新型格構(gòu)式風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

顏 熹，寧立偉，魏克湘，周 舟

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湘電風(fēng)能有限公司，湘潭 411104)

新型格構(gòu)式風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

顏 熹1，寧立偉1，魏克湘1，周 舟2

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湘電風(fēng)能有限公司，湘潭 411104)

相比于一般風(fēng)力機(jī)塔架，格構(gòu)式塔架具有容易制造，成本低，運輸簡單，安裝方便和對生態(tài)環(huán)境影響較小的優(yōu)勢.根據(jù)質(zhì)量分配設(shè)計了兩種新型格構(gòu)式塔架，完成了塔架的建模以及靜應(yīng)力分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析.結(jié)果顯示，所設(shè)計的格構(gòu)式塔架能滿足塔架的設(shè)計要求，其中三角分段格構(gòu)式塔架的穩(wěn)定性更好.

格構(gòu)式；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；塔架設(shè)計；建模分析

0 引言

風(fēng)能是可再生能源領(lǐng)域具有快速增長潛力的能源[1].化石燃料的普遍缺點和太陽能技術(shù)的飽和在促使人類尋找更好的和可持續(xù)的能源，風(fēng)能為這種趨勢提供了巨大的機(jī)會[2].風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須放置在最佳高度，從風(fēng)能中捕獲足夠的能量[3].塔架的引入，為風(fēng)機(jī)提供所需的高度、吸收振動和作為風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)[5].

塔架成本占整個風(fēng)機(jī)成本的25%左右，由此可見塔架在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與制造中的重要性[4].鋼筒式塔筒的發(fā)展由于道路運輸?shù)南拗?、制造成本而受到了極大的阻礙[5].格構(gòu)式塔架(如圖1所示)具有容易制造，更少投資成本，運輸簡單，安裝方便和對生態(tài)環(huán)境影響較小的優(yōu)勢[7].

圖1 格構(gòu)式塔架

本文設(shè)計兩種形狀的格構(gòu)式塔架：三角形分段格構(gòu)式和矩形分段格構(gòu)式.通過參照湘電風(fēng)能2 MW風(fēng)機(jī)的測驗數(shù)據(jù)對這兩種塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計建模和分析，并對結(jié)果進(jìn)行比較，獲得一種更為可靠的設(shè)計.

1 格構(gòu)式塔架設(shè)計

1.1 載荷設(shè)計

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證規(guī)范所規(guī)定，參照機(jī)組載荷計算所得到的結(jié)果，參考塔筒載荷坐標(biāo)系，列出得到的塔筒頂部載荷.表1、表2給出XE116-2000風(fēng)電機(jī)組塔筒頂部極限載荷以及等效疲勞荷載，通過公式線性轉(zhuǎn)換作為本文格構(gòu)式塔架的設(shè)計荷載.

表1 塔頂極限載荷(塔架輪轂高度為85 m)

表2 等效疲勞載荷：塔筒頂部

塔架風(fēng)荷載的計算，是根據(jù)以上85 m塔架風(fēng)荷載的計算結(jié)果進(jìn)行線性推算的，得到120 m風(fēng)載總水平力為530 kN，并在后續(xù)中將此載荷加至結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 格構(gòu)式塔架質(zhì)量分配

在滿足極限荷載、疲勞荷載及風(fēng)荷載作用下，利用ANSYS對給定參考塔架進(jìn)行有限元分析優(yōu)化，得到120 m高格構(gòu)式塔架的桿件總重量為159.8 t(不含法蘭)、223.7 t(乘1.4含法蘭).其中第一層主、斜、橫材質(zhì)量分別為11735.7 kg、1499.3 kg、6270.5 kg；第二層到第二十層的主、斜材質(zhì)量分別為8242.5 kg、1350.2 kg；12104.7 kg、2535.5 kg；7331.9 kg、2582.6 kg；6900.15 kg、2315.7 kg；5589.2 kg、2339.3 kg；7520.3 kg、1946.8 kg；8344.55 kg、2041 kg；6429.15 kg、1805.5 kg；6429.15 kg、1789.8 kg；5275.2 kg、1876.1 kg；4757.1 kg、1860.4 kg；4239 kg、1844.7 kg；3917.15 kg、1774.1 kg；3234.2 kg、1758.4 kg；3234.2 kg、1758.4 kg；3234.2 kg、1734.8 kg；2590.5 kg、1907.5 kg；2237.25 kg、2088.1 kg；1923.25 kg、2457.1 kg；1530.75 kg、2417.8 kg.

1.2.2 結(jié)構(gòu)形式

塔架的斜材和主材相互獨立，主材采用管道式，斜材采用凹槽式(如圖2所示)，塔架的底部結(jié)構(gòu)相同.

圖2 斜材結(jié)構(gòu)

圖3 格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)形式

斜材、主材與底部相互固定，塔架的高度為120 m.根據(jù)前期的研究成果，格構(gòu)式風(fēng)機(jī)塔架擬采用圖3所示的結(jié)構(gòu)形式(20層)，根據(jù)給定的圓筒塔架的設(shè)計荷載對三角形塔架進(jìn)行設(shè)計.

本文提出的兩種格構(gòu)式塔架的結(jié)構(gòu)形式相同，都是采用上下分段連接的形式.三角形分段格構(gòu)式塔架的上段為直立的三角斷面結(jié)構(gòu)，下段為錐形的三角斷面結(jié)構(gòu).矩形分段格構(gòu)式塔架的上段為直立的矩形斷面結(jié)構(gòu)，下段為錐形的矩形斷面結(jié)構(gòu).

1.3 確定主材與斜材的尺寸參數(shù)

塔架的輪廓尺寸在圖3中已經(jīng)確定，每一層的基本結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量以及構(gòu)件的形式已經(jīng)確定，只要能確定構(gòu)件(主材、斜材)的截面積，后續(xù)即可完成格構(gòu)式塔架的建模.由于格構(gòu)式塔架的板材在每個層面上是不變的，改變的只是板材的長度尺寸，它們隨著層次的改變而改變，每一層的質(zhì)量也由此發(fā)生規(guī)律性的正比變化.所以，可以根據(jù)某兩個具體層面的板材長度尺寸和質(zhì)量分布，確定整個塔架兩種構(gòu)件的橫截面參數(shù).本文以第一、二層為考慮對象.

(1)

(2)

(3)

對于三角分段格構(gòu)式塔架：

經(jīng)過計算，結(jié)合各種條件綜合考慮，確定三角分段格構(gòu)式塔架的主材參數(shù)R=57 mm，斜材參數(shù)a×b=2300 mm2=23 mm ×100 mm，橫材參數(shù)RH=35 mm.

對于矩形分段格構(gòu)式塔架：

經(jīng)過計算，結(jié)合各種條件綜合考慮，確定矩形分段格構(gòu)式塔架的主材參數(shù)R=50 mm，斜材參數(shù)a×b=1700 mm =17 mm×100 mm，橫材參數(shù)RH=30 mm.

2 仿真分析

2.1 建立格構(gòu)式塔架的模型

本文使用大型建模軟件Solid Works完成前文所設(shè)計的兩種新型格構(gòu)式塔架的建模.根據(jù)前文確定的塔架的高度、每一層的結(jié)構(gòu)以及高度、每一層構(gòu)件的尺寸等參數(shù)，在Solid Works中建立這兩種塔架的三維模型，如圖4、圖5所示.

2.2 三角分段格構(gòu)式塔架分析

利用ANSYS有限元分析軟件，把建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS workbench中進(jìn)行仿真分析.

圖4 三角塔架

圖5 矩形塔架

2.2.1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

由于格構(gòu)式結(jié)構(gòu)每層的結(jié)構(gòu)是相似的，只需要對單層進(jìn)行分析，就可以估計出整個塔架的分析結(jié)果.將三角分段格構(gòu)式塔架頂層的模型導(dǎo)入ANSYS workbench模板中，對其進(jìn)行屬性定義、網(wǎng)格劃分、設(shè)置約束、施加前文提出的設(shè)計載荷，進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得到位移云圖如圖6所示.

圖6 位移云圖

從圖6中可以看出三角分段格構(gòu)式塔架頂層最大位移發(fā)生在頂部，其最大值約為22.6 mm.頂層的高度為5 m，整個塔架高120 m，按照等比算法，三角分段格構(gòu)式塔架的最大位移同樣發(fā)生在頂端，為542 mm.該塔架自由模態(tài)下固有頻率如圖7所示，第一階頻率為0.4823 Hz，在塔架固有頻率的正常范圍內(nèi).

圖7 自由模態(tài)固有頻率

在上述分析的基礎(chǔ)上，對該塔架頂層進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，一、二階振型如圖8所示，分別是揮舞、擺動振型，前六階振型頻率如圖9所示，在第三階之后頻率發(fā)生急劇變化.

圖8 預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型圖

圖9 預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型頻率

2.2.3 結(jié)果分析

風(fēng)機(jī)塔架頂部的最大位移一般不超過塔架高度的0.05%，在0.03% ～ 0.05%之間最合適，上述三角分段格構(gòu)式塔架的最大位移顯然滿足要求(542 mm在120 m的0.03% ～ 0.05%之間)；從分析結(jié)果可以看出，該塔架頂層的固有頻率與振型頻率在滿足正常范圍的前提下，沒有重合且非整數(shù)倍關(guān)系(如圖10所示)，所以不會發(fā)生共振現(xiàn)象.故該三角分段格構(gòu)式塔架符合塔架設(shè)計要求.

圖10 固有頻率與振型頻率

2.3 矩形(四角)分段格構(gòu)式塔架分析

2.3.1 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

同理，可得到矩形(四角)分段格構(gòu)式塔架頂層的靜應(yīng)力分析的位移云圖結(jié)果如圖11所示.

圖11 位移云圖

從圖11中可以看出四角分段格構(gòu)式塔架頂層最大位移發(fā)生在頂部，其最大值約為23.4 mm.頂層的高度為5 m，整個塔架高120 m，按照等比算法，四角分段格構(gòu)式塔架的最大位移同樣發(fā)生在頂端，為561.6 mm.

該塔架自由模態(tài)下固有頻率如圖12所示.

圖12 自由模態(tài)固有頻率

一階頻率為0.3547 Hz，在正常的塔架的固有頻率范圍內(nèi)，并且可以看出，四角分段格構(gòu)式塔架的固有頻率要低于三角分段格構(gòu)式塔架的固有頻率.在上述分析的基礎(chǔ)上，對該塔架頂層進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，一、二階振型如圖13所示，分別是揮舞、擺動振型，但明顯要比三角分段格構(gòu)式塔架的振型強(qiáng)烈，前六階振型頻率如圖14所示，到第四階之后頻率才會急劇上升.

圖13 預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型圖

圖14 預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型頻率

2.3.2 結(jié)果分析

風(fēng)機(jī)塔架頂部的最大位移一般不超過塔架高度的0.05%，在0.03%～0.05%之間最合適，從上述結(jié)果可以看出，四角分段格構(gòu)式塔架的最大位移顯然滿足要求(即561.6 mm小在120 m的0.03%～0.05%之間)；此外，該塔架頂層的固有頻率與振型頻率沒有重合且非整數(shù)倍關(guān)系(如圖15所示)，所以不會發(fā)生共振現(xiàn)象.故該四角分段格構(gòu)式塔架符合塔架設(shè)計要求.

圖15 固有頻率與振型頻率

2.4 對比分析

從前文的位移云圖可看出三角分段格構(gòu)式塔架的塔架頂部最大位移要小于四角分段格構(gòu)式塔架，說明三角格構(gòu)式塔架在相同環(huán)境載荷下應(yīng)變要較小.它們頂層的振型頻率對比如圖16所示，三角分段格構(gòu)式塔架的振型頻率要高于四角分段格構(gòu)式塔架，說明三角格構(gòu)式塔架要更優(yōu)于避免本身的共振.

圖16 兩種塔架振型頻率

3 結(jié) 論

本文根據(jù)塔架的設(shè)計以及格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的相關(guān)資料，設(shè)計了三角和四角兩種分段格構(gòu)式塔架，分別對它們進(jìn)行了建模以及靜應(yīng)力分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，結(jié)果顯示達(dá)到了塔架設(shè)計要求，并進(jìn)一步做了對比分析.

(1)所設(shè)計的120 m高的格構(gòu)式塔架所需的材料成本與85 m高的鋼筒式塔架一樣，可見所設(shè)計的格構(gòu)式塔架在相同條件下，能為風(fēng)機(jī)提供更大的高度，從而提升風(fēng)機(jī)的功率.

(2)在同等載荷環(huán)境下，三角分段格構(gòu)式塔架比四角分段格構(gòu)式塔架的頂端所產(chǎn)生的最大位移要小，所以三角分段格構(gòu)式更符合塔架設(shè)計的要求.

(3)質(zhì)量和載荷環(huán)境相同的情況下，三角分段格構(gòu)式塔架比四角分段格構(gòu)式塔架所產(chǎn)生的振型頻率要更遠(yuǎn)離它們各自的固有頻率，所以更不易產(chǎn)生共振.在本文所考慮的條件下，三角格構(gòu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要強(qiáng)于四角格構(gòu)式結(jié)構(gòu).

在下一步工作中，可以考慮三角格構(gòu)式塔架和四角格構(gòu)式塔架在對應(yīng)構(gòu)件截面尺寸相同(整體質(zhì)量不同)的情況下，作靜應(yīng)力分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，比較它們性能的差異.

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DesignandAnalysisofNew-typeLatticeTowersforWindTurbines

YAN Xi1，NING Li-wei1，WEI Ke-xiang1，ZHOU Zhou2

(1. College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. XEMC Windpower CO. LTD, Xiangtan 411104, China)

Lattice tower has the advantages of easy manufacture，low cost，simple transportation，easy installation and smaller influence on the ecological environment. This paper has designs two kinds of new-type of lattice tower for wind turbines, and completes the tower model，static stress analysis and prestressed modal analysis. Results show that the lattice tower can meet the requirements of the design of the tower，and the stability of the triangular section lattice tower is better than the former one.

lattice; wind turbines； tower design； modeling and analysis

TH122

A

1671-119X(2017)03-0025-06

2017-03-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(11472103)；湘潭市科技計劃資助項目(FJ20164001)；湖南工程學(xué)院研究生科技創(chuàng)新項目(Y17005).

顏 熹(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：動力機(jī)械及工程.

寧立偉(1966-)，男，教授，研究方向：機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計理論與方法.