风力机塔架设计与静动力分析.docx

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风力机塔架设计与静动力分析

摘要II

AbstractIII

第一章引言1

1.1研究背景1

1.2塔架设计研究的现状2

1.3本文的研究内容3

第二章塔架的静力学设计4

2.1塔架尺寸的初步确定4

2.1.1塔架高度H的确定4

2.1.2塔架的直径确定4

2.2塔架的载荷4

2.2.1风荷载的计算4

2.2.2重力6

2.3塔架的静力计算6

2.3.1强度设计6

2.3.2剪应力计算7

2.4对于50KW风力机塔架实例计算7

2.5本章小结7

第三章塔架静强度分析9

3.1solidworkssimulation模块的简单介绍9

3.2塔架静力分析的典型工况与分析模型9

3.2.1确定塔架静力分析的典型工况9

3.2.2塔架的静力分析模型10

3.2.3塔架的网格模型10

3.2.4典型工况的静态分析11

3.3本章小结13

第四章塔架的动力学分析14

4.1一阶固有频率的理论计算14

4.2动力学分析14

4.2.1模态分析14

4.2.2ANSYS进行的模态分析15

4.3模态分析的结果15

4.4本章小结21

第五章总结22

参考文献23

致谢24

附件文献及翻译

摘要

风力发电技术作为新能源最重要形式之一，受到国内外的热切关注与广泛应用。

风力发电机由风轮、发电机、传动系统、塔架、控制系统等部件组成。

其中，塔架起着支撑风轮和发电系统的作用，因此保证塔架的强度对风力发电机至关重要。

风轮的转动会给塔架带来周期性的作用力，因此，合理设计风轮塔架，避开共振频率区域，研究塔架几何参数对固有频率的影响十分必要。

为保证塔架的强度与使用寿命，本文采用理论设计确定塔架的各个参数，然后利用受力分析软件对塔架进行静力学分析确保塔架的强度。

采用有限元分析对塔架进行动态分析，合理设计塔架，确保塔架的自振频率避开塔架与风轮的共振区域.

关键词：

风力机塔架;；静力分析；动态分析；强度校核

Abstract

Windpowergenerationtechnologyasoneofthemostimportantformsofnewenergy,bytheearnestattentionofbothathomeandabroadwithawiderangeofapplications.Windturbinefromwindturbines,generators,transmissionsystem,tower,controlsystemandotherparts.Amongthem,thetowertoplaytheroleofasupportingwindturbinesandpowergenerationsystem.Therotationoftherotorwillbringtowerperiodicforces,asaresult,thereasonabledesignwindtower,toavoidtheresonancefrequencyarea,studytheeffectoftowergeometryparametersonthenaturalfrequencyisnecessary.

　　　Inordertoensurethetowerofstrengthandservicelife.Allparametersofthetower,thispaperusesthetheoryofdesignandstressanalysissoftwareisusedtoanalysethetowerstaticsanalysistoensurethestrengthofthetower.Finiteelementanalysistodynamicanalysisoftower,tower,reasonabledesigntoensurethatthetowerofthenaturalfrequencytoavoidtowerandrotorresonanceregion.

Keywords:

windturbinetower;Staticanalysis;Dynamicanalysis;Strengthcheck

第一章引言

1.1研究背景

能源是人类赖以生存以及社会得以发展的物质基础，能源是经济发展的源泉，能源问题已经是关系到世界经济发展和人们生存环境的重大问题，随着世界经济发展，各各行业对能源的需求也与日俱增，随着国际石油危机的爆发，人类已经认识到了开发新能源取代传统石油燃料的必要性。

风能作为一种绿色新能源进入了人们的视野中，风能在全世界角落都蕴含丰富，所以受到的关注越来越多。

与传统的化石燃料能源相比，风力发电成本稳定，环境压力小。

发电的动力来源于自然界中的风能，比之传统的火力发电．不需要矿物能源，燃料价格波动不会对风力发电产生影响，发电成本稳定，同时风力发电没有任何碳排放，不会对周边环境造成污染。

据专家测算．如果一个风力发电场具备1万千瓦的发电能力．那么这个发电厂每年就能够满足l万个家庭的普通用电，而同样满足这1万户家庭一年的用电的火力发电厂需要消耗大约3000盹的液体燃料。

目前欧洲每年的风力麓电量超过400亿千瓦时，这不仅能够满足1000万个家庭的用电需求，同时大大可以减少向大气中二氧化碳的排放量。

以目前的风力发电量代替的传统热发电量来算，每年可少向大气中排放2400万吨二氧化碳.

风电技术最早是在欧美一些国家取得长足发展的，丹麦在风电制造和利用发面位于世界前列。

而像美国、俄罗斯、加拿大等西方国家，进入80年代后这些国家的风力发电机的单机容量就已经由千瓦级发展到了兆瓦级。

而我国的风力发电技术起步比较晚，前期的技术发展也比较缓慢，主要靠引进国外的先进发电设备。

到90年代后，我国在全国各地陆续引进风电机组建立风力电场，风力发电量也年年持续增长。

随着国内的一些风电企业的建立与发展，发电机组的国际化，我国的风电产业取得了长足的进步。

随着风机不断增大,塔架安全问题日趋显著。

由于塔架的不合理设计造成塔架倒塌也时有发生,从而造成了无法挽回的损失。

如2010年2月1日大唐左云项目风机倒塌如1.1,此次倒塌造成上千万元的损失。

还有2008年的台电台中港区高美湿地的18部风机中,2号机在蔷蜜台风吹袭下倒塌。

还有很多这样的塔架倒塌事件发生有很多是由于设计的不合理,因此对风力发电机组的设计方式方法进行更加深入的研究意义非凡.

图1.1塔架的坍塌

1.2塔架设计研究的现状

风力机塔架的主要结构形式一般采用桁架式、锥筒或圆筒（或棱筒）式[1]。

下风向布置的风力机多采用桁架式塔架,它由钢管或角钢焊接而成,其断面为正方形或者多边形。

圆筒（或棱筒）或锥筒式塔架由钢板卷制或轧制焊接而成,其形状为上小下大的几段圆筒或（棱筒）或锥筒。

而现阶段我国主要采用圆筒或者锥筒式塔架，因为相对而言锥筒塔架制造工艺简单，施工也相对方便。

图1.2左边为锥筒塔架，右边是桁架式

塔架是风力发电机组中的承重构件，它是支撑机舱和叶轮，并把叶轮和机舱举到设计高度处运行。

塔架不且要承受风轮和机舱的载荷，而且要承受极限风速产生的载荷，同时，又是整个风力发电机组的承载基础，它要有足够的强度和刚度，以保证机组在各种载荷下能够正常运行[2]。

国外研究现状，国外许多研究机构开展了包括弹性叶片和柔性塔架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架施加激励信号，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，所得结果可靠，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，叶片和塔架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。

丹麦技术大学的M.o.L.Hansen等分析了风力机的风载与塔架的耦合，并且提出空气动力和结构力学干扰的设计模型[3]。

希腊的N.Bazon等分析了钢塔架对风力机运行可靠性的影响，并且对静态地震情景下的稳定性问题进行了分析[9]。

国内风电产业发展与欧洲发达国家相比起步晚但也做了很多关于塔架也进行了深入的研究，1995年，台肥工业大学任永智，陶其斌，周必成[19]研究了风力发电机塔架的固有频率和固有振型，顺风向下塔架的风效应和位移响应，以及由f风轮旋转引起的位移和响应，给出了计算实例，为风力发电机塔架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[20]分析了大型水平轴风力发电机塔架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架振动响应的计算方法，对一实际塔架进行计算和仿真，结果表明，该计算方法在工程应用中是合理的。

陆萍，王永智等[5]对水平轴风力机塔架的静态分析做了大量的研究。

首先提出了变截面筒型风力机塔架结构建模;其次研究并计算了国内外塔架结构的固有频率特性，最后基于有限元法研究了风力机塔架的动态分析程序系统。

2011年，戴建鑫[7]利用ANSYS数值模拟对塔架进行弯曲分析，同时在塔筒连接处采用实体单元对法兰盘模拟，考察门洞对屈曲的影响。

内蒙古科技大学的王震宇的大型风力发电机塔架弹塑性地震分析与设计[8]。

然现阶段对于风力塔架设计，一般的方法先参照正在运行的塔架采用比较的方法来初步确定塔架的横截面尺寸，再利用材料力学或弹性力学校核其强度和刚度，计算校核误差较大。

随着计算机的不断更新与发展，有限元这种新型分析方法开始应用于塔架结构的静力特性以及塔架的设计精度而且大大缩短了设计周期。

1.3本文的研究内容

本文的主要研究内容是确定风力机塔架主要设计参数及其各阶固有频率。

（1）风力机塔架主要参数包括塔架高度，直径，厚度，和锥度等。

（2）塔架设计主要研究内容：

基于风轮受力分析，进行塔架结构设计与三维建模。

（3）静力性能分析部分主要研究内容：

利用solidworkssimulation受力分析模块，对塔架静止和典型工况进行受力分析与轻度校核.

（4）动力性能分析主要内容：

计算其固有频率，分析各阶阵型图，分析各设计参数对塔架固有频率的影响等。

第二章塔架的静力学设计

载荷分析是塔架设计的重要内容．风电机组几乎所有的载荷部将传给塔架，包括叶片与发电机系统的自重、风轮在工作状态下产生的推力以及塔架本身所承受风压产生的载荷。

为了保证塔架的安全性．在极端条件作用下塔架不倾倒，对塔架强度的计算考虑极端工况下风轮的气动推力及其极端情况下风压对塔架的影响。

2.1塔架尺寸的初步确定

2.1.1塔架高度H的确定

高度即要满足风机叶片运作的要求,而且要考虑经济方面的因素,并且综合考虑塔架安装的具体地理位置和地貌。

塔架的一般高度为

H=h+C+R（2-1）

其中个参数的具体含义为：

H———塔架的高度

H———接近风轮叶片的地面障碍物的高度

C———风轮叶片扫略面到障碍物最高点的距离，一般为1.5m，2m.

R———风轮半径

本设计取塔架高度为18m

2.1.2塔架的直径确定

由于塔架理论设计中塔架的确定没有给定的公式，根据已有塔架设计中，10KW到100KW级的塔架直径与塔架的高度比例关系确定[15]，塔架高度H与下底面半径的比值在12~19之间。

因此本文取定：

底部直径D为1500mm

而对于顶部直径d，主要根据机舱给定的底部直径确定，根据已有塔架设计的参数，本文取定：

顶部直径d为730mm

2.2塔架的载荷

塔架的载荷要在塔架的初步尺寸的确定之后才能确定

根据塔架载荷在结果的反映特点上分为：

动载荷和静载荷

2.2.1风荷载的计算

风力发电帆的风荷载主要分为两部分，第一部分是发电机风轮旋转的动态结构，在该区域将产生风轮气动推力；第二部分是发电机塔轩静态结构，风力作用下将会对该部分产生直接作用。

计算风力机的总载荷需要分别计算两部分的风荷.

1.塔架塔身风载荷的计算

塔架所受风载荷的计算可以依据GB50009．2001《建筑结构菏载规范》[13]。

垂直于建筑物表面的风荷载标准值，按照下列公式计算

（2-2）

其中各参数代表：

风压高度变化系数，

为风载体体型系数，

为重现期调整系数，

构件承风压的投影面积,

为基本风压。

在极限风速时，塔筒的载荷用

表示：

（2-3）

其中各参数代表：

作用于塔筒中部的暴风风速，根据地理位置与塔架的设定高度取为40m/s。

为空气密度，取1.225kg/

空气动力系数，由于塔筒为圆筒形，所以取值为

0.7

2.风轮风载荷的计算

目前针对水平轴风力机风轮最大气动推力的有许多的计算方法，一种基本的计算方法是利用下列公式计算：

（2-4）

其中各参数代表：

R风轮的半径大小

V风机轮毂的风速

以上方法可以作为水平轴风力机风轮最大推力的初步计算公式，国外许多研究者也针对风轮最大推力提出了计算公式，具有代表性的主要是以下三种：

按丹麦RIS公式计算：

（2-5）

其中:

P表示风轮平均压的单位在本文章一路KN

按苏联法捷耶夫公式计算：

（2-6）

其中：

为风轮叶片的投影面积

表示暴风风速单位m/s

B表示风轮叶片数根据主流小型风力发电机叶片数取3

按荷兰ECN的公式计算：

（2-7）

为风轮叶片的投影面积

表示风轮推力系数一般取1.5

S为安全系数，通常情况下取S=1.5

表示气动系数，通常情况下取1.2

以上几种求解风轮风荷载的的方法中，本文采用的是按丹麦RIS公式计算.

2.2.2重力

表示塔架顶端风轮与机舱的总重量，

取为2200KG

表示塔架的自重，取为2000KG

2.3塔架的静力计算

2.3.1正应力计算

钢管塔架通常采用等强度变截面设计。

危险截面一般位于塔架的根部．塔架根部机构强度分析是确定塔架整体结构的基本设计依据．一般针对塔架进行合理简化得到力学模型，然后利用材料力学或者弹性力学得到危险截面的的极限应力作为结构强度设计的依据。

塔架根部的应力计算公式：

（2-9）

其中各项参数：

风轮所受的风载荷

表示塔架所受风载荷

H表示塔架高度

h表示风轮中心对塔架顶端的高度

W表示塔架根部抗弯截面模量

A表示塔架根部截面积

表示锥形塔架的长度折减系数

图2.1塌架的力学模型

2.3.2剪应力计算

（2-10）

其中t为塔架厚度

由

可确定塔架的最小厚度，本文设计塔架厚度为10mm

2.4对于50KW风力机塔架实例计算

本文设计为50KW型风力机塔架，以此为实例进行塔架静力计算

原始数据：

有本文前面所述公式确定塔架的基本参数，塔架高度H为18m,塔架底端直径为1500mm,顶部端面直径为730mm,塔架厚度为10mm,风轮回转中心到塔架顶端距离0.3m.风轮直径为17m,风轮和机舱的重量设为2200kg，塔架自重为2000kg。

表2.1塔架参数表

塔架底径D

塔架顶径d

塔架高度H

风轮回转中心到塔架顶端距离h

发电装置自重m1

塔架自重m2

塔架壁厚t

1500mm

730mm

18m

0.3m

2200KG

2000KG

10mm

现对塔架进行如下计算：

塔架风载荷

=0.5*1.225*40*40*20*0.7

=19.667KN

风轮所受风载荷采用上述公式

其中P取300=300*3.14*17*17/4

=68.060KN

风轮与机舱的重量为

=22000N

塔架自重为

=20000N

由公式

其中A=0.0468W=0.03464h=0.3

将上述数据带入公式得：

=153.2Mpa

塔架材料为Q345钢，本文所取材料安全系数为1.1，则材料的许用应力313Mpa,由

，所以本文理论设计满足塔架的强度要求。

2.5本章小结

本塔架的设计流程，首先根据已有经验公式确定塔架的高度，然后根据塔架的高度与塔架上下地面直径的比例关系确定塔架的直径，在根据塔架的强度要求确定塔架的厚度，并进行校核，如果校核结果不满足强度要求，则可以改变塔架的厚度。

高度。

以及底部直径的参数来满足强度要求，直至校核准确为止。

第三章塔架静强度分析

对于塔架设计来说，静强度设计是塔架设计中最重要也是最基础的，为了保证塔架的精度，本文在塔架进行完塔架理论设计后进行有限元的辅助设计，目的在于能够保证塔架在极限载荷下满足要求。

3.1solidworkssimulation模块的简单介绍

本文静力强度分析部分采用solidworks三维软件建模，利用solidworkssimulation静力分析模块进行静力分析。

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例如，可能要检查向水龙头施加的力的效果。

SimulationXpress仿真设计周期，并提供应力结果。

它还会显示水龙头的临界区域以及各区域的安全级别。

根据这些结果，可以加强不安全区域，并去掉超安全标准设计区域的材料。

SimulationXpress使用的仿真技术与SolidWorksSimulation用来进行应力分析的技术相同。

SolidWorksSimulation的产品系列可提供更多的高级仿真功能。

SimulationXpress的向导界面采用了所有Simulation界面的内容，可一步步指导指定夹具、载荷、材料，进行分析和查看结果。

结果的准确度取决于夹具、载荷和材料属性。

要使结果有效，指定的材料属性必须准确描述零件材料，夹具与载荷也必须准确描述零件的工作条件。

SimulationXpress支持对单实体的分析。

但它不支持装配体、多实体零件或曲面实体。

3.2塔架静力分析的典型工况与分析模型

3.2.1确定塔架静力分析的典型工况

首先建立好塔架模型，制定好塔架的的直径，厚度，定义好材料的区服强度，质量分布刚度分布等数据，然后确定所要进行的典型工况的确定，本文确定分析三种工况进行载荷的求解。

第一种载荷求解为塔架静态下不受风力的工况，第二种载荷求解为塔架在风轮在额定风速下所受风力的工况，第三种载荷为在极限风速下塔架所受风力的工况。

在静力学分析中根据圣维南定理,如果把物体的边界上一小部分的面力变换成为分布不同但静力等效的面力或集中力时候,近处的应力分布将会有很大的改变,但在处的应力变化几乎可以忽略不计。

由于塔架的最大应力一般出现在塔架的根部或者门洞附近,因此在塔架顶部用集中力来代替塔架整体的受力情况对于塔架的底部应力影响不大。

3.2.2塔架的静力分析模型

根据前一章理论计算所得的塔架几何参数使用三维画图软件solidworks建立塔架模型，塔架的三维建模图如下图3.1

图3.1塔架模型

在建模时，应对塔架进行简化处理，不考虑塔架的附属结构等构件，对于塔架的受力可将风荷载以及风轮与机舱的重力简化到作用到塔架的上端面，设定材料的参数，Q345，弹性模量206Gpa,泊松比为0.3，塔架密度为7850KG/

。

3.2.3塔架的网格模型

在建好三维模型后，将图导入该软件的simulation受力分析模块，做好塔架的材料设定，进行受力分析模型的约束，进行网格划分如下图3.2为网格模型图

图3.2塔架网格模型

3.2.4典型工况的静态分析

在进行典型工况进行受力分析时可将塔架受到的各个力简化为塔架上端面受的力和力矩作用。

典型工况一，在风速为零的载荷下塔架的应力分布图如下3.3

图3.3工况一应力分布图

通过对工况一的应力分析图3.2可得塔架在无风状态下，最大应力出现在塔架的顶端，

在此工况下的最大应力为10.5Mpa

典型工况二，在额定风速10/m下，塔架的的应力分布图如下3.4：

：

图3.4工况二应力分布图

由典型工况的二的应力分布图3.4得，在工况二的受力状况下，最大应力出现在塔架的底端处，且最大应力为47.1Mpa

典型工况三，在极限风速40/m下，塔架的应力分布图如下3.5：

：

图3.5工况三应力分布图

由典型工况的二的应力分布图3.4得，在工况二的受力状况下，最大应力出现在塔架的底端处，且最大应力为124.1Mpa.

根据上述塔架个应力分布图的应力分析结果可如下应力分析表3.1：

表3.1塔架在各工况载荷下最大应力分布

工况序例号

最大应力

最大应力处

1

10.5Mpa

塔架顶端

2

47.1Mpa

塔架根部

3

124.1Mpa

塔架根部

利用有限元软件分析计算三种工况载荷下的应力，得到的塔架所受的最大应力为124.1Mpa,以此工况载荷进行校核，塔架的理论计算最大应力为153.2，有限元辅助设计求得的最大应力与塔架理论设计的最大应力的相对误差为20%，本文选取的安全系数为1.1，则

=345/1.1=313则有

，所以塔架的有限元辅助设计满足要求，塔架满足强度要求.

3.3本章小结

1.在塔架设计中，采用了理论设计与静强度分析的方法确定塔架的结构.

2.本塔架的设计流程，首先根据已有经验公式确定塔架的高度，然后根据塔架的高度与塔架上下地面直径的比例关系确定塔架的直径，在根据塔架的强度要求确定塔架的厚度，并进行校核，如果校核结果不满足强度要求，则可以改变塔架的厚度，高度。

以及底部直径的参数来满足强度要求，直至校核准确为止。

3.本文以50KW型风力机塔架的三种不同工况进行静强度的应力分析，通过计算各工况的极限应力，求得最大应力与理论设计的应力基本相近。

第四章塔架的动力学分析

风力机塔架不且承受了发电机部分和自身的重力，而且承受了叶轮的周期性载荷以及风载荷的作用，风轮的周期性载荷与风载荷可以导致塔架产生震动，这将影