風電塔筒受力模型分析研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 實例及結果分析。2022 年，沈陽工業大學診斷與控制中心周勃、費朝陽、陳長征 [20]利用有限元分析研究了風力發電機塔筒的動態特性及影響因素，如結構設計和所受載荷分布特點，確定適合的有限元模型和劃分網格的方法，并驗證分析結果；根據塔筒靜荷載和風荷載的特點，計算風力發電機錐筒型塔筒的固有頻率，并分析塔筒產生共振的可能性；研究了三種有意義的振動模態：側向彎曲模態、前后彎曲模態和扭轉模態，通過塔筒的振型曲線分析塔筒的動態性能，為風力發電機塔筒的結構動態設計提供有效的依據。2022 年，天津工業大學郭威、徐玉秀對離網型風力發電機模型的塔筒振動進行了分析，運用瑞雷法計算其基頻，以有限元模態分析和試驗測量的方法計算分析塔筒的固有頻率和振型。根據分析結果討論有限元建模的合理性，分析引起振動的原因，并依此提出塔筒較合理的錐形筒結構改進方案。通過以上介紹，可以看到國內在風力發電機塔筒的研究才剛起步，主要集中在中小型風力發電機塔筒的研究上，對超過 800kW 的大型風力發電機塔筒的抗風、抗震、結構體系改良等研究還是空白。具體表現如下：(1)塔筒結構剖析在國內風電行業，將有限單元法利用于風力發電機組塔筒的分析計算，雖然已取得了一些成果，但大都是針對于塔筒的固有頻率等性能的分析和計算，其它的方面諸如疲勞、穩定性等問題則很少涉及，尚未形成系統的研究結果。因此有必要對風電塔筒結構進行詳盡的解剖分析，得到該種特殊結構的設計控制指標和理論分析方法。(2)塔筒抗風研究大型水平軸風力發電機塔筒多為細長的圓柱狀結構，在風的作用下會產生順風向的變形和振動以及垂直風速方向的橫向振動。結構的變形與振動不但引起塔筒附加的應力、影響結構強度，而且還會影響塔筒頂端風輪的變形和振動。因此，在風力發電機設計中必須考慮風誘發的塔筒風振響應問題。風電塔筒受力模型分析研究 8 (3)塔筒抗震研究地震作用是風力發電機塔筒所受的另一種重要的動力荷載，當今，抗震科學尚處于較低水平，試驗手段和技術還不能確切模擬地震對建筑物的破壞作用，因此，有必要在充分吸取歷史地震經驗和教訓的基礎上，結合現代技術，在基本理論、計算方法和構造措施等多方面，研究改進風力發電機塔筒結構的抗震設計技術，以進一步提高此種結構的抗震可靠度。(4)結構體系改良目前大型風力發電機塔筒為錐筒形(或稱圓臺形)鋼結構，結構類型單一，也不能適應我國不同地區抗風、抗震的具體要求，所以根據我國國情，結合工藝專業進行結構體系的改良十分必要。上述文獻表明，影響風力機塔筒質量的多方面問題幾乎同步地吸引著國內外研究者的關注與投入。顯然，這些新發展對全面提高與促進風力機技術水平上升到新高度具有積極的促進作用。但對比國內外研究與發展模式間存在著的一些差異、特別是我國在生產制造技術方面的落后可以看出，關于風力機塔筒振動及穩定性的研究仍然是國內外風力發電領域深入進行的研究內容之一。1．4 風力發電機組塔筒的設計由于自然界的風在時間和空間上具有多變性，使得風對風力機塔筒結構的作用顯得非常復雜。在空間上要考慮風速、風向和風壓沿塔筒高度的變化；在時間上由于風速的脈動以及隨風頻脫落的渦系等，會引起塔筒結構的振動。在過臨界范圍，有可能導致十幾倍甚至幾十倍于正常風力的效應。在結構體型、剛度和阻尼的一定組合條件下，會發生風致空氣動力失穩，即弛振或顫振(彎扭耦合)。一旦發生氣動力失穩有可能導致結構的破壞；另外，塔筒結構的變形和振動，不僅會引起塔筒的附加應力，影響其結構強度，而且還會影響頂端風輪的變形和振動，從而影響其性能。因此設計風力機及其塔筒時，必須分析計算風力引起的塔筒結構動力學的問題。塔筒結構動力學分析，主要解決兩個方面的問題：一是塔筒結構動力固有特性，即固有頻率和固有振型的分析計算；二是塔筒結構的動力響應分析計算和穩定性分蘭州理工大學本科畢業論文9析。一方面塔筒要滿足以上高度、剛度、強度等要求，另一方面要減輕重量，降低成本。因此，目前風力發電機組中的塔筒大都設計為柔性塔，對于柔性塔，其一階固有頻率一般在葉輪旋轉頻率的 1～3 倍之間，所以在設計時還必須考慮塔筒與葉輪是否會發生共振。基于塔筒以上特點及性能要求，在對塔筒進行設計時，必須考慮的幾點因素有：塔筒的靜強度、屈曲、振動模態及疲勞等幾個方面。由此，塔筒設計的計算分析一般應包括以下幾方面的內容：(1)塔筒在極限載荷下的靜強度計算；(2)塔筒的疲勞強度分析；(3)塔筒的振動模態分析；(4)塔筒的屈曲穩定性分析。1．5 本研究的意義及研究主要內容1．5．1 研究意義2022 年 1 月 20 日，維護人員進行“風機葉片主梁加強”工作。期間因風大不能正常進入輪轂工作，直到 2022 年 1 月 27 日工作結束。28 日 10：20 分，維護人員就地啟動風機，到 1 月 31 日 43風機發出“槳葉 1 快速收槳太慢”等多個報警，02：27 分發“振動頻帶 11 的振動值高”報警，并快速停機。8：00 風電缺陷管理人員通知維護負責人，18：00 維護人員處理缺陷完畢后就地復位并啟機。直到 2 月 1日 3：18 分，之前 43風機無任何報警信息，發生了倒塌事件（如圖 114） 。風機倒塌現場情況為：43塔筒從中、下段法蘭連接處折斷倒塌，主機隨同塔筒上段和中段朝著主導風向北偏西 60 度方向，扭曲旋轉約 180 度后倒在大致為北偏西 15 度方向，法蘭盤脖頸距端部 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。塔筒中段、上段、風機機艙、輪轂順勢平鋪在地面上，塔筒上段在中間部分發生扭曲變形。風力發電機摔落在地，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。圖 13 機組倒塌全景圖 14中塔筒下法蘭與焊口間撕裂蘭州理工大學本科畢業論文11隨著風力發電機組逐漸向大型化方向發展，目前的商品化大型風力發電機組的單機容量已由 80 年代初期的幾十 kW 發展到數 MW 級水平。而在風力發電機的運行中，塔筒是決定其安全、可靠運行的關鍵因素之一。它是風力發電機組的主要承重結構，尤其是大型風力發電機組，其高度甚至達到了一百米以上。當風力機運行時，塔筒在外載荷的作用下發生變形和位移，作用在塔頂的軸向壓力會產生對塔筒各截面的彎矩，當外載荷達到一定的值時，彎矩的增大會導致塔筒某一截面超出其屈服極限，局部失穩，使得塔筒發生破壞，對于直驅式風力發電機組，由于其塔頂上方風輪和機艙的質心位于塔壁以外，由此產生的彎矩對塔筒造成的影響更加突出；另外，塔筒頂端產生過大的位移(撓度)，引起機組的激烈振動，最終導致機組不能正常運行，也是影響整機正常工作的因素之一。動態特性是決定結構是否技術上合理、安全性可靠和經濟性可行的關鍵，因此對結構進行動態分析也是整個設計環節中的關鍵。通過對塔筒進行動態響應分析，可以計算出在各種載荷情況下塔筒的結構是否滿足穩定性的要求，并為設計和優化提供必要的依據。本文將以兆瓦級風力發電機組為基礎，對風力機塔筒進行建模計算。1．5．2 本文主要研究內容及安排塔筒是風力發電機組中的主要支撐裝置，它將風電機與地面連接，為水平軸風輪提供需要的高度，其重要性隨著風力發電機組容量的增加、高度的增加而愈來愈明顯。在風力發電機組中塔筒的重量占風力發電機組總重的 1/2 左右，其成本占風力發電機組制造成本的 15％左右，它是整個風力機組安全運行的基礎，其設計水平將直接影響風力發電機的性能 [21]。塔筒作為風力發電機的重要組成部分，一直以引進國外的設計為主，在國內投入使用后能否適應我國的地形與風能資源情況，機組運行過程中，能否充分發揮其強度、剛度、穩定性及自身的各項性能，有必要對其受力、自振特性、穩定性進行詳盡的解剖分析，并對各項性能指標進行評價，如果各項指標距離控制指標均有較大的富余度，則可以考慮對該結構進行優化設計。綜上所述，以現代大型風力發電風電塔筒受力模型分析研究 12 機組普遍采用的錐筒型塔筒為研究對象，對“風電塔筒受力模型”進行初步探討，以便于為塔筒的設計和結構改良奠定基礎。以 風電機組為原型，建立塔筒的力學模型，分析其在工況以及極限載荷等變工況下的受力情況，以實現對風力發電機塔筒的結構優化設計。具體內容如下：第一章對本研究課題的選題背景及其科學意義進行了闡述。通過對國內外研究與發展狀況的歸納分析，提出了本論文的研究內容并簡述了主要研究目的。第二章建立風電機組塔筒受力模型，使塔筒的整體結構得到簡化，為下章塔筒的受力分析奠定基礎。同時也對材料的屬性及本構關系作了具體的闡述。第三章探討了風力機塔筒在工況、極限載荷等變工況下的受力情況，驗證塔筒在各種載荷情況下的最大應力是否超出材料的許用應力，是否滿足靜強度要求。同時，通過塔筒坐標系，對風電機組塔筒的受力進行了具體分析。第四章對風電機組塔筒進行屈曲分析，采用特征值方法來分析塔筒的穩定性問題。第五章以塔筒壁厚為設計變量，塔筒質量為目標函數，塔底應力、塔頂變形、一階固有頻率與一階屈曲因子的控制指標為約束條件對該塔筒的優化設計進行了初步探討。第六章對全文的分析與研究進行了總結與歸納，并對需深入研究的問題提出了作者的見解。蘭州理工大學本科畢業論文13第二章 塔筒受力模型的建立2．1 結構簡化風力發電機組塔筒除塔筒本身外，還有一些其他的附屬設備，如平臺、爬梯、門洞等。分析計算時，塔筒幾何模型簡化的原則是在保證計算精度的前提下，對一些與所研究塔筒強度、自振特性、穩定性沒有重要作用或者承受載荷情況并不關鍵的部位作簡化，這樣既減輕了建模的工作量，又不會影響分析結果的精確性。建立模型時以 風力發電機組塔筒為例，作如下簡化(簡化后的結構如圖 21 所示)：風電塔筒受力模型分析研究 14 圖 21 塔筒結構簡化圖（1）塔筒簡化為底部固定、頂端自由的空間薄壁錐筒形結構，并考慮門洞的影響；（2）由于爬梯、休息平臺主要承受豎向荷載，并且與塔筒之間為軟連接，可將其質量附加到塔筒上；（3）風輪與機艙簡化為作用在塔筒上方的偏心質量塊，保證其重心與實際結構的重心重合。2．2 材料屬性根據水平軸風力發電機塔筒的主要幾何特征與力學特性，在保證計算精度的情況下，塔筒筒身材料為 Q345 鋼，其力學性能參數為：密度 103kg/m3，彈性模量 1011Pa，泊松比 ，熱膨脹系數 105℃，屈服強度 105kN/m2，抗拉強度 105kN/m2。機艙與風輪的簡化質量塊密度為 103kg/m3，與塔筒相比可視為剛體。2．3 材料的本構關系本構關系是指結構在受力過程中材料的應力一應變關系，目前國內外對鋼材的應力一應變關系研究成果比較成熟，本文為了計算上的方便與合理，采用由 4 段直線構成的鋼材應力—應變關系曲線 [22,23]，如圖 22 所示。圖中 σ 為鋼材的應力，ε為鋼材應變，f y 為鋼材的屈服強度，f u 為鋼材的極限強度。蘭州理工大學本科畢業論文15圖 22 鋼材應力—應變曲線彈性階段(oa)：σ=E yε，0ε ε 1屈服段(ab)：σ=f y，ε 1ε ε 2，ε 2=10ε 1強化段(bc)：σ= f y +Ey/[150(ε 1ε 2)]，ε 2ε ε 3二次塑流段(cd)：σ=f u，ε 3ε，ε 3=100ε，E y=206 000MPa風電塔筒受力模型分析研究 16 第三章 塔筒的受力分析塔筒是風力發電機的主要支撐結構。它不僅要有一定的高度，使風力發電機在較為理想的位置上運轉；而且還應有足夠的強度和剛度，以保證在臺風或者暴風襲擊時不會使整機傾倒，其設計水平將直接影響風力發電機的工作性能和可靠性。為了確保風力發電機組的正常運行，提高塔筒自身的可靠性，在設計塔筒結構時必須充分考慮塔筒的應力和變形，因而塔筒的受力分析是風力發電機組設計中的一項重要的工作。現對 風力發電機組進行受力分析。該風電場基本數據：該風電場位于丘陵地帶，海拔 1500m，平均氣壓為 830hPa，風速高，風力大，年平均風日 70 天，年最大風日 123 天，年平均風速 ，最大風速 28m/s，10 分鐘平均最大風速達 26m/s，70m 處的年平均風速為 。該地區 風力發電機組其它主要技術參數：風輪質量(含輪轂)10 4kg，機艙質量 104kg，休息平臺厚度 ，葉片長度 30m，葉片最寬處寬度 ，風輪轉速 ，切入風速 ，額定風速13m/s，切出風速 25m/s，抗最大風速 50m/s。3．1 各工況下風荷載計算3．1．1 確定分析工況在風力發電機的工作過程中，當風速 V 大于切入風速 Vq時，發電機有功率輸出，但是小于額定功率 P0；當風速 V 等于額定風速 V0時，發電機輸出額定功率 P0；當風速大于額定風速 V0時，從理論上講將維持功率恒定，但實際中通常有些下降 [24]，如圖 31 所示；當風速大于切出風速 Vc時，為安全起見，風力發電機將停止工作。在某地區 50 年一遇極限風荷載情況下，根據《建筑結構荷載規范》(GB500092022)[25]中的全國基本風壓分布圖及附近地區規定，基本風壓取為 ／m 2。蘭州理工大學本科畢業論文17圖 31 任一地貌任一高度處的風壓與標準地貌 10m 高處基本風壓存在如下關系 [26]：0??z?式中：ω z為任一地貌任一高度處的風壓；μ z為風壓高度變化系數；ω 0為標準地貌 10m 高處的基本風壓。根據《建筑結構荷載規范》(G