兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jì)主要由工況二(即暴風(fēng)工況來(lái)控制。在該工況下,對(duì)系統(tǒng)的各部件局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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(gè)H 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)重要的承力構(gòu)件,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子僅承受風(fēng)輪傳

2、遞的扭矩。(2剎車(chē)裝置是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)保證安全停機(jī)、檢修等必不可少的部件。(3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要比較不同運(yùn)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(jì)。參考文獻(xiàn):1嚴(yán)強(qiáng),蔣超奇.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用J .上海電力,2007(2.2熊禮儉.風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范M .北京:中國(guó)科技文化出版社,2003.3張國(guó)銘.論兆瓦級(jí)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的合理性J .風(fēng)力發(fā)電,2001(4.4張富昌.幾種新式立軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方案J .新能源,1998(9.5趙繼華.旋流式立軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行原理及特性J .可再生能源,2002(4.6蔣超奇,嚴(yán)強(qiáng).水平軸與

3、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較研究J .上海電力,2007(2.7上海麟風(fēng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有限公司.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組S.上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/TNJ H 012007.8陳精一,蔡國(guó)忠.電腦輔助工程分析ANSYS 使用指南M .北京:中國(guó)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(shí)用實(shí)例M .北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.收稿日期:2007209226作者簡(jiǎn)介:牛海峰(19772,男,山西人,碩士研究生,工程師,從事垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)械設(shè)計(jì)及工藝研究,021*

4、。(責(zé)任編輯:杜建軍兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顧岳飛(上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司,上海200241摘要:利用有限元分析,研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的動(dòng)態(tài)特性及影響因素,并采用仿真技術(shù)對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)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(jì)對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;塔架;有限元分析;固有頻率中圖分類(lèi)號(hào):T K83文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B1引言風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架受到多種載荷的共同作用,除了要支撐風(fēng)力機(jī)自身的重量(風(fēng)輪和機(jī)艙和葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷之外,還有自然風(fēng)的作用。塔架的變形和振動(dòng),不僅會(huì)增大附加應(yīng)力和降低整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,還可能影響到其它部件的變形,導(dǎo)致性

5、能下降。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架應(yīng)滿足動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求,以防止共振和動(dòng)力失穩(wěn)造成對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。所以,在設(shè)計(jì)塔架時(shí)需通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù),對(duì)塔架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行具體分析。仿真設(shè)計(jì)技術(shù)是建立在國(guó)際通用的大型軟件平臺(tái)之上,它是將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、有限元技術(shù)和數(shù)據(jù)的前后處理技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起,使用三維軟件建立模型,通過(guò)加載進(jìn)行計(jì)算后,可知道所設(shè)計(jì)零件的強(qiáng)度如何,結(jié)構(gòu)是否合理,直至其動(dòng)態(tài)性能。如果不合理,可進(jìn)行修改,直至得到滿意地結(jié)果。815專(zhuān)題研討上海電力2007年第5期由于仿真設(shè)計(jì)中不需要制造實(shí)物樣機(jī),樣機(jī)的性能檢測(cè)可采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)完成,加快了設(shè)計(jì)的進(jìn)度和可靠性。2塔架固有動(dòng)態(tài)特性的影響因素2.1塔架的

6、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架一般為錐筒鋼結(jié)構(gòu)形式,在進(jìn)行有限元分析時(shí),單元應(yīng)采用殼單元。機(jī)組在實(shí)際運(yùn)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(shí)際盡可能接近,故而在三維建模時(shí),頂部加了附加圓形板單元。這樣建立的塔架模型在進(jìn)行有限元分析時(shí),其計(jì)算結(jié)果能與實(shí)際情況達(dá)到最大的吻合。同時(shí),塔架的底部與地基(近似為剛性相連,可認(rèn)為位移為零,是簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。2.2塔架的載荷分布特點(diǎn)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(fēng)輪承受的氣動(dòng)載荷。塔架頂部的質(zhì)量力主要是塔架、風(fēng)輪和短艙上的重量,計(jì)算時(shí)可認(rèn)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(fēng)輪和機(jī)艙上的氣動(dòng)載荷、慣性載荷作用在塔架頂部會(huì)影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)度,但不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)態(tài)特性,因此忽略了塔架頂部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)自然風(fēng)在時(shí)間和空間上分布的特點(diǎn),需要考慮風(fēng)速和風(fēng)向沿塔架高度的分布規(guī)律。塔架受到風(fēng)壓作用時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移和脈動(dòng),這種風(fēng)壓又分為穩(wěn)定風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)。在有限元計(jì)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(dòng)載荷等長(zhǎng)分段,每段平均分配在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。3塔架靜力分析3.1載荷分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guò)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(fēng)力機(jī)漿葉上的軸向力。機(jī)組運(yùn)行時(shí)作用在

8、風(fēng)輪掃風(fēng)面積上的軸向推力可用式(1計(jì)算:F n=1/2×C t V2S(1式中C t推力系數(shù);V風(fēng)速,m/s;空氣密度,kg/m3;S風(fēng)輪掃風(fēng)面積,m2。風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)作用在風(fēng)輪迎風(fēng)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(dòng)力系數(shù),C n=1.6;V風(fēng)速(50年最大陣風(fēng)風(fēng)速;A風(fēng)機(jī)迎風(fēng)面積,m2。計(jì)算式(1與式(2,通過(guò)比較,取其最大值進(jìn)行靜力分析。3.2有限元靜力分析應(yīng)用式(1與式(2計(jì)算出的風(fēng)力機(jī)承受的最大軸向力及各部件的重量,對(duì)塔架強(qiáng)度進(jìn)行校核,利用三維軟件提供的結(jié)構(gòu)靜力分析來(lái)研究此問(wèn) 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(fēng)引起的軸向推力(取F n和F a的最大值;F t為塔架風(fēng)壓力。根據(jù)塔架的設(shè)計(jì)尺寸,對(duì)其進(jìn)行了三維建模,并通過(guò)軟件劃分了網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)對(duì)塔頂加載及對(duì)塔架底部固定后,即可開(kāi)始計(jì)算,計(jì)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(kuò)展模態(tài)、檢查結(jié)果等組成。對(duì)塔架進(jìn)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(duì)塔架的底部固定,然后便可進(jìn)入軟件求解器進(jìn)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(jī)艙塔架前三階固有頻率的模態(tài)分析及其

10、對(duì)應(yīng)的振型曲線。5塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)整機(jī)的分析,塔架、葉片、機(jī)艙等部件的尺寸由于受結(jié)構(gòu)的限制,變動(dòng)的可能性較小,而塔架又是整機(jī)中最重要的部件之一,故重點(diǎn)對(duì)塔架的9152007年第5期上海電力專(zhuān)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)塔架的結(jié)構(gòu)選擇了4個(gè)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(jì)算次數(shù),對(duì)計(jì)算進(jìn)行了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),確定該試驗(yàn)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(shí)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(biāo),通過(guò)計(jì)算可得到重量較輕的兩個(gè)方案。再進(jìn)一步對(duì)上述試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的塔架,分別建立有限元模型來(lái)計(jì)算其應(yīng)力分布,檢驗(yàn)其強(qiáng)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(jì)方法需通過(guò)試制樣機(jī)進(jìn)行檢測(cè),才能確定設(shè)計(jì)的合理性。如果不合理,需再次試制樣機(jī)。這種方法研制周期長(zhǎng),設(shè)計(jì)中的盲目性大。運(yùn)用仿真技術(shù)可以避免這一缺點(diǎn),通過(guò)修改參數(shù)來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì),可大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)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(jìn)行有限元分析時(shí),其計(jì)算結(jié)果能與實(shí)際情況達(dá)到最大的吻合。(3通過(guò)對(duì)塔進(jìn)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)是合理的。(4通過(guò)對(duì)塔的“4因素3水平”的正交優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高塔架剛度、結(jié)構(gòu)緊湊為優(yōu)化目標(biāo),得出了塔架的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),為塔架的設(shè)計(jì)與制造提供了可靠的理論依據(jù)。參考文獻(xiàn):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(jì)與計(jì)算J .北京:中國(guó)石化出版社,2002.3葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)J .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.4李本立,宋憲耕,賀德馨,安玉華.風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.5熊禮儉.風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手

13、冊(cè)M .北京:中國(guó)科技文化出版社,2005.6王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(新版M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.收稿日期:2007210221作者簡(jiǎn)介:顧岳飛(19782,男,上海人,本科,工程師,從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其有限元分析,021*×8052。(責(zé)任編輯:杜建軍電力簡(jiǎn)訊閔行南橋220kV 線路增容改造工程開(kāi)工據(jù)超高壓報(bào)11月15日?qǐng)?bào)道:2008年度迎峰項(xiàng)目閔行至南橋220kV 線路增容工程于2007年11月2日正式開(kāi)工。計(jì)劃于2008年6月完工。本工程從閔行電廠220kV 出線開(kāi)始,通過(guò)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(zhǎng)7.5km 的同塔雙回路線路,為跨越黃埔江段,新