風(fēng)力發(fā)電機(jī)減震器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄第1章 緒論 . 11.1 風(fēng)力發(fā)電概述 . 11.1.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望. 11.1.2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn). 21.2 論文系統(tǒng)概述 . 3第2章 風(fēng)力機(jī)的相關(guān)理論及本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) . 421風(fēng)電機(jī)組的工作原理 . 42.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類 . 52.2.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) . 52.2.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) . 62.3并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 . 62.3.1雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) . 72.3.2直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng). 82.3.3三相同步發(fā)電系統(tǒng) . 9第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)減振器的研究 . 103.1風(fēng)機(jī)用減振器簡(jiǎn)介 . 103.2減振器的工況

2、與性能要求 . 103.3減振器的計(jì)算與仿真分析 . 103.3.1減振器振動(dòng)分析與載荷計(jì)算. 103.3.2減振器的有限元仿真分析. 113.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 . 123.5結(jié)論 . 13第4章 風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)分析 . 1441與風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架相關(guān)的規(guī)范與計(jì)算方法介紹 . 1442帶門框塔架屈曲的工程算法. 1543某2 MW風(fēng)力機(jī)塔架臨界載荷計(jì)算 . 1644塔架屈曲的有限元數(shù)值分析方法 . 194.4.1屈曲分析有限元方法. 194.4.2 2MW風(fēng)力機(jī)塔架NASYS分析 . 204.5 工程算法和有限元方法的結(jié)果. 264.6有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際破壞形式的對(duì)照 . 264.7塔架在復(fù)合靜

3、外力作用下的有限元方法分析 . 264.7.1塔架有限元模型的建立. 264.7.2整體不分段建模方式下塔架模態(tài)的計(jì)算 . 274.8本章小結(jié) . 29第5章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)底座 . 30 I西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙底座計(jì)算介紹. 305.2機(jī)艙底座載荷分析與處理 . 305.3機(jī)艙底座的強(qiáng)度分析 . 335.3.1有限元模型與材料特性 . 335.3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙底座有限元分析計(jì)算 . 355.4機(jī)艙底座動(dòng)特性分析 . 355.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙底座計(jì)算總結(jié). 375.6本章小結(jié) . 38參考文獻(xiàn) . 40致 謝 . 42II西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章

4、緒論風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會(huì)隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲(chǔ)量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。1.1 風(fēng)力發(fā)電概述1.1.1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望全球風(fēng)能資源極為豐富，技術(shù)上可以利用的資源總量估計(jì)約53×106億kWh /年。作為可再生的清潔能源，受到世界各國的高度重視。近20年來風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，發(fā)展速度驚人。而風(fēng)能售價(jià)也已能為電力用戶所承受：一些美國的電力公司

5、提供給客戶的風(fēng)電優(yōu)惠售價(jià)已達(dá)到22.5美分/kWh，此售價(jià)使得美國家庭有25%的電力可以通過購買風(fēng)電獲得。2004年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署了風(fēng)力12關(guān)于2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的12%的藍(lán)圖的報(bào)告，“風(fēng)力12%”的藍(lán)圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)20082012年期間裝機(jī)容量增長(zhǎng)率為20%，以后到2015年期間為15%，20172020年期間為10%。其推算的結(jié)果2010年風(fēng)電裝機(jī)1.98億KW，風(fēng)電電量0.43×104億kWh，2020年風(fēng)電裝機(jī)12.45億KW，風(fēng)電電量3.05×104億kWh，占

6、當(dāng)時(shí)世界總電消費(fèi)量25.58×104億kWh的11.9%。世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點(diǎn)：（1）風(fēng)電單機(jī)容量不斷擴(kuò)大。風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從600KW發(fā)展到20005000KW,如德國在北海和易北河口已批量安裝了單機(jī)5000KW的風(fēng)機(jī),丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量20002200KW的風(fēng)機(jī)。新的風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)和制造廣泛采用了新技術(shù)和新材料，有效地改善并提高了風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機(jī)的采用,使機(jī)組更能適應(yīng)風(fēng)速的變化, 大大提高了效率。最近,又發(fā)展了無齒風(fēng)機(jī)等,進(jìn)一步提高了安全性和效率。（2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。目

7、前，主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國家， 1西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）全世界風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商的前10位供應(yīng)了世界新增裝機(jī)容量的90% 以上的份額，集中度比較高。近來，GE風(fēng)能（GE Wind Energy）、德國REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市場(chǎng)份額提高迅速。（3）風(fēng)電電價(jià)快速下降。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢(shì)，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國為例，風(fēng)電機(jī)組的造價(jià)和發(fā)電成本正逐年降低，達(dá)到可與常規(guī)發(fā)電設(shè)備不相上下的水平。有關(guān)專家預(yù)測(cè)，世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%。中國的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國900多個(gè)氣象站的觀

8、測(cè)資料進(jìn)行估計(jì)，中國陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億KW，而海上的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億KW，總計(jì)為10億KW。我國的風(fēng)電開發(fā)起步較晚，大體分為三個(gè)階段。第一階段是19861990年我國并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目的探索和示范階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模小，單機(jī)容量小，最大單機(jī)200KW，總裝機(jī)容量4.2千KW。第二階段是19911995年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。共建5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，安裝風(fēng)機(jī)131臺(tái)，裝機(jī)容量3.3萬KW，最大單機(jī)500KW。第三階段是1996年后擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量6.18萬KW，最大單機(jī)容量達(dá)到1

9、300KW。隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在向大型化方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動(dòng)力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲(chǔ)為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電.風(fēng)力發(fā)電有如下特點(diǎn)（1）可再生，且清潔無污染。（2）風(fēng)速隨時(shí)變化，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變

10、載荷。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。本論文討論的是前者，即獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。2西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1.2 論文系統(tǒng)概述該獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下1-1所示：圖1-1 獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其具體運(yùn)行狀況為：（1）風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過連接的齒輪變速箱來提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，該軸與發(fā)電機(jī)相連。（3）轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)單相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始發(fā)

11、電。（此時(shí)發(fā)出的是頻率和幅值都不穩(wěn)定的交流電）。（4）引出的單相交流電通過整流器變成穩(wěn)定的直流電。（5）a.若風(fēng)能充足，直流電經(jīng)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電； b.若風(fēng)能不足，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。（6）直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。3西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2章 風(fēng)力機(jī)的相關(guān)理論及本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上一章中，世界各國對(duì)于能源的要求伴隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展在進(jìn)一步的擴(kuò)大中，就目前而言，風(fēng)電行業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)風(fēng)電技術(shù)的研究具有很重要的意義。本文的主要目的是針對(duì)直驅(qū)式的風(fēng)電機(jī)的控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)作一些工作。因此首先要了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和風(fēng)力機(jī)

12、的工作原理。所以本章討論了以下幾個(gè)問題：1風(fēng)力機(jī)的工作原理。2風(fēng)電機(jī)的分類和幾種主流的種類特性3并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組21風(fēng)電機(jī)組的工作原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)艙、塔架和葉輪組成。風(fēng)的作用使葉輪旋轉(zhuǎn)，而葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，最后發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理簡(jiǎn)單的說是：風(fēng)的動(dòng)能（即空氣的動(dòng)能）轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，轉(zhuǎn)子的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成電能。根據(jù)德國風(fēng)能會(huì)的估計(jì)，風(fēng)能發(fā)電的年增長(zhǎng)率將保持高增長(zhǎng)率，在2012年或者值錢全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量可能達(dá)到150千兆瓦?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非推動(dòng)風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。風(fēng)

13、力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。分局Betz定律，理論上風(fēng)電機(jī)能夠提取的最大功率，是風(fēng)的功率的59.6%，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)只能提取風(fēng)的功率的40%或者更少。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包含三部分：風(fēng)輪，機(jī)艙和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最常見的結(jié)構(gòu)是橫軸式三葉片風(fēng)輪，并安裝在直立管塔桿上。風(fēng)輪葉片由復(fù)合材料制造。不想小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大型的風(fēng)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)慢。比較簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度的，通常采用2個(gè)不同的速度-再弱風(fēng)下用低速和再強(qiáng)風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機(jī)的感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)能夠直接產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。機(jī)艙上安裝的感測(cè)器探測(cè)風(fēng)向，透過轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙和風(fēng)輪自動(dòng)的轉(zhuǎn)向，面向來風(fēng)。風(fēng)輪的旋

14、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)電機(jī)是很普遍的。不過，為了風(fēng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的多級(jí)直接驅(qū)動(dòng)式發(fā) 4西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電機(jī)也有顯著的發(fā)展。設(shè)于塔底的變壓器可以提升發(fā)電機(jī)的電壓到配電網(wǎng)電壓。所有風(fēng)電機(jī)的功率輸出的方法是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，超過額定風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致通過葉片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時(shí)，葉片尾部制動(dòng)裝置會(huì)動(dòng)作令風(fēng)輪剎車。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)每篇葉片能夠以縱向?yàn)檩S而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變風(fēng)輪的空氣動(dòng)力性能。當(dāng)風(fēng)力過強(qiáng)時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至迎氣邊緣面向來風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車。葉片中嵌入了避雷條，遭到雷

15、擊時(shí)，可以將閃電中的電流引導(dǎo)導(dǎo)地下去。202.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多種類，但是總的歸納起來也就兩鐘一種是水平軸的風(fēng)電機(jī)，他的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸和風(fēng)向是平行的，第二種就是垂直軸的風(fēng)電機(jī)了，他的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸正好跟水平風(fēng)電機(jī)的相反，是跟氣流方向或者地面垂直的。2.2.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平軸的風(fēng)電機(jī)又可以分成阻力型和升力型兩鐘。阻力型的風(fēng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度比較慢。，而升力型的風(fēng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度比較快，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來說，大多都會(huì)使用升力型的水平軸風(fēng)電機(jī)。大多數(shù)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有對(duì)風(fēng)裝置，能隨風(fēng)向改變而轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種對(duì)風(fēng)裝置采用尾舵，而對(duì)于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，則利用風(fēng)向傳感元件以及

16、伺服電機(jī)組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪在塔架前面的稱為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪在塔架后面的則成為下風(fēng)向風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪，有的再一個(gè)塔架上安裝多個(gè)風(fēng)輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本，還有的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪周圍產(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。 5西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖2-1 風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)向改變的時(shí)候無需對(duì)風(fēng)，在這點(diǎn)上相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一大優(yōu)勢(shì)，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，而且也減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力。利用阻力旋轉(zhuǎn)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有幾種類型，其中有利用平板和被子做成的風(fēng)輪，這是一

17、種純阻力裝置；S型風(fēng)車，具有部分升力，但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動(dòng)力矩，但尖速比低，在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下，提供的功率輸出低。2.3并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能是一種新型能源，他具有爆發(fā)性、隨機(jī)性、不穩(wěn)定性特征、能量密度低等特點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是由于風(fēng)速的變化引起的，一旦缺少必要的電氣或機(jī)械方面的控制，那么由風(fēng)力機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速N也會(huì)跟著改變，所以發(fā)電機(jī)的頻率和輸出的電壓都不會(huì)是恒定不變的的。風(fēng)力發(fā)電，簡(jiǎn)單地說就是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電得以實(shí)現(xiàn)所需要的裝置。當(dāng)20世紀(jì) 80年代興起了一種并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，他是

18、一項(xiàng)新型的能源技術(shù)，從他一開始出現(xiàn)就受到了全世界各國的超高度的重視，所以他迅速的實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、商品化，尤其特別的是隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)、電子電力技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)也隨之非常迅速的發(fā)展。他的控制方式從一開始單一的定槳距失速控制方式向全槳葉變距變速控制轉(zhuǎn)變，乃至于向智能型的控制方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)經(jīng)歷了從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行轉(zhuǎn)變到基于變6西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）槳距技術(shù)的變速運(yùn)行，可以說基本實(shí)現(xiàn)了他的最終目標(biāo)：從僅僅只能夠向電網(wǎng)提供電力到非常理想地向電網(wǎng)提供電力。以下給出了當(dāng)今幾種并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述。2.3.1雙饋風(fēng)

19、力發(fā)電系統(tǒng)雙饋式發(fā)電機(jī)是變速運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的一種，雙饋異步發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行是建立再交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上的。雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)2.2所示，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的功率由兩部分組成，就是直接從定子輸出的功率和通過變頻器從轉(zhuǎn)子輸出的功率。雙饋機(jī)的定子和電網(wǎng)連接在一起，轉(zhuǎn)子則是由2個(gè)變頻器和電網(wǎng)連接，發(fā)電機(jī)組可以再比較大的速度范圍之內(nèi)發(fā)電，機(jī)組和電網(wǎng)2者之間實(shí)現(xiàn)了能量的雙向傳輸，這種系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)不但可以亞同步運(yùn)行，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)方向和機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方向一樣，n為+，電網(wǎng)向轉(zhuǎn)子輸出功率通過變頻器實(shí)現(xiàn)。也可以超同步運(yùn)行即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)方向和機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相反，n為-，當(dāng)發(fā)電機(jī)在超同步速度的時(shí)候，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子

20、和定子一起向電網(wǎng)輸出能量。25雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是目前世界風(fēng)力發(fā)電的研究熱點(diǎn)之一，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一種非常合適的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)這個(gè)發(fā)電系統(tǒng)通過在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子一側(cè)施加可以變化的三相交流電進(jìn)行勵(lì)磁，來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的幅值、相位和頻率，使得定子側(cè)輸出恒頻恒壓。相對(duì)于傳統(tǒng)的恒速發(fā)電系統(tǒng)23，其性能的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在 ：可以追蹤最大風(fēng)能，提高風(fēng)能的利用率；降低了輸出功率的波動(dòng)和機(jī)組的機(jī)械應(yīng)力；提高電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力以及穩(wěn)定性；在轉(zhuǎn)子側(cè)控制功率因數(shù)，可以提高電能質(zhì)量；還能實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制等等，但是他的主要缺點(diǎn)是控制方式太過復(fù)雜，機(jī)組的價(jià)格相對(duì)比較昂貴。 研究雙饋電機(jī)的并網(wǎng)控制策略并建立風(fēng)電模擬系

21、統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究對(duì)于提高電能質(zhì)量，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有非常重要的意義隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Double-Fed Induction Generator）在風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用越來越廣。這種技術(shù)不過分依賴于蓄電池的容量，而是從勵(lì)磁系統(tǒng)入手，對(duì)勵(lì)磁電流加以適當(dāng)?shù)目刂?，從而達(dá)到輸出一個(gè)恒頻電能的目的。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于異步發(fā)電機(jī)，但在勵(lì)磁上雙饋發(fā)電機(jī)采用交流勵(lì)磁。我們知道一個(gè)脈振磁勢(shì)可以分解為兩個(gè)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，而三相繞組的適當(dāng)安排可以使其中一個(gè)磁勢(shì)的效果消去，這樣一來就得到一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的磁勢(shì)，這就相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)中帶有直流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子。雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)就在于，交流勵(lì)磁的頻

22、率是可調(diào)的，這就是說旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的頻率可調(diào)。這樣當(dāng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不定時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，就可以滿足輸出恒頻電能的目的。由于電力電子元器件的容量越來越大，所以雙饋發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力也越來越強(qiáng)，這使得 7西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）雙饋機(jī)的單機(jī)容量得以提高。雖然，部分理論還在完善當(dāng)中，但是雙饋反應(yīng)發(fā)電機(jī)的廣泛應(yīng)用這一趨勢(shì)將越來越明顯。圖2-2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2.3.2直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，因此發(fā)電機(jī)的輸出端的電壓和頻率隨著風(fēng)速的變化而變化。在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，在交流發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)之間不用安裝升速齒輪箱，是因?yàn)槭褂昧酥苯?/p>

23、驅(qū)動(dòng)技術(shù)，所以降低了由齒輪箱引起的噪聲污染并且減少了維修的周期。保證發(fā)電機(jī)組的電壓幅值、相位、頻率和電網(wǎng)一致，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)。在該發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子外園和定子內(nèi)徑的尺寸大大的增加，但是他軸向長(zhǎng)度卻相對(duì)較短是為了可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，降低發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和體積，使用永磁電機(jī)可以具有最大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗牡退俳涣靼l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)比普通交流同步發(fā)電機(jī)的級(jí)數(shù)多得多。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.3所示圖2-3直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)需要使用大功率電子電力器件將發(fā)電機(jī)運(yùn)作發(fā)出的全部的交流電流經(jīng)逆變/整流裝置的轉(zhuǎn)換之后并入電網(wǎng)。有一種絕緣柵極雙極形晶體管叫做IGBT。它是

24、結(jié)合了功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和大功率的晶體管2者特點(diǎn)的一種復(fù)合形電子電力器件，他不僅具有大功率晶體管的導(dǎo)通壓減低、電流能力大的優(yōu)點(diǎn)，而且還有驅(qū)動(dòng)功率小、工作速度快的優(yōu)點(diǎn)。而直流環(huán)節(jié)可以維持母線的電壓恒定是因?yàn)椴⒂幸粋€(gè)大的電容。27這個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先該方案可以獨(dú)立的設(shè)計(jì)逆變器的部分，并且在一定的程度上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的解耦控制，并提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；其次低速電 8西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）機(jī)是本系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)，他可以和風(fēng)力機(jī)非常好的匹配，而風(fēng)力機(jī)也可以直接和永磁發(fā)電機(jī)耦合，使機(jī)組的結(jié)構(gòu)大大的簡(jiǎn)化，省去了其他的發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，降低了噪音并也減小了發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作；最后該發(fā)電

25、機(jī)有體積小，效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗小，重量輕等等特點(diǎn)。既然有優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)也是必不可少的，他的缺點(diǎn)就是需要2個(gè)全功率的電力轉(zhuǎn)換器，不過比起升速系統(tǒng)中所使用的升速齒輪箱結(jié)構(gòu)，他的應(yīng)用，可能還是以后風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。22直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，利用新技術(shù)有望大幅度減小低速發(fā)電機(jī)的體積和重量。2.3.3三相同步發(fā)電系統(tǒng)近些年來隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，在電網(wǎng)和同步發(fā)電機(jī)中使用變頻裝置，已經(jīng)從技術(shù)上解決了“剛性連接”的問題，使用同步發(fā)電機(jī)的方案再次得到了人們的重視。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)三相永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)輸出地三相交流電。原始的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用的是比較常

26、見的三相同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)使用定槳距的控制技術(shù)，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)通過斷路器直接連接在一起，發(fā)電機(jī)還通過齒輪箱和風(fēng)力機(jī)連接在一起。因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，不僅能輸出有功功率還能提供無功功率，他的電能質(zhì)量高，頻率穩(wěn)定，所以現(xiàn)在已經(jīng)被電力系統(tǒng)廣泛的使用。但是，風(fēng)速的無規(guī)律變化，使得作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩很不穩(wěn)定，在并網(wǎng)的時(shí)候他的調(diào)速的性能非常難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)的精度要求，所以他在風(fēng)力發(fā)電幾組上的使用效果達(dá)不到理想要求。因此三相同步發(fā)電系統(tǒng)需要?jiǎng)?lì)磁機(jī)構(gòu)和調(diào)速機(jī)構(gòu)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的電壓、頻率和功率進(jìn)行為之有效的控制，不然可能會(huì)造成非常嚴(yán)重的無功振蕩與失步。普通三相同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2.4所示。風(fēng)力機(jī)

27、的功率的控制使用了變槳距的調(diào)節(jié)方式是為了能夠捕獲到最大的風(fēng)能。全功率變換器的變速恒頻同步風(fēng)電系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)由勵(lì)磁控制器來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流達(dá)到控制發(fā)電機(jī)定子側(cè)的輸出電壓幅值和定子側(cè)經(jīng)由電網(wǎng)和功率變換器來實(shí)現(xiàn)的“柔性連接”來構(gòu)成的。24圖2-4 三相同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)9西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)減振器的研究3.1風(fēng)機(jī)用減振器簡(jiǎn)介來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)的噪聲一部分是由機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；一部分是由空氣動(dòng)力產(chǎn)生的。其中機(jī)械噪聲主要是由機(jī)艙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，尤其是齒輪箱和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。為了減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)齒輪箱和發(fā)電機(jī)傳遞到機(jī)架和塔架上的噪聲，在齒輪箱、發(fā)電機(jī)與機(jī)架

28、之間皆必須安裝橡膠減振器2。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用減振器由于其價(jià)值量低、風(fēng)險(xiǎn)高及開發(fā)成本高，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)主機(jī)廠商一般不自行研制。目前在此領(lǐng)域中的國內(nèi)外制造商主要有德國的ESM、西班牙的AMC 和我國的株洲時(shí)代新材料股份有限公司（TMT）。TMT 公司擁有國家級(jí)的彈性元件檢測(cè)中心，早期從事軌道機(jī)車車輛減振產(chǎn)品的研制，隨后業(yè)務(wù)不斷拓展到其他領(lǐng)域。本文主要介紹一種1.5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)減振器的研制過程，通過有限元仿真分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定產(chǎn)品所使用橡膠的性能。3.2減振器的工況與性能要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率1.5 MW，發(fā)電機(jī)重量8.5 t，發(fā)電機(jī)與機(jī)架之間安裝四個(gè)相同的減振器。發(fā)電機(jī)額定工作時(shí)的

29、扭矩12 kN·m，出現(xiàn)短路時(shí)的極限扭矩85 kN·m。要求發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)不發(fā)生共振，振幅控制在±2 mm 之內(nèi)，減振效率不小于90，承受極限載荷時(shí)減振不發(fā)生破壞。根據(jù)風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)尺寸與性能要求，將減振器設(shè)計(jì)成如圖1 所示的結(jié)構(gòu)。該減振器采用兩件錐形橡膠彈簧反向并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，不僅能承受垂向載荷，還能承受橫向載荷。上、下兩彈性體的性能相同，組裝時(shí)二者各預(yù)壓縮5 mm，可以通過調(diào)整彈性體中橡膠的性能來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)減振器性能的調(diào)整。3.3減振器的計(jì)算與仿真分析3.3.1減振器振動(dòng)分析與載荷計(jì)算為確保減振器能夠有效地起到減振降噪的作用，需要選擇合適的剛度，還必須要保證其額

30、定承載能力，因此需對(duì)減振器進(jìn)行振動(dòng)分析和載荷計(jì)算。（1）減振器的振動(dòng)分析該發(fā)電機(jī)減振器的設(shè)計(jì)要求其減振效率E 不小于90%，那么其隔振系數(shù) 和頻率比Z 分別為： = 1 E = 0.1 Z 1 = 3.16由于發(fā)電機(jī)激勵(lì)頻率fm60 Hz，所以系統(tǒng)的固有頻率為：f = f / Z =19 n m Hz；從而系統(tǒng)的整體剛度為：k (2 f 2 )m = 60.45 n 10西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）整體 kN/mm那么單個(gè)減振器的剛度為：k 15 kN/mm（2）減振器的載荷計(jì)算發(fā)電機(jī)扭轉(zhuǎn)作用于減振器的動(dòng)載荷為：FT/(2P)其中：T 為扭矩；P 為發(fā)電機(jī)的徑向跨距發(fā)電機(jī)作用于單個(gè)減振器的

31、額定載荷為：FmeanF1G/425.2 kN發(fā)電機(jī)作用于單個(gè)減振器的極限載荷為：FmaxF2G/462.8 kN其中：F1 為額定動(dòng)載荷；F2 為極限動(dòng)載荷。發(fā)電機(jī)在額定工作時(shí)減振器變形量為1.68 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.2減振器的有限元仿真分析在減振器的剛度性能確定之后，需要對(duì)其在不同工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性，并對(duì)膠料性能的設(shè)計(jì)選擇提供有效的參考依據(jù)。（1）有限元分析模型本次采用Abaqus 6.4 軟件對(duì)發(fā)電機(jī)減振器的結(jié)構(gòu)與剛度性能進(jìn)行有限元分析，本分析中采用的單位系統(tǒng)為國際單位制（SI），即mm、N、MPa。橡膠的本構(gòu)方程是基于Mooney-

32、Rivlin 的應(yīng)變能密度函數(shù)。不考慮金屬與橡膠之間的粘接強(qiáng)度，將橡膠與金屬綁定在一起作整體分析。金屬材料為Q235B、45 鋼和QT400-18；彈性材料為天然橡膠NR。根據(jù)產(chǎn)品軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化處理，得出如圖2 所示的有限元分析模型。模型中的橡膠采C3D8H單元，金屬件采用C3D8R單元，網(wǎng)格數(shù)量為4320。圖2 減振器的分析模型圖（2）載荷與約束條件本次分析的載荷和約束條件為：首先底座完全約束，通過載荷作用消除上、下兩型芯之間的間隙來實(shí)現(xiàn)上、下兩彈性體各5 mm 的預(yù)壓縮；然后，通過螺栓將上、下型芯聯(lián)接在一起，再在上型芯的上部施加2 mm 的位移載荷。（3）計(jì)算結(jié)果

33、分析對(duì)不同橡膠硬度的彈性體進(jìn)行有限元計(jì)算，得出不同橡膠硬度的產(chǎn)品變形2 mm 時(shí)的剛度曲線，如圖3-1 所示，可以計(jì)算出膠料硬度為55、60、65 和70 shore A 時(shí)，產(chǎn)品的剛度分別為16.4、21.7、28和34.5 kN/mm。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，彈性體所使用的膠料硬度應(yīng)該接近55 shore A。圖3-1 11西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖3-1 不同膠料硬度時(shí)產(chǎn)品的剛度曲線為了驗(yàn)證使用55 shore A膠料時(shí)產(chǎn)品的可靠性，特在上部型芯上施加62.8 kN 的極限載荷，以觀察產(chǎn)品的應(yīng)力分布情況。經(jīng)過有限元計(jì)算，得出應(yīng)力分布情況如圖4 所示。產(chǎn)品所受的最大應(yīng)力在彈性體的中隔板

34、上，為78.3 MPa，遠(yuǎn)小于Q235B 的屈服強(qiáng)度，所以是安全的。從橡膠部分的變形情況可知，產(chǎn)品在垂向載荷作用下橡膠發(fā)生剪切和壓縮變形，由于橡膠泊松比接近0.5，幾乎不可壓縮。若垂向變形較大，橡膠將會(huì)從上下端面逐漸向外鼓，下彈性體的橡膠部位最大變形量為8.74 mm（圖5），據(jù)此看出有限元分析可以有效模擬橡膠產(chǎn)品在工作狀態(tài)時(shí)的變形情況。圖4 承載62.8kN 時(shí) 圖5 產(chǎn)品承載62.8kN 時(shí)產(chǎn)品的應(yīng)力分布圖 下彈性體的變形分布圖3.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析根據(jù)有限元分析的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試制。首先采用的膠料硬度為60 shore A。在經(jīng)硫化、組裝后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了剛度性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在CSS-44600

35、電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)圖如圖6 所示。試制產(chǎn)品的剛度曲線如圖7 所示，可以計(jì)算出產(chǎn)品在變形量為02 mm 間的剛度約為19 kN/mm；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，膠料硬度為60 shore A 時(shí)產(chǎn)品的剛度偏大。采用硬度為55 shore A 的膠料試制了2 件產(chǎn)品，經(jīng)測(cè)試產(chǎn)品的剛度性能曲線如圖8 所示，可以計(jì)算出剛度值為14.48 kN/mm 和14.52 kN/mm。參照標(biāo)準(zhǔn)EN13913，二者的性能在允許的公差范圍之內(nèi)，所以該產(chǎn)品應(yīng)該選用硬度為55 shore A 的膠料圖3-212西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖3-3圖3-43.5結(jié)論（1）通過對(duì)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)分析和載荷計(jì)算，產(chǎn)品剛度值為15

36、 kN/mm 是合適的，能夠有效地起到減振的作用。（2）根據(jù)有限元分析的結(jié)果以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，產(chǎn)品應(yīng)采用硬度為55 shoreA 的膠料；在極限載荷的作用下，產(chǎn)品是安全可靠的。13西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第4章 風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)分析41與風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架相關(guān)的規(guī)范與計(jì)算方法介紹目前，大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架大都采用圓錐筒形薄壁結(jié)構(gòu)。塔架除本身受到用在塔身上的空氣動(dòng)力載荷和塔架本身的重力外，主要還受到風(fēng)輪、機(jī)艙重力及其偏心彎矩、風(fēng)輪傳遞的推力以及偏航力矩等，其薄壁筒的結(jié)構(gòu)形式，決定其整體或局部的屈曲失穩(wěn)破壞是其主要的破壞形式之一，而且由于拉壓、彎曲以及扭轉(zhuǎn)變形的耦合，使得其屈曲分析變得非

37、常復(fù)雜。塔架的屈曲或失穩(wěn)是指當(dāng)塔架承受的載荷超過某一臨界值時(shí)突然失去原有平衡形式或幾何形狀的現(xiàn)象。研究塔架穩(wěn)定性目的在于確定塔架的臨界載荷及其相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)，以改進(jìn)和提高加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力。塔架的屈曲不僅與其所受載荷，更與其圓柱殼結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。圓柱殼為高度缺陷敏感型結(jié)構(gòu)。而實(shí)際塔架不可避免地存在著各種形式的缺陷，如方便人員進(jìn)出的門框、焊縫、塔筒厚度的變化以及局部變形等，使得屈曲臨界應(yīng)力遠(yuǎn)低于軸向受壓圓柱殼屈曲失穩(wěn)的計(jì)算值1151。近年來的研究表明，圓柱殼的屈曲應(yīng)力隨缺陷幅值的增大而急劇下降。當(dāng)缺陷幅值6為圓柱殼壁厚t的01倍時(shí)，屈曲應(yīng)力可下降40。由于缺少必要的研究和設(shè)計(jì)規(guī)范指導(dǎo)

38、，圓柱殼形塔架的屈曲事故時(shí)有所聞，即使在歐美等國對(duì)圓柱殼理論研究較為深入、設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)完善的國家，也經(jīng)常有圓柱殼結(jié)構(gòu)破壞的報(bào)道。而我國，特別是風(fēng)力機(jī)研究領(lǐng)域，對(duì)圓柱殼形塔架整體或局部屈曲失穩(wěn)的研究相對(duì)薄弱。目前，塔架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析一般均采用工程算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如DNV風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)指南，德國標(biāo)準(zhǔn)DINl88004以及英國標(biāo)準(zhǔn)EC 3 partl6等19，20l。但由于塔架存在門框結(jié)構(gòu)等，使得傳統(tǒng)的殼體屈曲計(jì)算不再適用，相應(yīng)地，盡管如GL規(guī)范對(duì)DINl88004中的殼體屈曲計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，但是仍然存在一定的限制條件，如門框的結(jié)構(gòu)形式限制等。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，塔架門框的門段設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出多樣化趨

39、勢(shì)，現(xiàn)代許多風(fēng)力機(jī)塔架的門段設(shè)計(jì)，使得某些經(jīng)驗(yàn)算法不再適用。因此，在帶有門框的塔架屈曲設(shè)計(jì)中，有限元等數(shù)值分析方法被引入。有限元方法能分析各種復(fù)雜的載荷形式和門框結(jié)構(gòu)，但是，在某些方面仍然存在一些困難，在某些情況下，只能作為一種輔助手段，需要與工程算法結(jié)合進(jìn)行塔架的屈曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。本文介紹了丹麥標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)局部屈曲強(qiáng)度的工程算法，并結(jié)合GL標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)塔架帶門框結(jié)構(gòu)的修正，對(duì)帶門框塔架的屈曲強(qiáng)度工程算法進(jìn)行了總結(jié)；應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCHT具，對(duì)有限元方法在帶門框塔架屈曲強(qiáng)度分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。具體針對(duì)一個(gè)15兆瓦變速變槳距風(fēng)電機(jī)組塔架，用有限元法 14西安工程大學(xué)本科畢業(yè)

40、設(shè)計(jì)（論文）分析了其有無門框的條件下的屈曲強(qiáng)度和屈曲模態(tài)，并與工程算法的分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。為大型風(fēng)力機(jī)圓錐筒形塔架的屈曲強(qiáng)度分析提供了實(shí)用的工程算法和數(shù)值計(jì)算分析手段。42帶門框塔架屈曲的工程算法在風(fēng)力機(jī)塔架設(shè)計(jì)中，塔架的屈曲強(qiáng)度常常處于支配地位，可以說，塔架的承載能力取決于屈曲強(qiáng)度，研究表明，該強(qiáng)度直接與其壁厚相關(guān)2q。風(fēng)力機(jī)用DIN1 8800標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)具體情況進(jìn)行改進(jìn)，丹麥標(biāo)準(zhǔn)等。簡(jiǎn)述如下： 塔架在承受偏心載荷時(shí)，其軸向力和彎矩所引起的應(yīng)力和分別為：（1）和（2）其中，。和M。分別為軸向力和彎矩，r，尺分別為圓柱殼的厚度與半徑?？s 減因子s由下式計(jì)算：（3）（4）由彈性理論，臨界壓

41、縮應(yīng)力為：（5）E，y分別為彈性模量與泊松比。對(duì)鋼鐵材料，上式近似為：15西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（6）對(duì)局部屈曲，相對(duì)細(xì)長(zhǎng)比為(7)，為材料屈服極限。如果九03，臨界壓縮應(yīng)力為：(8) 如果塔架總高度日沒有超過，則 （9）大型風(fēng)力機(jī)一般具有門框結(jié)構(gòu)，且形式各異，為此，GL規(guī)范對(duì)上述殼體屈曲計(jì)算方法進(jìn)行了修正。對(duì)于邊緣加固圓弧形門框，屈曲臨界應(yīng)力需乘上折減因子Cl，即（10）式中，折減因子C1根據(jù)門框形式，?。?1）稱為影響系數(shù)，其取值由表41確定。表中萬表示門框沿塔筒周長(zhǎng)的孔徑角，如圖41所示。應(yīng)用11式應(yīng)滿足條件：I塔筒半徑與厚度之比應(yīng)滿足Rt160；II門框孑L徑角萬600；II

42、I門框高寬比7llb,3。式(411)中沒有考慮加強(qiáng)筋的影響。43某2 MW風(fēng)力機(jī)塔架臨界載荷計(jì)算按照以上工程算法，針對(duì)一個(gè)15MW變速恒頻風(fēng)電機(jī)組圓柱形塔架進(jìn)行屈曲臨界載荷分析。塔架為圓錐筒型薄壁結(jié)構(gòu)，材料為Q235鋼材，塔架底部固定，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)參數(shù)和塔架尺寸如下：額定功率2000kW，塔架高度65m，底部外徑4m，底部?jī)?nèi)徑16西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）396m，頂部外徑3m，頂部?jī)?nèi)徑298m，風(fēng)輪及機(jī)艙重量G：650000N，風(fēng)輪及機(jī)艙重心距塔架中軸的距離15m，門洞寬12m，高3m，塔架結(jié)構(gòu)如圖42所示。Q235材料屈服強(qiáng)度q=235MPa，彈性模量210GPa，泊松比03，考慮

43、到塔架底部外徑，門洞高度結(jié)合圣維南原理載荷作用點(diǎn)處對(duì)分析結(jié)果的影響，從塔架底向上截取15m高度塔架做為分析計(jì)算單元。該截面上的內(nèi)力如下：軸向壓力為風(fēng)輪及機(jī)艙重量(G=650000N)以及塔筒自重共同產(chǎn)生(計(jì)算截面以上塔筒重量為Go=569889N)，即：Nd=G+G0=122x106N彎矩由風(fēng)輪及機(jī)艙重量的偏心引起，偏心距P：15所，則彎矩大小為：Md=Gxe=975x105N·m分析截面面積為：S=27tRto25m2。軸向力和彎矩所引起的應(yīng)力為：和分別縮減因子為：臨界壓縮應(yīng)力為：相對(duì)細(xì)長(zhǎng)比為：該薄壁筒塔架的臨界應(yīng)力為：17西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本算例具有門框結(jié)構(gòu)，因此按

44、照GL規(guī)范，對(duì)于邊緣加固圓弧形門框，屈曲臨界應(yīng)力需乘上折減因子Cl，如圖42知，34。，查表4I，取A，：09，Bl=00019，所以折減因子C。為：所以，本塔架屈曲臨界應(yīng)力為：據(jù)此，以機(jī)艙與風(fēng)輪重量為設(shè)計(jì)變量，可以確定該塔架的臨界載如下：得塔架臨界載荷為：此時(shí)，作用面上的彎矩為：可見，本塔架的屈曲強(qiáng)度是滿足的。18西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 4-144塔架屈曲的有限元數(shù)值分析方法4.4.1屈曲分析有限元方法塔架的屈曲分析現(xiàn)一般采用線性屈曲分析方法。結(jié)構(gòu)的線性屈曲分析在ANSYS中又稱特征值屈曲分析。其以完善結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，并以小位移線性理論假定為基礎(chǔ)，即在結(jié)構(gòu)受荷載變形過程中忽略結(jié)構(gòu)

45、形狀的變化。根據(jù)失穩(wěn)定義，結(jié)構(gòu)屈曲時(shí)荷載增加一個(gè)微量，其位移發(fā)生較大變化，因此結(jié)構(gòu)的增量有限元平衡方程為：（4.12）式中：Ko】一單元的彈性剛度矩陣；K。一單元的初應(yīng)力剛度矩陣；19西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）疋一單元的初應(yīng)變剛度矩陣； _一節(jié)點(diǎn)位移增量向量。>必有非零解，因而（4.13）結(jié)構(gòu)的線性屈曲分析假設(shè)屈曲前結(jié)構(gòu)處于初始構(gòu)形平衡狀態(tài)，因此上式中 的=0；而在小位移情況下，與應(yīng)力水平成正比，應(yīng)力與外荷載也為線 為屈曲時(shí)的荷載參數(shù)，因結(jié)構(gòu)屈曲時(shí)上述方程中性關(guān)系。設(shè)為參考荷載尸對(duì)應(yīng)的初應(yīng)力矩陣，則屈曲時(shí)結(jié)構(gòu)的初應(yīng)力矩陣可表示為：（4.14）代入(1 3)式，得經(jīng)典線性穩(wěn)定理論的控

46、制方程為：（4.15）顯然，這是一個(gè)廣義特征值問題。這也從根本上說明了為什么ANSYS中線性屈曲分析又稱特征值屈曲分析，而且其求解的對(duì)象特征值就是要求的臨界屈曲載荷與 參考載荷P的比值，對(duì)應(yīng)的特征向量即為屈曲模態(tài)。對(duì)廣義特征值問題，ANSYS中有多種求解模塊，由于Lanczos方法被認(rèn)為是目前求解大型特征值問題最有效的方法，本文選擇其中的BLOCK LANCZOS方法求解4.4.2 2MW風(fēng)力機(jī)塔架NASYS分析對(duì)前述2MW變速恒頻風(fēng)電機(jī)組圓柱形塔架進(jìn)行屈曲臨界載荷有限元數(shù)值分析。采用solidl86(20節(jié)點(diǎn)六面體二次單元)單元和Contal74、Targel70單元對(duì)塔架進(jìn)行模擬，從下向上截取15m塔筒作為計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算，塔架底部開門洞，尺寸為：高鋤，寬I2m，上、下各一個(gè)半徑O6m的半圓，門洞周圍處采用同材質(zhì)鋼門框加強(qiáng)，尺寸為