垂直轴风力机主轴结构优化设计
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3 风机主轴的优化研究
经专家学者们几十年的研究 ,结构尺寸优化 设计的理论和方法已经发展得较为成熟 。从最早 的数学规划法 [ 4 ] 和准则法 [ 5, 6 ] ,发展到后来的基 于可靠性 ( Reliability2Based)的优化方法 、基因算 法 ( GeneticA lgorithm s) 、神经网络法 (Neural Net2 works) 、基于最大熵原理 (M aximumntropy Princi2 p le)的算法 [ 7 ] 。
机主轴 10段壁厚为优化参数 ,在给定许用应力和 稳定性条件的基础上进行优化设计 。 3. 1 结构形式及载荷情况
本文所讨论的垂直轴风机高 134. 47 m ,属于 高耸结构 ,主轴材料采用 Q345钢材 ,弹性模量为 E = 200 GPa,泊松比为 υ= 0. 17,密度为 ρ= 7. 8 × 103 kg /m3 。
2. 1 主轴在风力机组中的重要作用 风力机主轴是风力发电机组中的主要支承装
置 。目前常见的主轴有锥筒式 、桁架式 、混凝土式 等几种形式 。现代大型风力发电机组通常采用锥 筒式主轴 。这种形式的主轴一般由若干段 20 ～ 30 m 的锥筒用法兰联接而成 ,主轴由底向上直径 逐渐减小 ,整体呈圆台状 ,因此也称此类主轴为圆 台式主轴 。其优点是安全性能好 ,且维修时比较 方便安全 。在国际风电市场上 ,现代大型风力发 电机组普遍采用锥筒式主轴 。
而垂直轴风力机与之相反 ,风轮围绕一个垂直 轴旋转 [1 ] 。垂直轴风力机又可分为两个主要类型 , 一类是是利用空气动力的阻力做功 ,典型的结构是 S型风轮 。另一类是利用翼型的升力做功 ,最典型 的是达里厄型风力机 。达里厄风力机有多种形式 , Φ型、H型 、Y型和菱形。基本上是直叶片和弯叶
片两种 ,以 H型、Φ型风轮为典型 。 1. 2 垂直轴风力机的性能特点
第 36卷 第 10期 2008年 10月
Vol. 36 No. 10 Oct. 2008
垂直轴风力机主轴结构优化设计
张婷婷 1 ,王红霞 1 ,代泽兵 2
(1. 上海交通大学 工程力学系 ,上海 200030; 2. 国家电网公司 北京电力建设研究院 ,北京 102401)
摘 要 :水平轴风力机是目前应用最广的风力机类型 ,但垂直轴风力机具有诸多水平轴风力机无法比拟的优良 性能 ,并越来越收到人们的关注 。主要介绍了垂直轴风力机及其发展情况 ,建立以圆筒式垂直轴风力机主轴重 量最小为优化目标的数学模型 ,以 iSIGHT为平台 ,对其主轴壁厚进行了优化设计 ,使主轴在满足强度和稳定性 的前提下取得了显著的减重效果 ,大大降低了风力发电机组的成本 。 关键词 :垂直轴风力机 ;主轴 ;结构优化设计 作者简介 :张婷婷 (19842) ,女 ,硕士研究生 ,从事垂直轴风力机结构有限分析研究 。 中图分类号 : TK83 文献标识码 : A 文章编号 : 100129529 (2008) 1020134204
本文拟对某垂直轴风机的变截面圆筒式主轴 做优化分析 。该主轴底部固定 ,有 3根纤绳固定 。 风机的横撑及叶片所受风载及自重对主轴的影响 通过静力等效的方式施加在主轴上 ,主轴本身受 到的风载荷按实际沿高度施加 ,纤绳对主轴的作 用也用等效力施加在主轴上 ,在这些载荷以及主 轴的自重作用下 ,优化主轴内外筒的壁厚 ,使其重 量最轻 ,并能保证结构不发生屈曲 。
1. 680
35
9
132. 26
125. 46
1. 525
35
10 134. 47
133. 365
1. 500
35
上下 2个横支撑及叶片作用在主轴上的荷载 如表 2所示 ,横支撑上的荷载与叶片上的荷载通 过静力等效叠加在一起 。载荷方向 x是指横支撑 与叶片所受风荷载作用方向 ,与风向相同 ;载荷方 向 z是指横支撑和叶片由于自重作用在主轴上的 荷载 。
3. 000
35
2
22. 66
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38. 66
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2. 660
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4
54. 66
46. 66
2. 470
35
5
70. 66
62. 66
2. 270
35
6
86. 66
78. 66
2. 070
35
7
102. 66
94. 66
1. 880
35
8
118. 66
110. 66
在整个风力发电机组中 ,主轴的作用是支撑 轮辐和叶轮 ,把叶轮等部件举到设计高度处运行 , 以获得足够的能量驱动叶轮转动 ,并带动发电机 按照设计的额定功率发电 。同时 ,主轴又是整个 风力发电机组的承载基础 ,它需要要有足够的强 度和刚度 ,以保证机组在各种载荷情况下能正常 运行 ,还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件 ,如 台风或暴风袭击影响时的安全性 。因此 ,一方面 主轴要满足以上高度 、刚度 、强度等要求 ,另一方 面主轴还要减轻重量 ,降低成本 。
目前世界上应用较普遍的主要还是水平轴风 力机 ,以前曾错误地认为垂直轴风力发电机组的工 作机构 (叶片 )最大线速度对风速之比不可能大于 1,而对水平轴风力发电机组来说 ,这种比值可达到 5∶1以上。然而进入 20世纪 60～70年代 ,首先是 加拿大 ,然后是美国、英国的风电专家们经过实验 指出 ,上述的结论对于利用叶片上升风力的达里厄 转子是不适用的。就达里厄转子而论 ,工作机构线 速度对风速之比可达到 6∶1 以上 ,且风能利用系数 不比水平风力发电机组低 。另外 ,与水平轴风力机 相比 ,垂直轴风力机还有总体结构合理 ,对叶片的 结构要求低 ,不需要对风偏航机构 ,运行条件宽松 等优点 [ 2 ] 。
Structure optim iza tion design for cylindr ica l vertica l2ax is w ind turb ines
ZHAN G T ing2ting1 , WAN G Hong2x ia1 , DA I Z e2bing2 (1. Dep t. of Engineering Mechanics, Shanghai J iaotong Univ. , Shanghai 200030, China; 2. Beijing Electric Power Construction Research Institute of SGCC, Beijing 102401, China)
Abstract:Due to the advantages over the horizontal2axis wind turbine which is currently used widely, the vertical2axis wind turbine is achieving more and more attentions. The cylindrical vertical2axis wind turbine as well as its development is p resented, and its mathematical model was constructed with the aim of m inim izing the weight of the p rincipal axis while maintaining its strength and stability. The results are satisfactory. Key words: cylindrical vertical2axis wind turbine; p rincipal axis; structure op tim ization design
近年来 ,对结构尺寸优化设计的研究多侧重 于如何在生产设计各个领域中针对具体问题合理 有效的应用结构尺寸优化设计 ,如文献 [ 8, 9 ]将 尺寸优化设计应用于旋风除尘器的设计 ,文献 [ 10 ]将尺寸优化设计应用于盒坯箱的设计 。
iSIGHT是美国 Engineious公司开发的过程 集成 、优化设计和稳健性设计的多学科设计优化 通用性软件 ,它提供了一个优化工具包 ,集成了 20多种常用的优化算法 ,且可以很方便的增加自
垂直轴风力机目前在我国还刚刚起步 , kW 级小型机还没达到实用阶段 。我国研制的目的 是通过采用我国开发的垂直轴风力机起动和调 控技术 ,使其风能转换效率达到高速水平轴风 力机水准 。进而开发出我国自己的大型垂直轴 风力发电机组 ,改变我国风电机组造型单一的 局面 [3 ] 。
2 垂直轴风力机主轴
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
136 (总 1292)
2008, 36 (10)
己的算法 。 本文基于 isight平台 ,结合有限元计算 ,以风
因此 ,相对于传统的水平轴风力发电机 ,垂直 轴风力发电机具有设计方法先进 、风能利用率高 、 起动风速低、无噪声等众多优点 ,具有更加广阔的 市场应用前景 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2. 2 主轴结构优化的必要性 风力发电机组尺寸巨大 ,成本较高 ,因此 ,降
低成本对于提高风力发电的竞争力有着至关重要 的作用 。风力发电机组的成本与机组的重量 、机 组的复杂性和机组各零部件使用的材料有直接关 系 。主轴是整个风力机组中重要的承载部件 ,其 设计水平将直接影响风力机的工作性能和可靠 性 。为确保风力机组的正常运行 ,提高主轴自身 的可靠性 ,在设计主轴结构时必须要充分考虑主 轴的强度 。
稳定性分析是分析主轴稳定性的重要环节 。 而且在对主轴壁厚等尺寸进行设计时 ,结构的稳 定性也是一项重要的决定因素 。其中最为重要的 是屈曲模态分析 ,它是分析稳定极限承载力的前 提 ,只有明确了所设计构件的屈曲模态 ,方能根据 模态的不同考虑初始缺陷分布形式 ,从而确保构 件设计时不漏掉不利情况 。
张婷婷 ,等 垂直轴风力机主轴结构优化设计
135 (总 1291)
1. 3 垂直轴风力机在国内外的发展情况 垂直轴风力机技术从 20世纪 70年代开始有
了较快的发展 ,并逐步形成商业化生产。当今所有 发达国家 ,如加拿大 、美国和荷兰都在实践中使用 了达里厄转子的垂直轴风力发电机组 。在开发具 有等厚叶片系列的达里厄转子方面 ,英国 VAW T 公司获得了最大的成就 。从 1986年起 ,该公司在 撒丁岛进行过容量 40 kW、配有直径 14 m 转子的 垂直轴式风力发电机组的现场试验 ,同年一台容量 130 kW、配有直径 25 m 转子的 VAW T2450垂直轴 式风力发电机组投入工业化运行。现在 ,该公司致 力于建造容量 500 kW 的 VAW T2850 风力发电机 组 ,还着手研制容量 1. 7 MW、装有转子直径为 67 m的 VAW T2240特大型风力发电机组 。
1 风力机简介
1. 1 风机的类型 风力机是一种将风能转换成机械能 、电能或热
能的能量转换装置 。风能转换系统可以分成两类 , 一类是利用空气推力做功 ,一类是利用空气的升 力。利用空气升力的风力机又可进一步细分 ,按照 它们旋转轴方向的不同 ,分成水平轴风力机和垂直 轴风力机 。
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转 , 工作时风轮的旋转平面与风向垂直 。风轮上的叶 片是径向安置的 , 与旋转轴相垂直 , 并与风轮的旋 转平面成一个角度 。
风机的具体结构见图 1。
图 1 某垂直轴风机结构图
将主轴将分 1பைடு நூலகம் 段的变截面圆筒结构对其进 行优化研究 ,其初始截面尺寸及沿高度方向的变 化规律如表 1所示 。
表 1 主轴截面尺寸沿高度方向的变化规律
序号
层段顶端 标高 /m
层段中间质点 标高 h /m
外径 < /m
壁厚 t /mm
1
7. 06
3. 53
经专家学者们几十年的研究 ,结构尺寸优化 设计的理论和方法已经发展得较为成熟 。从最早 的数学规划法 [ 4 ] 和准则法 [ 5, 6 ] ,发展到后来的基 于可靠性 ( Reliability2Based)的优化方法 、基因算 法 ( GeneticA lgorithm s) 、神经网络法 (Neural Net2 works) 、基于最大熵原理 (M aximumntropy Princi2 p le)的算法 [ 7 ] 。
机主轴 10段壁厚为优化参数 ,在给定许用应力和 稳定性条件的基础上进行优化设计 。 3. 1 结构形式及载荷情况
本文所讨论的垂直轴风机高 134. 47 m ,属于 高耸结构 ,主轴材料采用 Q345钢材 ,弹性模量为 E = 200 GPa,泊松比为 υ= 0. 17,密度为 ρ= 7. 8 × 103 kg /m3 。
2. 1 主轴在风力机组中的重要作用 风力机主轴是风力发电机组中的主要支承装
置 。目前常见的主轴有锥筒式 、桁架式 、混凝土式 等几种形式 。现代大型风力发电机组通常采用锥 筒式主轴 。这种形式的主轴一般由若干段 20 ～ 30 m 的锥筒用法兰联接而成 ,主轴由底向上直径 逐渐减小 ,整体呈圆台状 ,因此也称此类主轴为圆 台式主轴 。其优点是安全性能好 ,且维修时比较 方便安全 。在国际风电市场上 ,现代大型风力发 电机组普遍采用锥筒式主轴 。
而垂直轴风力机与之相反 ,风轮围绕一个垂直 轴旋转 [1 ] 。垂直轴风力机又可分为两个主要类型 , 一类是是利用空气动力的阻力做功 ,典型的结构是 S型风轮 。另一类是利用翼型的升力做功 ,最典型 的是达里厄型风力机 。达里厄风力机有多种形式 , Φ型、H型 、Y型和菱形。基本上是直叶片和弯叶
片两种 ,以 H型、Φ型风轮为典型 。 1. 2 垂直轴风力机的性能特点
第 36卷 第 10期 2008年 10月
Vol. 36 No. 10 Oct. 2008
垂直轴风力机主轴结构优化设计
张婷婷 1 ,王红霞 1 ,代泽兵 2
(1. 上海交通大学 工程力学系 ,上海 200030; 2. 国家电网公司 北京电力建设研究院 ,北京 102401)
摘 要 :水平轴风力机是目前应用最广的风力机类型 ,但垂直轴风力机具有诸多水平轴风力机无法比拟的优良 性能 ,并越来越收到人们的关注 。主要介绍了垂直轴风力机及其发展情况 ,建立以圆筒式垂直轴风力机主轴重 量最小为优化目标的数学模型 ,以 iSIGHT为平台 ,对其主轴壁厚进行了优化设计 ,使主轴在满足强度和稳定性 的前提下取得了显著的减重效果 ,大大降低了风力发电机组的成本 。 关键词 :垂直轴风力机 ;主轴 ;结构优化设计 作者简介 :张婷婷 (19842) ,女 ,硕士研究生 ,从事垂直轴风力机结构有限分析研究 。 中图分类号 : TK83 文献标识码 : A 文章编号 : 100129529 (2008) 1020134204
本文拟对某垂直轴风机的变截面圆筒式主轴 做优化分析 。该主轴底部固定 ,有 3根纤绳固定 。 风机的横撑及叶片所受风载及自重对主轴的影响 通过静力等效的方式施加在主轴上 ,主轴本身受 到的风载荷按实际沿高度施加 ,纤绳对主轴的作 用也用等效力施加在主轴上 ,在这些载荷以及主 轴的自重作用下 ,优化主轴内外筒的壁厚 ,使其重 量最轻 ,并能保证结构不发生屈曲 。
1. 680
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9
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1. 525
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10 134. 47
133. 365
1. 500
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上下 2个横支撑及叶片作用在主轴上的荷载 如表 2所示 ,横支撑上的荷载与叶片上的荷载通 过静力等效叠加在一起 。载荷方向 x是指横支撑 与叶片所受风荷载作用方向 ,与风向相同 ;载荷方 向 z是指横支撑和叶片由于自重作用在主轴上的 荷载 。
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94. 66
1. 880
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118. 66
110. 66
在整个风力发电机组中 ,主轴的作用是支撑 轮辐和叶轮 ,把叶轮等部件举到设计高度处运行 , 以获得足够的能量驱动叶轮转动 ,并带动发电机 按照设计的额定功率发电 。同时 ,主轴又是整个 风力发电机组的承载基础 ,它需要要有足够的强 度和刚度 ,以保证机组在各种载荷情况下能正常 运行 ,还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件 ,如 台风或暴风袭击影响时的安全性 。因此 ,一方面 主轴要满足以上高度 、刚度 、强度等要求 ,另一方 面主轴还要减轻重量 ,降低成本 。
目前世界上应用较普遍的主要还是水平轴风 力机 ,以前曾错误地认为垂直轴风力发电机组的工 作机构 (叶片 )最大线速度对风速之比不可能大于 1,而对水平轴风力发电机组来说 ,这种比值可达到 5∶1以上。然而进入 20世纪 60～70年代 ,首先是 加拿大 ,然后是美国、英国的风电专家们经过实验 指出 ,上述的结论对于利用叶片上升风力的达里厄 转子是不适用的。就达里厄转子而论 ,工作机构线 速度对风速之比可达到 6∶1 以上 ,且风能利用系数 不比水平风力发电机组低 。另外 ,与水平轴风力机 相比 ,垂直轴风力机还有总体结构合理 ,对叶片的 结构要求低 ,不需要对风偏航机构 ,运行条件宽松 等优点 [ 2 ] 。
Structure optim iza tion design for cylindr ica l vertica l2ax is w ind turb ines
ZHAN G T ing2ting1 , WAN G Hong2x ia1 , DA I Z e2bing2 (1. Dep t. of Engineering Mechanics, Shanghai J iaotong Univ. , Shanghai 200030, China; 2. Beijing Electric Power Construction Research Institute of SGCC, Beijing 102401, China)
Abstract:Due to the advantages over the horizontal2axis wind turbine which is currently used widely, the vertical2axis wind turbine is achieving more and more attentions. The cylindrical vertical2axis wind turbine as well as its development is p resented, and its mathematical model was constructed with the aim of m inim izing the weight of the p rincipal axis while maintaining its strength and stability. The results are satisfactory. Key words: cylindrical vertical2axis wind turbine; p rincipal axis; structure op tim ization design
近年来 ,对结构尺寸优化设计的研究多侧重 于如何在生产设计各个领域中针对具体问题合理 有效的应用结构尺寸优化设计 ,如文献 [ 8, 9 ]将 尺寸优化设计应用于旋风除尘器的设计 ,文献 [ 10 ]将尺寸优化设计应用于盒坯箱的设计 。
iSIGHT是美国 Engineious公司开发的过程 集成 、优化设计和稳健性设计的多学科设计优化 通用性软件 ,它提供了一个优化工具包 ,集成了 20多种常用的优化算法 ,且可以很方便的增加自
垂直轴风力机目前在我国还刚刚起步 , kW 级小型机还没达到实用阶段 。我国研制的目的 是通过采用我国开发的垂直轴风力机起动和调 控技术 ,使其风能转换效率达到高速水平轴风 力机水准 。进而开发出我国自己的大型垂直轴 风力发电机组 ,改变我国风电机组造型单一的 局面 [3 ] 。
2 垂直轴风力机主轴
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
136 (总 1292)
2008, 36 (10)
己的算法 。 本文基于 isight平台 ,结合有限元计算 ,以风
因此 ,相对于传统的水平轴风力发电机 ,垂直 轴风力发电机具有设计方法先进 、风能利用率高 、 起动风速低、无噪声等众多优点 ,具有更加广阔的 市场应用前景 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2. 2 主轴结构优化的必要性 风力发电机组尺寸巨大 ,成本较高 ,因此 ,降
低成本对于提高风力发电的竞争力有着至关重要 的作用 。风力发电机组的成本与机组的重量 、机 组的复杂性和机组各零部件使用的材料有直接关 系 。主轴是整个风力机组中重要的承载部件 ,其 设计水平将直接影响风力机的工作性能和可靠 性 。为确保风力机组的正常运行 ,提高主轴自身 的可靠性 ,在设计主轴结构时必须要充分考虑主 轴的强度 。
稳定性分析是分析主轴稳定性的重要环节 。 而且在对主轴壁厚等尺寸进行设计时 ,结构的稳 定性也是一项重要的决定因素 。其中最为重要的 是屈曲模态分析 ,它是分析稳定极限承载力的前 提 ,只有明确了所设计构件的屈曲模态 ,方能根据 模态的不同考虑初始缺陷分布形式 ,从而确保构 件设计时不漏掉不利情况 。
张婷婷 ,等 垂直轴风力机主轴结构优化设计
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1. 3 垂直轴风力机在国内外的发展情况 垂直轴风力机技术从 20世纪 70年代开始有
了较快的发展 ,并逐步形成商业化生产。当今所有 发达国家 ,如加拿大 、美国和荷兰都在实践中使用 了达里厄转子的垂直轴风力发电机组 。在开发具 有等厚叶片系列的达里厄转子方面 ,英国 VAW T 公司获得了最大的成就 。从 1986年起 ,该公司在 撒丁岛进行过容量 40 kW、配有直径 14 m 转子的 垂直轴式风力发电机组的现场试验 ,同年一台容量 130 kW、配有直径 25 m 转子的 VAW T2450垂直轴 式风力发电机组投入工业化运行。现在 ,该公司致 力于建造容量 500 kW 的 VAW T2850 风力发电机 组 ,还着手研制容量 1. 7 MW、装有转子直径为 67 m的 VAW T2240特大型风力发电机组 。
1 风力机简介
1. 1 风机的类型 风力机是一种将风能转换成机械能 、电能或热
能的能量转换装置 。风能转换系统可以分成两类 , 一类是利用空气推力做功 ,一类是利用空气的升 力。利用空气升力的风力机又可进一步细分 ,按照 它们旋转轴方向的不同 ,分成水平轴风力机和垂直 轴风力机 。
水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转 , 工作时风轮的旋转平面与风向垂直 。风轮上的叶 片是径向安置的 , 与旋转轴相垂直 , 并与风轮的旋 转平面成一个角度 。
风机的具体结构见图 1。
图 1 某垂直轴风机结构图
将主轴将分 1பைடு நூலகம் 段的变截面圆筒结构对其进 行优化研究 ,其初始截面尺寸及沿高度方向的变 化规律如表 1所示 。
表 1 主轴截面尺寸沿高度方向的变化规律
序号
层段顶端 标高 /m
层段中间质点 标高 h /m
外径 < /m
壁厚 t /mm
1
7. 06
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