150kw水平轴风力发电机塔架设计

150kw 水平轴风力发电机塔架设计

THE DESIGN OF 150kw HWT TOWER 高华德　刘美华

(青岛大学)

摘要　给出了水平轴风力发电机塔架的设计依据及有关数据的计算方法。提出了塔架的设计步骤。关键词　风力发电机;塔架;设计中国图书资料分类法分类号　T H213.3

Gao Huade Liu Meihua

(Qin gdao University)

Abstract Th is paper gives the basis of design ing HW T tow er and the method to caculate relative data and p re-

sents the s teps of designin g the tow er.Key words WT ;tow er ;design

第一作者简介　高华德,男,1992年毕业于山东工业大学,获硕士学位。主要从事机械制造方面的教学

和科研工作。

1　150kw 水平轴风力发电机基本参数及有关数据的确定

1.1　基本参数

额定风速V =12m /s ,额定功率P o =150kw ,最大承受风速V max =60m /s ,叶片数目B =3,风轮转速n =50r/m in 。1.2　其他有关数据的确定

塔架高度H 。由于风剪效应的影响,风速随着高度的增加而增大。综合考虑技术和经济这两个因素,塔架的高度实际上限制在一定的范围之内。塔架的最低高度H 为

H =h +e +R 式中h 为接近风力发电机的障碍物的高度;e 为由障碍物的最高点到风轮扫掠面最低点的距离,一般地e =

1.5

～2m ;R 为风轮半径。

根据设计要求和具体情况,该150kW 水平轴风力发电机的塔架高度H 定为30m 。主传动系统的效率 (包括轴承,增速器,万向轴联节及发电机), 的计算公式是

=P o /P

式中P ——风力发电机的轴功率。

文献[1]对山东工业大学研制的55kw 水平轴风力发电机的主传动系统进行了测试。结果表明:在不同的条件下,主传动系统的效率 均在0.85左右。应用类比的方法,可假定150kw 水平轴风力发电机的主传动系统的效率是0.8。

风轮直径D 确定　对于高速风力发电机,其产生的轴功率P 的近似计算公式是

P =0.2D 2V 3

第13卷第3期

1998年9月　

青　岛　大　学　学　报JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY

VOL.13NO.3 Sep.1998

收稿日期:1998-03-11

又因为 =P o/P

所以 D=5P o

V3=23.3

载荷大小的计算　文献[2]分析表明,塔架在暴风工况下(即风速V=V max时),受到的载荷最大,此时,塔架所受载荷的大小是塔架刚度和强度设计的依据。

在暴风工况下,风轮产生的气动推力Fas可利用丹麦RI S 公式计算

F as=300 D3

4

=127900N

在用有限元方法,进行静力分析时,Fas可均分到塔架顶端的节点上。

作用在塔架上的风压力Fts,可参阅文献[3]的计算方法。在静力分析时,F ts也要分配到相应的节点上。

载荷频率计算　在设计工况下(即在额定风速时),载荷最容易引起风力发电机产生共振,导致风力发电机塔架及叶片等部件发生破坏。因此,在此时,载荷的频率是塔架固有频率设计的依据。

在设计工况下,载荷的频率主要有以下几种。

气动推力Fas的脉动成分的频率f1

平均风速沿高度的变化规律,可以用下面的指数函数来表示:　V Z/V S=(Z/Z S) Z,V Z为任意高度及该处的平均风速;Z S,V S分别为标准高度(10m)及该处的平均风速;

为与地面粗糙度有关的系数。

由于风速随着高度的增加而增大,因此作用在每个叶片上的气动推力在某一转的过程中也周期性地变化一次,若风轮的叶片数目为B,则气动推力脉动成份的频率f1

f1=B

2

式中 为风轮的转速。

离心力的频率f2

风轮制造时可能存在质量偏心,风轮旋转时会产生离心力,该力在风轮旋转平面内任意方向上,都相当于周期性的脉动力,其频率为f2.

f2= 2

塔影效应

对于下风式风力发电机,由于塔架外形的影响,塔架后面的风速下降并生产涡流,叶片通过时会产生周期性力,其频率f3

f3=B 2

另外,自然风中还有多种的脉动力。

综上,在设计工况下,作用在风力发电机上的载荷的频率主要有两种;分别是 /2 和B /2 。对该150kw风力发电机来说,即为0.85Hz和2.5Hz。为避免发生共振,对于柔性塔架的一阶固有频率应当在1.1Hz和2.0Hz之间。

根据塔架所受的载荷的大小和载荷频率,在设计塔架时应当满足的条件是:在设计工况下,不发生共振,在暴风工况下,有足够的强度和刚度。这也就是设计风力发电机塔架的高华德等:150kw水平轴风力发电机塔架设计

主要依据。

塔架的设计过程为:首先根据具体情况,采用类比的方法建立一个初步的有限元模型,然后进行载荷大小及频率的计算。进行有限元静力分析和动力分析。根据计算的结果和塔架设计的依据对构成塔架材料的规格尺寸进行调整使塔架满足满应力设计和频率设计要求。

表1　筒式塔架固有频率的计算值

m /kg

NN

5000700080001 1.528 1.343 1.2732 1.528 1.343 1.2733

9.432

9.244

9.180

　TM

为塔顶设备总质量。包括底

舱、发电机、增速机、风轮等质量。NN 为塔顶固有频率的阶数。

2　塔架设计结果

2.1　筒式塔架

筒式塔架采用壳单元进行有限元计算。塔架结构简图如图1。

壁厚:0.01m 材料:A3

在暴风工况下塔架的固有频率(Hz)如表1所示:

计算分析表明:塔顶设备总质量m

总在5000～8000kg 变化时,塔架的一阶固有频率仍能满足要求。

图1　筒式塔架结构简图图2　桁式塔架结构图3　两不同面的结构简图

2.2　桁式塔架

桁式塔架的结构如图2所示。

相对面的结构相同,两不同面的结构简图如图3所示。

说明:各斜杆与水平面成45°角,立柱分成三部分,分别是上立柱,中立柱和底立柱。构件之间均通过螺栓联结。

B 1=3.2m B 2=1.18m H =30.37m 材料:A 3

表2　桁式塔架固有频率的计算值m /kg

NN

5000700080001 1.776 1.538 1.4532 1.771 1.54215743>10.0

8.051

7.876

材料规格:(热轧等边角刚)

斜杆-L63×8 中立柱-L140×12

底立柱-L 180×14 上立柱-L 125×12在暴风工况下塔架顶端的最大位移是250m m 。桁式塔架的固有频率(Hz)如表2所示。

青岛大学学报

第13卷