風(fēng)電機(jī)組塔筒設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究

于國亮 夏全洲

摘要：塔筒是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分之一。基于此，本文就風(fēng)電機(jī)組塔筒的設(shè)計(jì)和優(yōu)化展開探究，從主要技術(shù)問題、受力分析、基本設(shè)計(jì)原則、經(jīng)濟(jì)因素分析了風(fēng)電機(jī)塔筒的基本設(shè)計(jì)，并依據(jù)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能方面給出了優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;塔筒;優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言：風(fēng)電機(jī)塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提升風(fēng)電機(jī)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性以及運(yùn)作效率，提升風(fēng)電機(jī)設(shè)施的整體經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)電機(jī)的塔筒承受著機(jī)組的整體自重和風(fēng)產(chǎn)生的推力、扭矩以及彎矩，是保證風(fēng)電機(jī)整體運(yùn)行安全的重要方面，因此，對(duì)于風(fēng)電機(jī)的塔筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

1. 風(fēng)電機(jī)組塔筒設(shè)計(jì)

1.1主要技術(shù)問題

風(fēng)電機(jī)組塔筒的主要技術(shù)問題有以下幾個(gè)方面：（1）結(jié)構(gòu)的外形尺寸限制方面;（2）動(dòng)力學(xué)，即塔筒自身的頻率方面;（3）最大化載荷作用下的抗壓性方面;（4）交變載荷作用下塔筒的疲勞壽命方面;（5）橫向與軸向作用力下的屈曲穩(wěn)定性方面;（6）法蘭螺旋連接強(qiáng)度方面;（7）人機(jī)工程的內(nèi)件設(shè)計(jì)方面。

1.2受力分析

塔筒的受力通常有：（1）橫向的推力，主要來自風(fēng)作用在葉輪以及機(jī)艙上而產(chǎn)生的水平合力以及風(fēng)對(duì)塔筒的推力;（2）縱向力，主要來自于葉輪以及機(jī)艙對(duì)于塔筒的重力;（3）扭矩，也稱彎矩，這與塔筒以及輪轂的中心高度有關(guān)。

1.3基本設(shè)計(jì)原則

1.3.1外形尺寸

首先是高度，這是塔筒整機(jī)以及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性參數(shù)，一般要依據(jù)風(fēng)輪直徑的0.8到1.2倍來進(jìn)行初定，依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考量，高度的計(jì)算公式一般為：

H=h+C+D/2

D為風(fēng)輪的直徑;C為風(fēng)輪直徑的最低點(diǎn)到障礙物的高度;h為風(fēng)電機(jī)附近環(huán)境高度。在實(shí)際選址時(shí)一般可以將風(fēng)電機(jī)置于海上、草原或者灘涂，以減少周圍的障礙物。此外，依據(jù)運(yùn)輸?shù)南薷?，塔底的直徑要盡可能大[1]。

1.3.2強(qiáng)度計(jì)算

要保證塔筒靜荷載的最大應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)的限用應(yīng)力，并對(duì)其進(jìn)行必要的疲勞分析。塔筒強(qiáng)度一般與材料性能以及各截面的直徑有關(guān)，通常選擇Q345C/D/E低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。采用插值法漸變計(jì)算中間壁厚。依據(jù)中國船級(jí)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定選取安全系數(shù)來計(jì)算其靜載荷應(yīng)力安全系數(shù)以及疲勞載荷安全系數(shù)，并按照高聳鋼結(jié)構(gòu)等實(shí)際情況進(jìn)行適度的數(shù)值調(diào)節(jié)。

1.3.3模態(tài)分析

在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組以及塔筒的過程中，要依靠空氣動(dòng)力學(xué)，對(duì)于塔筒的固有頻率以及相應(yīng)振型進(jìn)行分析，一般要保證塔筒的固有頻率與激振頻率間具有大于等于10%的頻率間隔，以避免出現(xiàn)共振，從而使設(shè)計(jì)符合規(guī)范性要求。塔筒固有頻率的主要影響因素一般由截面直徑、塔筒高度、風(fēng)電機(jī)組的自重以及材料性能等方面決定。

1.3.4屈曲穩(wěn)定性分析

為對(duì)塔筒的臨界荷載、失穩(wěn)模態(tài)等方面進(jìn)行必要的控制，降低結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況的出現(xiàn)，要對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。在研究時(shí)要依據(jù)塔筒失穩(wěn)的因素展開，通常適用于塔筒本身這一薄壁圓筒結(jié)構(gòu)在承受風(fēng)力推動(dòng)塔頂產(chǎn)生的推力時(shí)，會(huì)由于軸向壓力對(duì)各截面產(chǎn)生的彎矩，而形成一定的受力，當(dāng)超出極限時(shí)，就會(huì)形成塔筒損壞的情況。

1.3.5螺旋連接強(qiáng)度

塔筒的各段是利用高強(qiáng)度的螺旋技術(shù)進(jìn)行串聯(lián)的，高強(qiáng)度的螺旋會(huì)在復(fù)雜且強(qiáng)力的受力條件下，產(chǎn)生松動(dòng)，進(jìn)而使高強(qiáng)度的螺旋失去緊固效能，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的整體安全性造成一定的影響。為此，在進(jìn)行塔筒的設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)于用于連接的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算。例如：在計(jì)算時(shí)可以利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

1.4塔筒設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)因素

1.4.1高度對(duì)整體成本的影響

作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，塔筒要占據(jù)風(fēng)電機(jī)組整體成本的15%到20%左右，因此為實(shí)現(xiàn)整體成本的把控，要在塔筒的成本投入方面進(jìn)行必要的考量。并且在高度增加的條件下，塔筒的載荷近似線性增加，剛度以及頻率會(huì)隨之下降，為保證塔筒抗性，相應(yīng)的壁厚以及直徑會(huì)隨之增加，因此要依據(jù)成本方面的實(shí)際情況進(jìn)行塔筒高度的設(shè)計(jì)。

1.4.2其他影響因素

塔筒每段存在的相應(yīng)的運(yùn)輸以及構(gòu)造方面的成本，如山區(qū)運(yùn)輸，相應(yīng)的成本會(huì)隨之提升?？梢圆少徴归_寬度在2米到3米的筒節(jié)以降低在運(yùn)輸以及板材投入方面的成本。此外可以在適當(dāng)提升截面的同時(shí)降低塔筒壁厚，以此提升抗彎性以及慣性矩。在連接方法上，反向平衡法蘭技術(shù)由于質(zhì)量較小、交工簡(jiǎn)易、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)在現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用。

2. 風(fēng)電機(jī)組塔筒的優(yōu)化策略

2.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

信息化時(shí)代為風(fēng)電機(jī)塔筒的優(yōu)化提供了高效的解決方式，可以分層級(jí)的對(duì)于塔筒實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1.1系統(tǒng)用戶界面層

系統(tǒng)的用戶界面層是風(fēng)電機(jī)組塔架優(yōu)化設(shè)計(jì)的一部分，是整個(gè)風(fēng)電機(jī)組與用戶進(jìn)行溝通的窗口性階層，塔筒可以按照實(shí)際的運(yùn)行情況以數(shù)據(jù)的形式傳遞給操作人員，操作人員可以根據(jù)收集到的信息進(jìn)行分析整理，以此使操作人員發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，通過信息化優(yōu)勢(shì)，保證系統(tǒng)整體的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1.2系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層

這一層級(jí)是實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)于塔筒的整體運(yùn)行情況進(jìn)行把控的關(guān)鍵方面，在塔筒的設(shè)計(jì)方面，可以據(jù)此為塔筒的設(shè)計(jì)提供更高效的數(shù)據(jù)支撐，以此形成對(duì)于塔筒優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。這一功能是借助Pro/Toolkit API對(duì)于Pro/E5.0軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互集成從而實(shí)現(xiàn)的[2]。

2.1.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)層是實(shí)現(xiàn)塔筒設(shè)計(jì)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理的層級(jí)，一般可以分為：（1）參數(shù)庫，包括塔筒設(shè)計(jì)參數(shù)、風(fēng)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)、塔架材料參數(shù)、零部件幾何參數(shù)、優(yōu)化參數(shù)等;（2）規(guī)則庫，以固定的格式存儲(chǔ)，是一種對(duì)于塔筒的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，利用規(guī)則進(jìn)行約束的系統(tǒng);（3）實(shí)例庫，包括風(fēng)電機(jī)組塔筒的配置以及零部件信息;（4）模板庫，以模板的形式對(duì)于塔筒的基本框架設(shè)計(jì)進(jìn)行存儲(chǔ)，以此提升塔筒的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

2.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的優(yōu)化

2.2.1結(jié)構(gòu)配置模塊

借助結(jié)構(gòu)配置模板，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)整體的塔筒設(shè)計(jì)進(jìn)行初步設(shè)定，在滿足相應(yīng)要求的基礎(chǔ)上，以此為前提再進(jìn)行相應(yīng)零部件的選擇，形成固定的結(jié)構(gòu)模板以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此外，還要保證依據(jù)實(shí)際情況對(duì)于設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并對(duì)調(diào)整數(shù)據(jù)進(jìn)行再次的存儲(chǔ)。

2.2.2分析優(yōu)化模塊

這一模板可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于塔筒整天設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析，并將分析的結(jié)果以方案的形式提出，以此進(jìn)行可行性的判斷。在實(shí)際操作中，設(shè)計(jì)人員間結(jié)構(gòu)模板中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并借助分析軟件建立有限元分析模型，對(duì)于靜態(tài)強(qiáng)度以及擬態(tài)方面的計(jì)算，從而形成優(yōu)化方案。

2.2.3參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊

參數(shù)設(shè)計(jì)模塊可以對(duì)整體設(shè)計(jì)中相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)以及分析以及零件建模，并與對(duì)整體的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pro/E二次開發(fā)接口將所得參數(shù)層輸送到參數(shù)化程序中，以此對(duì)于整體結(jié)構(gòu)以及部件形成計(jì)算分析以及參數(shù)化，為科學(xué)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造提供參考依據(jù)。

2.2.4設(shè)計(jì)輸出模塊

設(shè)計(jì)輸出模塊在整體設(shè)計(jì)中，起到將確定整體設(shè)計(jì)塔架的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成二維工程圖進(jìn)行輸出的作用，在輸出時(shí)，一般還會(huì)附帶總體的結(jié)構(gòu)圖以及部分的零件圖，以及相關(guān)部分的尺寸以及材料說明方面，從而在塔架設(shè)計(jì)的優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)性的提升與支撐。

結(jié)論：綜上所述，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，需要提升塔筒設(shè)計(jì)的科學(xué)性，并對(duì)其進(jìn)行合理的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過程中需要較高的技術(shù)能力以及設(shè)計(jì)能力，設(shè)計(jì)人員要深入研究，進(jìn)一步掌握專業(yè)知識(shí)，在提升自身技術(shù)水平與專業(yè)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)的安全運(yùn)行，與應(yīng)有效能的有效發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國偉，李鋼強(qiáng)，趙登利，焦守雷，陳江平，王子月.基于頻率控制的風(fēng)電機(jī)組雙曲線型塔筒優(yōu)化分析[J].風(fēng)能，2020（04）：60-67.

[2]韓丹.大型風(fēng)電機(jī)組塔筒新型法蘭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[D].華北電力大學(xué)（北京），2019.