。

191l～1934年间，Lorenz，Southwell，VonMises，F1ügge，Schwerin和Donnell等学者将经典理论用于分析轴心受压圆柱壳的屈曲，并得到了轴压圆柱壳屈曲应力的经典解释。

1945年，Koiter提出了关于弹性稳定的非线性理论，该理论可以判定分枝点附近平衡路径的稳定性[15]。

研究发现，轴压圆柱壳的后屈曲性质是不稳定的，且很小的几何缺陷就会极大地降低其承载力。

圆筒型风力机塔筒的屈曲分析是研究风力机稳定性的基础工作之一。

国外许多研究机构开展了包括弹性叶片和柔性塔筒在内的大型风力发电机结构动力学分析的方法研究，主要分为两大类：

实验的方法和计算的方法。

实验方法是对叶片和塔筒施加激励信号，然后通过测量输入信号和输出响应的信号，用参数辨识[16]的方法对其进行分析，从而得出风力发电机的结构动力学特性参数。

这是一种对具体风力发电机直接研究的方法，所以结果可靠，是最有效的分析方法。

但是，对于容量日益增大的大型风力发电机来说，叶片和塔筒通常都在几十米以上，在这种情况下，要安装和运行满足实验条件的设备就有一定困难，而且从风力发电机设计的角度考虑也不现实。

经典的计算分析方法是对耦合的运动方程进行数值积分求解。

用这种方法计算往往非常困难，尤其对于多自由度耦合系统，求其解更为复杂。

上述这些研究工作，使得国际上风力机的设计制造，正在朝着更大容量、变桨距、变转速、无齿轮和无刷化的方向快速前进着。

专家预测，到2020年，新一代风力机必须是更加有效、更加容错、更低成本。

其性能，则应当是能够拥有更优良的发电质量、更轻质量、更长寿命以及低噪音、低成本、更高的风能转化效率等。

国内风电产业发展与欧洲发达国家相比，起步较晚。

但经过20年的科技攻关，在国家有关部门和地方政府的支持下，我国的风电技术在基础理论研究、实验研究、设计制造方面，也取得了相当的进展，风能利用技术有了很大提高，积累了不少成功的经验。

1995年，合肥工业大学王永智，陶其斌，周必成研究了风力发电机塔筒的固有频率和固有振型，顺风向下塔筒的风效应和位移响应，以及由风轮旋转引起的位移响应。

给出了计算实例，为风力发电机塔筒结构动力设计提供了有效方法。

1997年，北京航空航天大学流体力学研究所窦修荣、山东工业大学黄珊秋、宋宪耕[17]分析了大型水平轴风力发电机塔筒在地面风作用下的受力情况，给出定态风和非定态风诱发的塔筒振动响应的计算方法，对一实际塔筒进行计算和仿真，结果表明，该计算方法在工程应用中是合理的。

1997年，山东工业大学陆萍、黄珊秋、张俊、宋宪耕[18]讨论了水平轴风力发电机筒形塔筒结构的静动态分析建模和有限单元类型的选取及计算方法，并以200kW风力发电机的六棱锥筒形塔筒为例，计算并给出了静动态特性。

2001年，山东工业大学黄珊秋、陆萍对由美国引进的ZONDZ-40风力发电机塔筒和国内自己设计的塔筒的固有振动特性进行了计算，通过模态分析，结果表明：

以Q235或16Mn为材料生产的ZONDZ-40风力机塔筒可以替代由美国进口的A36为材料的塔筒，并且以Q235作为材料的塔筒，其固有振动特性更接近进口的塔筒。

2002年，山东工业大学陆萍、秦惠芳、栾芝云[19]将有限元技术与模态理论相结合，在有限元软件的基础上研制了一套用于风力发电机塔筒结构的动态分析程序系统，讨论了模型建立、荷载施加、边界条件和模态参数的计算，并给出了应用实例及结果分析。

2004年，沈阳工业大学诊断与控制中心周勃、费朝阳、陈长征[20]利用有限元分析研究了风力发电机塔筒的动态特性及影响因素，如结构设计和所受载荷分布特点，确定适合的有限元模型和划分网格的方法，并验证分析结果；根据塔筒静荷载和风荷载的特点，计算风力发电机锥筒型塔筒的固有频率，并分析塔筒产生共振的可能性；研究了三种有意义的振动模态：

侧向弯曲模态、前后弯曲模态和扭转模态，通过塔筒的振型曲线分析塔筒的动态性能，为风力发电机塔筒的结构动态设计提供有效的依据。

2006年，天津工业大学郭威、徐玉秀对离网型风力发电机模型的塔筒振动进行了分析，运用瑞雷法计算其基频，以有限元模态分析和试验测量的方法计算分析塔筒的固有频率和振型。

根据分析结果讨论有限元建模的合理性，分析引起振动的原因，并依此提出塔筒较合理的锥形筒结构改进方案。

通过以上介绍，可以看到国内在风力发电机塔筒的研究才刚起步，主要集中在中小型风力发电机塔筒的研究上，对超过800kW的大型风力发电机塔筒的抗风、抗震、结构体系改良等研究还是空白。

具体表现如下：

（1）塔筒结构剖析

在国内风电行业，将有限单元法利用于风力发电机组塔筒的分析计算，虽然已取得了一些成果，但大都是针对于塔筒的固有频率等性能的分析和计算，其它的方面诸如疲劳、稳定性等问题则很少涉及，尚未形成系统的研究结果。

因此有必要对风电塔筒结构进行详尽的解剖分析，得到该种特殊结构的设计控制指标和理论分析方法。

（2）塔筒抗风研究

大型水平轴风力发电机塔筒多为细长的圆柱状结构，在风的作用下会产生顺风向的变形和振动以及垂直风速方向的横向振动。

结构的变形与振动不但引起塔筒附加的应力、影响结构强度，而且还会影响塔筒顶端风轮的变形和振动。

因此，在风力发电机设计中必须考虑风诱发的塔筒风振响应问题。

（3）塔筒抗震研究

地震作用是风力发电机塔筒所受的另一种重要的动力荷载，当今，抗震科学尚处于较低水平，试验手段和技术还不能确切模拟地震对建筑物的破坏作用，因此，有必要在充分吸取历史地震经验和教训的基础上，结合现代技术，在基本理论、计算方法和构造措施等多方面，研究改进风力发电机塔筒结构的抗震设计技术，以进一步提高此种结构的抗震可靠度。

（4）结构体系改良

目前大型风力发电机塔筒为锥筒形（或称圆台形）钢结构，结构类型单一，也不能适应我国不同地区抗风、抗震的具体要求，所以根据我国国情，结合工艺专业进行结构体系的改良十分必要。

上述文献表明，影响风力机塔筒质量的多方面问题几乎同步地吸引着国内外研究者的关注与投入。

显然，这些新发展对全面提高与促进风力机技术水平上升到新高度具有积极的促进作用。

但对比国内外研究与发展模式间存在着的一些差异、特别是我国在生产制造技术方面的落后可以看出，关于风力机塔筒振动及稳定性的研究仍然是国内外风力发电领域深入进行的研究内容之一。

1．4风力发电机组塔筒的设计

由于自然界的风在时间和空间上具有多变性，使得风对风力机塔筒结构的作用显得非常复杂。

在空间上要考虑风速、风向和风压沿塔筒高度的变化；在时间上由于风速的脉动以及随风频脱落的涡系等，会引起塔筒结构的振动。

在过临界范围，有可能导致十几倍甚至几十倍于正常风力的效应。

在结构体型、刚度和阻尼的一定组合条件下，会发生风致空气动力失稳，即弛振或颤振（弯扭耦合）。

一旦发生气动力失稳有可能导致结构的破坏；另外，塔筒结构的变形和振动，不仅会引起塔筒的附加应力，影响其结构强度，而且还会影响顶端风轮的变形和振动，从而影响其性能。

因此设计风力机及其塔筒时，必须分析计算风力引起的塔筒结构动力学的问题。

塔筒结构动力学分析，主要解决两个方面的问题：

一是塔筒结构动力固有特性，即固有频率和固有振型的分析计算；二是塔筒结构的动力响应分析计算和稳定性分析。

一方面塔筒要满足以上高度、刚度、强度等要求，另一方面要减轻重量，降低成本。

因此，目前风力发电机组中的塔筒大都设计为柔性