大型风力发电机组塔架优化设计
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第３ ０卷 第７期 ２ ０ １ ２年７月 （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ７ ７ ０ ９ ２ ０ １ ２ ０ ７ ０ ２ １ ０ ０ ４ － － －
水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０Ｎ ｏ ． ７ Ｊ ｕ ｌ ． ２ ０ １ ２
３ ４
）＝ １ ）≤ ０ ｋ（ ｉ ｉ ． ２ ５ λ ｓ ｘ（ 烄 ）＝ １ ）０ ）≤ １ ｋ（ ｉ ． ２ ３ ３－０ ． ９ ３ ３ ｉ ． ２ ５ ＜λ ｉ ． ０ λ ｓ ｘ（ ｓ ｘ（ ３ 烅 ）＝ ３ ／ ） ）≤ １ ｋ（ ｉ ｉ １ ． ０ ＜λ ｉ ． ５ λ ｓ ｘ（ ｓ ｘ（
在已有塔架
基础 上 ， 采 用 对 比 分 析 方 法 选 择 最 优 设 计； 李华 利用 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 编写 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ 分别完成了静强度
３］ 条件及稳定屈 曲 条 件 下 的 优 化 设 计 ； 庞 强 等［ 将
选用遗 通用 化 软 件 ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 与 Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ 相 结 合， ［ ４］ 传算法对塔架进行优化 ； Ｎ ｅ ｍ Ｈ Ｍ 等 优化 分 ｇ 析了小风机塔架频率特性 。 上述塔架优化设计均 并利用有限元软件分析平 是基于已有塔架 结 构 ， 台展开优化分析 。 而本文针对湘潭电机股份有限 公司某大型塔架 的 设 计 要 求 ， 以塔架质量为优化 目标 ， 以 塔 架 静 强 度、 屈 曲 稳 定 性、 模态特性为状 以塔架直径及壁厚为设计变量 ， 并基 态控制变量 ，
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ １ ０ ２ １ ２ ０ １ １ １ ２ ３ ０ － － － － ） 基金项目 ：国家重点基础研究发展计划 （ 基金资助项目 （ ９ ７ ３ 计划 ） ２ ０ １ ０ Ｃ Ｂ ７ ３ ６ ２ ０ １ ， ： 作者简介 ：刘胜祥 （ 男， 工程师 ， 研究方向为风力机结构与空气动力学 ， １ ９ ８ １ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ Ｌ ｓ ｘ １ ２ １ ９＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ －） 图 １ 塔架坐标系及单元划分 Ｆ ｉ ． １ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｇ ｙ
第３ ０ 卷第 ７ 期
刘胜祥等 ： 大型风力发电分别由 ３ 个坐标轴方向 的力和弯矩构成 ， 这６个量可由专门的风机载荷 ＿ 计算软件 ＧＨ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｄ ３． ８ １ 计 算 获 得。塔 架 任 一 由此可沿塔架 截面的载荷可采 用 线 性 插 值 获 取 ， 。 选 取ｉ 划分为若干单元（ 图 １） ｚ 方向进行等分 ， 单元的下截面进行静强度分析 ， 其截面内 、 外半径 ） 、 ） ， 分别为ｒ（ 则塔架截面抗弯截面系数为 ： ｉ Ｒ（ ｉ 其中 ）＝ （ ／ ） ） ［ ） ］ Ｗ（ ｉ ４ Ｒ（ ｉ １－α （ ｉ π ）＝ｒ（ ） ／ ） ｉ ｉ Ｒ（ ｉ α（
风力发电机组朝着更大 、 更柔的方向 近年来 ， 发展 ， 这对塔架设计提出了更高要求 ， 即一方面要 求塔架安全可靠 ， 另一方面要求塔架减轻重量 、 降 赵立新 低成本 。 在塔架 设 计 方 面 ， 明
［ ２］ ［ １］
质量最轻的内径 ， 即以塔架单元的质量为优化目 标， 给 出 其 初 始 搜 索 值， 并 确 定 搜 索 的 边 界 条 件， 在满足静强度 、 稳定屈曲及模态频率的条件下进 行非线性优化 。 １． ２ 理论基础 １． ２． １ 静力分析 另一端通过螺栓与基 塔架一端与机 舱 连 接 ， 础固接 。 将塔架的力学模型简化为底部固定约束 它主要 承 受 机 舱 和 风 轮 传 递 过 来 的 气 的悬臂梁 ， 惯性载荷 、 重力载荷及作用于塔身上的风 动载荷 、 载荷 。 在塔架底部中 心 建 立 固 定 坐 标 系 ， 即ｘ 为 风的来流方向 ， ｚ 垂直 ｘ 且 竖 直 向 上 ， ｙ 由右手定 ） 。 则确定 （ 图１
５］ ， 将解析解法和数值近似解 于相应规范及 标 准 ［
法有机结合 ， 利用 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 编制程序实现了塔架的 优化设 计 ， 最后在 Ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ中 完 成 了 塔 架 安 全 性 能 参数的验证和修正 ， 确保了分析的正确性 。
１ 设计思路及理论基础
１． １ 设计思路 利用有限元法 将 塔 架 划 分 为 若 干 单 元 ， 任取 一个单元 进 行 分 析 。 利 用 ｂ ｉ ｎ 法 对 载 荷 分 区 间， 在任意载荷等级条件 ［ ａ， ｂ］ 下 取 中 间 值 （ ／ 则在 外 半 径 几 何 条 件 ［ ａ＋ ｂ） ２， Ｒ Ｒ ｉ， ｉ １ ］下 总 ＋ 能搜索到满足在一定应力设计水平条件下使构件
大型风力发电机组塔架优化设计
刘胜祥 ，宋晓萍 ， 陈习坤 ， 曾 毅
（ ） 湘潭电机股份有限公司 海上风力发电技术与检测国家重点实验室 ，湖南 湘潭 ４ １ １ １ ０ ２ 摘要 ：鉴于塔架对风力发电机组的承载能力 、 使用寿命与安全的影响 ， 因此对塔架进行科学 、 合理的设计尤为 重要 。 提出了风力发电机组塔架的设计思路 ， 总结了静强度 、 屈曲稳定及模态分析等理论基础的特点 ， 通过整 合这些理论基础给出了优化设计步骤 ， 并以湘潭电机股份有限公司某大型风机为例 ， 采用 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 对塔架 进 行 了优化设计 。 结果表明 ， 采用基础理论对塔架进行优化 设 计 是 简 单 有 效 的 方 法 之 一 ， 且在满足各项安全指标 有效地控制了塔架重量 ， 适合推广应用 。 的前提下 ， 关键词 ：风力发电机 ；塔架 ；优化设计 ；静强度 ；屈曲稳定 ；模态分析 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ８ ３ 文献标志码 ： Ｂ
水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０Ｎ ｏ ． ７ Ｊ ｕ ｌ ． ２ ０ １ ２
３ ４
）＝ １ ）≤ ０ ｋ（ ｉ ｉ ． ２ ５ λ ｓ ｘ（ 烄 ）＝ １ ）０ ）≤ １ ｋ（ ｉ ． ２ ３ ３－０ ． ９ ３ ３ ｉ ． ２ ５ ＜λ ｉ ． ０ λ ｓ ｘ（ ｓ ｘ（ ３ 烅 ）＝ ３ ／ ） ）≤ １ ｋ（ ｉ ｉ １ ． ０ ＜λ ｉ ． ５ λ ｓ ｘ（ ｓ ｘ（
在已有塔架
基础 上 ， 采 用 对 比 分 析 方 法 选 择 最 优 设 计； 李华 利用 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 编写 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ 分别完成了静强度
３］ 条件及稳定屈 曲 条 件 下 的 优 化 设 计 ； 庞 强 等［ 将
选用遗 通用 化 软 件 ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 与 Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ 相 结 合， ［ ４］ 传算法对塔架进行优化 ； Ｎ ｅ ｍ Ｈ Ｍ 等 优化 分 ｇ 析了小风机塔架频率特性 。 上述塔架优化设计均 并利用有限元软件分析平 是基于已有塔架 结 构 ， 台展开优化分析 。 而本文针对湘潭电机股份有限 公司某大型塔架 的 设 计 要 求 ， 以塔架质量为优化 目标 ， 以 塔 架 静 强 度、 屈 曲 稳 定 性、 模态特性为状 以塔架直径及壁厚为设计变量 ， 并基 态控制变量 ，
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ １ ０ ２ １ ２ ０ １ １ １ ２ ３ ０ － － － － ） 基金项目 ：国家重点基础研究发展计划 （ 基金资助项目 （ ９ ７ ３ 计划 ） ２ ０ １ ０ Ｃ Ｂ ７ ３ ６ ２ ０ １ ， ： 作者简介 ：刘胜祥 （ 男， 工程师 ， 研究方向为风力机结构与空气动力学 ， １ ９ ８ １ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ Ｌ ｓ ｘ １ ２ １ ９＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ －） 图 １ 塔架坐标系及单元划分 Ｆ ｉ ． １ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｇ ｙ
第３ ０ 卷第 ７ 期
刘胜祥等 ： 大型风力发电分别由 ３ 个坐标轴方向 的力和弯矩构成 ， 这６个量可由专门的风机载荷 ＿ 计算软件 ＧＨ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｄ ３． ８ １ 计 算 获 得。塔 架 任 一 由此可沿塔架 截面的载荷可采 用 线 性 插 值 获 取 ， 。 选 取ｉ 划分为若干单元（ 图 １） ｚ 方向进行等分 ， 单元的下截面进行静强度分析 ， 其截面内 、 外半径 ） 、 ） ， 分别为ｒ（ 则塔架截面抗弯截面系数为 ： ｉ Ｒ（ ｉ 其中 ）＝ （ ／ ） ） ［ ） ］ Ｗ（ ｉ ４ Ｒ（ ｉ １－α （ ｉ π ）＝ｒ（ ） ／ ） ｉ ｉ Ｒ（ ｉ α（
风力发电机组朝着更大 、 更柔的方向 近年来 ， 发展 ， 这对塔架设计提出了更高要求 ， 即一方面要 求塔架安全可靠 ， 另一方面要求塔架减轻重量 、 降 赵立新 低成本 。 在塔架 设 计 方 面 ， 明
［ ２］ ［ １］
质量最轻的内径 ， 即以塔架单元的质量为优化目 标， 给 出 其 初 始 搜 索 值， 并 确 定 搜 索 的 边 界 条 件， 在满足静强度 、 稳定屈曲及模态频率的条件下进 行非线性优化 。 １． ２ 理论基础 １． ２． １ 静力分析 另一端通过螺栓与基 塔架一端与机 舱 连 接 ， 础固接 。 将塔架的力学模型简化为底部固定约束 它主要 承 受 机 舱 和 风 轮 传 递 过 来 的 气 的悬臂梁 ， 惯性载荷 、 重力载荷及作用于塔身上的风 动载荷 、 载荷 。 在塔架底部中 心 建 立 固 定 坐 标 系 ， 即ｘ 为 风的来流方向 ， ｚ 垂直 ｘ 且 竖 直 向 上 ， ｙ 由右手定 ） 。 则确定 （ 图１
５］ ， 将解析解法和数值近似解 于相应规范及 标 准 ［
法有机结合 ， 利用 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 编制程序实现了塔架的 优化设 计 ， 最后在 Ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ中 完 成 了 塔 架 安 全 性 能 参数的验证和修正 ， 确保了分析的正确性 。
１ 设计思路及理论基础
１． １ 设计思路 利用有限元法 将 塔 架 划 分 为 若 干 单 元 ， 任取 一个单元 进 行 分 析 。 利 用 ｂ ｉ ｎ 法 对 载 荷 分 区 间， 在任意载荷等级条件 ［ ａ， ｂ］ 下 取 中 间 值 （ ／ 则在 外 半 径 几 何 条 件 ［ ａ＋ ｂ） ２， Ｒ Ｒ ｉ， ｉ １ ］下 总 ＋ 能搜索到满足在一定应力设计水平条件下使构件
大型风力发电机组塔架优化设计
刘胜祥 ，宋晓萍 ， 陈习坤 ， 曾 毅
（ ） 湘潭电机股份有限公司 海上风力发电技术与检测国家重点实验室 ，湖南 湘潭 ４ １ １ １ ０ ２ 摘要 ：鉴于塔架对风力发电机组的承载能力 、 使用寿命与安全的影响 ， 因此对塔架进行科学 、 合理的设计尤为 重要 。 提出了风力发电机组塔架的设计思路 ， 总结了静强度 、 屈曲稳定及模态分析等理论基础的特点 ， 通过整 合这些理论基础给出了优化设计步骤 ， 并以湘潭电机股份有限公司某大型风机为例 ， 采用 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 对塔架 进 行 了优化设计 。 结果表明 ， 采用基础理论对塔架进行优化 设 计 是 简 单 有 效 的 方 法 之 一 ， 且在满足各项安全指标 有效地控制了塔架重量 ， 适合推广应用 。 的前提下 ， 关键词 ：风力发电机 ；塔架 ；优化设计 ；静强度 ；屈曲稳定 ；模态分析 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ８ ３ 文献标志码 ： Ｂ