兆瓦級風力發(fā)電機組塔架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

1、型式下工況二結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力情況要高于工況一,其中工況二支持翼的最大VonMises 等效應(yīng)力是工況一的2.47倍,工況二下的葉片縱向最大應(yīng)力是工況一的1.6倍,因此結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要由工況二(即暴風工況來控制。在該工況下,對系統(tǒng)的各部件局部進行優(yōu)化設(shè)計,可最終確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸。表1結(jié)構(gòu)變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力工況整體結(jié)構(gòu)變形/mm 支持翼等效應(yīng)力/MPa 葉片縱向最大應(yīng)力/MPa 葉片周向最大應(yīng)力/MPa 軸等效應(yīng)力/MPa一918987017221151769二1017641741453416925165813717743結(jié)論(1主軸組件為整個H 型垂直軸風力發(fā)電機重要的承力構(gòu)件,發(fā)電機轉(zhuǎn)子僅承受風輪傳

2、遞的扭矩。(2剎車裝置是風力發(fā)電機系統(tǒng)保證安全停機、檢修等必不可少的部件。(3結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要比較不同運行工況荷載組合,確定結(jié)構(gòu)的最不利工況,結(jié)構(gòu)必須能夠滿足該工況下的安全性設(shè)計。參考文獻:1嚴強,蔣超奇.垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢和應(yīng)用J .上海電力,2007(2.2熊禮儉.風力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計、運行、維護及標準規(guī)范M .北京:中國科技文化出版社,2003.3張國銘.論兆瓦級垂直軸風力發(fā)電機的合理性J .風力發(fā)電,2001(4.4張富昌.幾種新式立軸風力機設(shè)計方案J .新能源,1998(9.5趙繼華.旋流式立軸風力機運行原理及特性J .可再生能源,2002(4.6蔣超奇,嚴強.水平軸與

3、垂直軸風力發(fā)電機的比較研究J .上海電力,2007(2.7上海麟風風力發(fā)電設(shè)備有限公司.垂直軸風力發(fā)電機組S.上海市企業(yè)標準(Q/TNJ H 012007.8陳精一,蔡國忠.電腦輔助工程分析ANSYS 使用指南M .北京:中國鐵道出版社,2001.9博弈創(chuàng)作室.APDL 參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其實用實例M .北京:中國水利水電出版社,2004.收稿日期:2007209226作者簡介:牛海峰(19772,男,山西人,碩士研究生,工程師,從事垂直軸風力發(fā)電機材料和結(jié)構(gòu)CA E 分析,021252360051;張冬(19792,男,安徽人,本科,工程師,從事垂直軸風力發(fā)電機械設(shè)計及工藝研究,021*

4、。(責任編輯:杜建軍兆瓦級風力發(fā)電機組塔架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計顧岳飛(上海電氣風電設(shè)備有限公司,上海200241摘要:利用有限元分析,研究了風力發(fā)電機組塔架的動態(tài)特性及影響因素,并采用仿真技術(shù)對兆瓦級風力發(fā)電機組塔架進行了靜態(tài)和動態(tài)分析。為優(yōu)化塔架的結(jié)構(gòu)參數(shù),采用正交設(shè)計對其結(jié)構(gòu)尺寸進行了優(yōu)化。關(guān)鍵詞:風力發(fā)電機組;塔架;有限元分析;固有頻率中圖分類號:T K83文獻標識碼:B1引言風力發(fā)電機組塔架受到多種載荷的共同作用,除了要支撐風力機自身的重量(風輪和機艙和葉片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動載荷之外,還有自然風的作用。塔架的變形和振動,不僅會增大附加應(yīng)力和降低整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度,還可能影響到其它部件的變形,導(dǎo)致性

5、能下降。風力發(fā)電機組塔架應(yīng)滿足動力學設(shè)計要求,以防止共振和動力失穩(wěn)造成對結(jié)構(gòu)的破壞。所以,在設(shè)計塔架時需通過動態(tài)仿真技術(shù),對塔架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行具體分析。仿真設(shè)計技術(shù)是建立在國際通用的大型軟件平臺之上,它是將計算機輔助設(shè)計技術(shù)、有限元技術(shù)和數(shù)據(jù)的前后處理技術(shù)有機地結(jié)合在一起,使用三維軟件建立模型,通過加載進行計算后,可知道所設(shè)計零件的強度如何,結(jié)構(gòu)是否合理,直至其動態(tài)性能。如果不合理,可進行修改,直至得到滿意地結(jié)果。815專題研討上海電力2007年第5期由于仿真設(shè)計中不需要制造實物樣機,樣機的性能檢測可采用先進的數(shù)值模擬技術(shù)完成,加快了設(shè)計的進度和可靠性。2塔架固有動態(tài)特性的影響因素2.1塔架的

6、結(jié)構(gòu)特點兆瓦級風力發(fā)電機組塔架一般為錐筒鋼結(jié)構(gòu)形式,在進行有限元分析時,單元應(yīng)采用殼單元。機組在實際運行中,塔架頂部短艙的回轉(zhuǎn)下支座剛度大,變形很小,因此與之相連部分的塔架變形也很小。為使所建立的有限元模型與實際盡可能接近,故而在三維建模時,頂部加了附加圓形板單元。這樣建立的塔架模型在進行有限元分析時,其計算結(jié)果能與實際情況達到最大的吻合。同時,塔架的底部與地基(近似為剛性相連,可認為位移為零,是簡支結(jié)構(gòu)。2.2塔架的載荷分布特點塔架承受的載荷主要有頂部受到的質(zhì)量載荷,以及塔架、短艙和風輪承受的氣動載荷。塔架頂部的質(zhì)量力主要是塔架、風輪和短艙上的重量,計算時可認為其均勻傳遞,因此可作為質(zhì)量力集

7、中作用在塔架頂部。風輪和機艙上的氣動載荷、慣性載荷作用在塔架頂部會影響結(jié)構(gòu)振動強度,但不會改變結(jié)構(gòu)的固有動態(tài)特性,因此忽略了塔架頂部的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)自然風在時間和空間上分布的特點,需要考慮風速和風向沿塔架高度的分布規(guī)律。塔架受到風壓作用時結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生偏移和脈動,這種風壓又分為穩(wěn)定風和脈動風。在有限元計算中采用前者并乘以修正系數(shù)的方法。因此,將塔架上的氣動載荷等長分段,每段平均分配在兩個節(jié)點上。3塔架靜力分析3.1載荷分析風力發(fā)電機組在各種工況條件下受到的載荷是多種多樣的,其方向與大小也不同,經(jīng)過分析,塔架承受的載荷主要是塔架上各部件的重量、塔架的自重及作用在風力機漿葉上的軸向力。機組運行時作用在

8、風輪掃風面積上的軸向推力可用式(1計算:F n=1/2×C t V2S(1式中C t推力系數(shù);V風速,m/s;空氣密度,kg/m3;S風輪掃風面積,m2。風力機停機時作用在風輪迎風面積上的軸向力可用式(2表示:F a=1/2×C nV2A(2式中C n空氣動力系數(shù),C n=1.6;V風速(50年最大陣風風速;A風機迎風面積,m2。計算式(1與式(2,通過比較,取其最大值進行靜力分析。3.2有限元靜力分析應(yīng)用式(1與式(2計算出的風力機承受的最大軸向力及各部件的重量,對塔架強度進行校核,利用三維軟件提供的結(jié)構(gòu)靜力分析來研究此問 題。塔架的受力情況如圖1所示。圖1塔架受力示意圖

9、圖1中,G g為塔架上各部件的總重量;F max為由風引起的軸向推力(取F n和F a的最大值;F t為塔架風壓力。根據(jù)塔架的設(shè)計尺寸,對其進行了三維建模,并通過軟件劃分了網(wǎng)格。經(jīng)過對塔頂加載及對塔架底部固定后,即可開始計算,計算后可得到塔架靜力分析結(jié)果。4塔架模態(tài)分析模態(tài)分析主要由建模、施加約束及求解、擴展模態(tài)、檢查結(jié)果等組成。對塔架進行模態(tài)分析的建模方法與塔架的靜力分析的建模方法是一致的,但在分析中必須指定材料的彈性模量、密度及泊松比。建好塔架的模型后,要對塔架的底部固定,然后便可進入軟件求解器進行求解,得出塔架前三階的固有頻率。圖2、圖3和圖4分別為帶機艙塔架前三階固有頻率的模態(tài)分析及其

10、對應(yīng)的振型曲線。5塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通過對整機的分析,塔架、葉片、機艙等部件的尺寸由于受結(jié)構(gòu)的限制,變動的可能性較小,而塔架又是整機中最重要的部件之一,故重點對塔架的9152007年第5期上海電力專題研討 圖2 塔架一階模態(tài)模型及振型曲線圖3 塔架二階模態(tài)模型及振型曲線圖4塔架三階模態(tài)模型及振型曲線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。對塔架的結(jié)構(gòu)選擇了4個可變的結(jié)構(gòu)參數(shù),分別為:D 座塔底的外徑;D 頂塔頂?shù)耐鈴?t 座塔底的壁厚;t 頂塔頂?shù)谋诤?。為減少計算次數(shù),對計算進行了正交試驗設(shè)計,確定該試驗為“4因素3水平”,這種方法可算出9種結(jié)果。以該結(jié)構(gòu)參數(shù)能獲得最合理的固有頻率,保證固有頻率不在共振范圍內(nèi),同時保

11、證最大應(yīng)力值小于材料許用應(yīng)力,選擇體積緊湊,重量最輕為優(yōu)化目標,通過計算可得到重量較輕的兩個方案。再進一步對上述試驗所對應(yīng)的塔架,分別建立有限元模型來計算其應(yīng)力分布,檢驗其強度是否滿足材料許用要求。6結(jié)論(1常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需通過試制樣機進行檢測,才能確定設(shè)計的合理性。如果不合理,需再次試制樣機。這種方法研制周期長,設(shè)計中的盲目性大。運用仿真技術(shù)可以避免這一缺點,通過修改參數(shù)來改進設(shè)計,可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。(2塔架有限元分析采用殼單元,頂部加了附加圓形板單元。建立的塔架模型進行有限元分析時,其計算結(jié)果能與實際情況達到最大的吻合。(3通過對塔進行靜力分析,塔的最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔的根部,隨著高

12、度增加,應(yīng)力逐漸減小,因此塔的截面按照變截面來進行設(shè)計是合理的。(4通過對塔的“4因素3水平”的正交優(yōu)化設(shè)計,以提高塔架剛度、結(jié)構(gòu)緊湊為優(yōu)化目標,得出了塔架的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),為塔架的設(shè)計與制造提供了可靠的理論依據(jù)。參考文獻:1王富恥,張朝暉.有限元分析理論和工程應(yīng)用J .北京:電子工業(yè)出版社,2006.2徐至鈞.高塔基礎(chǔ)設(shè)計與計算J .北京:中國石化出版社,2002.3葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)J .北京:機械工業(yè)出版社,2002.4李本立,宋憲耕,賀德馨,安玉華.風力機結(jié)構(gòu)動力學M .北京:北京航空航天大學出版社,1999.5熊禮儉.風力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計、運行、維護及標準規(guī)范實用手

13、冊M .北京:中國科技文化出版社,2005.6王文斌.機械設(shè)計手冊(新版M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.收稿日期:2007210221作者簡介:顧岳飛(19782,男,上海人,本科,工程師,從事機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及其有限元分析,021*×8052。(責任編輯:杜建軍電力簡訊閔行南橋220kV 線路增容改造工程開工據(jù)超高壓報11月15日報道:2008年度迎峰項目閔行至南橋220kV 線路增容工程于2007年11月2日正式開工。計劃于2008年6月完工。本工程從閔行電廠220kV 出線開始,通過閔南2101、2102線路走廊、至南橋變電站220kV 構(gòu)架上;工程將新建1條約長7.5km 的同塔雙回路線路,為跨越黃埔江段,新