三肢柱格构式钢管混凝土风电塔架载荷计算及力学性能研究

摘要

现阶段在国际风电市场上，风电机组大都采用锥筒式塔筒，但这种结构形式应用于单机大容量风电机组时，存在尺寸过大、运输不便、材料利用率低和塔影效应明显（尤其对下风向风电机组）的弊端，新型、经济、运输便捷的风电机组塔架形式亟待出现。但现阶段，在我国国内不仅对兆瓦级风电机组塔架所受载荷来源、种类、计算方法等尚无明确规范，而且对风电机组塔架设计合理性判断标准也处于探索阶段。有关风电塔架设计的核心技术缺乏，创新能力不足。因此，编纂适合我国国情、拥有完全核心设计产权的“高鸡腿哑铃式”高耸结构的载荷计算规范、机组设计规程以及探索新型格构式钢管混凝土塔架在风电机组上的应用具有重要意义。
　　本文以某风电场2MW风电机组塔架为例，根据国内外三种风电载荷计算规范，对比分析了风电机组在不同工况下所受的载荷。应用 SAP2000有限元分析软件，对风力发电机塔架进行了静载分析、模态分析、动力响应分析等方面研究。
　　研究结果表明，JB/T规范和日本规范所给出的载荷计算结果相比BLADED计算结果，存在考虑工况不够全面、荷载计算种类缺失等问题。BLADED计算结果中启转、正常发电、紧急停机工况下的载荷峰值与其余五种工况相比明显偏大；启转工况下，塔顶载荷时程函数在仿真时间内具有逐渐增大的趋势；正常发电工况下，塔顶载荷时程函数在仿真时间内具有平稳波动的特性；紧急停机工况下，塔顶载荷时程函数在仿真时间内具有突然减少的特性。模态分析结果表明，塔架一、二阶固有频率避开了叶片旋转频率与三倍旋转频率范围，可以避免共振现象；静力分析中，得到在启转工况下塔架顶部发生最大位移324mm，紧急停机工况下柱肢最大拉力为7099kN均小于位移限值与抗力。动力分析中正常发电工况下塔架的最大位移达到446mm，仍小于位移限值。本文建议，当风电机组处于正常运行工况时，应加强对风电机组的运行监测，以免发生故障。

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1绪论

1.1风力发电背景及产业概况

1.2风力发电塔架研究现状

1.3塔架研究中存在的主要问题

1.4课题的目的和意义

1.5本文研究内容及创新

2风场及机组模拟

2.1 GHBLADED简介

2.2 风场模拟

2.3机组建模

2.4本章小结

3风电机组载荷分析

3.1 载荷类型

3.2载荷坐标系

3.3 BLADED载荷计算

3.4 JB/T规范计算

3.5 日本风电设计指南计算

3.6计算结果比较

3.7 本章小结

4塔架的力学性能分析

4.1塔架选型

4.2 塔身风荷载和塔架计算简图

4.3塔架的整体稳定性验算

4.4 有限元模型的建立

4.5模态分析

4.6 静载强度分析

4.7 塔架动力响应

4.8屈曲稳定性分析

4.9塔架表面防护对其力学性能影响分析

4.10本章小结

5结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

在学研究成果

致谢