大型風(fēng)力機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性分析.pdf

1、現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)塔架采用薄殼型筒狀高聳結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱塔筒)，高度近100m，底部直徑在5m以上，壁厚不到直徑的1/100,屬于典型的細(xì)長(zhǎng)薄殼結(jié)構(gòu)。塔筒底端固定，頂端自由且承受機(jī)艙和風(fēng)輪的重力和氣動(dòng)載荷，該結(jié)構(gòu)形式容易發(fā)生振動(dòng)和失穩(wěn)。隨著機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，重量和外型尺寸隨之增大，塔筒的高度也隨之增加，作用在塔筒上的重力載荷和氣動(dòng)載荷交變性和時(shí)變性更加顯著。近年來，塔筒在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中倒塌或失穩(wěn)的事故時(shí)有發(fā)生。因此，塔筒結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和

2、穩(wěn)定性研究對(duì)風(fēng)電機(jī)組的可靠性和安全性至關(guān)重要。
　　 本文以某2.5MW風(fēng)力機(jī)塔筒(φ5.8m×φ3.2m×95.2m)為研究對(duì)象，運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬方法研究了塔筒的動(dòng)力學(xué)特性、疲勞、屈曲穩(wěn)定性?？紤]到風(fēng)是風(fēng)力機(jī)機(jī)組運(yùn)行過程中主要的載荷源，由風(fēng)產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷是塔筒動(dòng)力響應(yīng)、疲勞和屈曲穩(wěn)定性的直接原因。首先，參照IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)況及風(fēng)速分布進(jìn)行理論分析，并借助風(fēng)力機(jī)專門軟件GHBladed模擬風(fēng)速的概率分布以及風(fēng)湍流分布情況；其

3、次，從理論上分析了機(jī)組各部件的載荷，主要是風(fēng)輪所受的氣動(dòng)載荷，參照德國(guó)勞埃德船級(jí)社規(guī)范(GL2010)和Bladed原理手冊(cè)，運(yùn)用風(fēng)力機(jī)專門軟件GHBladed模擬機(jī)組在各種工況(啟動(dòng)、正常發(fā)電、緊急剎車、停機(jī)等)下的載荷，并將氣動(dòng)載荷通過坐標(biāo)變換等效轉(zhuǎn)換到塔筒頂端；最后，將模擬所得到的載荷施加到ANSYS塔簡(jiǎn)分析模型上進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、疲勞分析和屈曲穩(wěn)定性分析。在研究過程中，得出了一些結(jié)論，總結(jié)如下：
　　 (1)在風(fēng)

4、力機(jī)塔筒的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)中，低階模態(tài)占主要地位，高階模態(tài)對(duì)響應(yīng)的貢獻(xiàn)很小，階數(shù)越高，其貢獻(xiàn)就越小。而且，由于結(jié)構(gòu)阻尼的作用，響應(yīng)中的高階部分衰減也很快，故高階模態(tài)可以忽略不計(jì)；
　　 (2)塔筒頂端機(jī)艙和風(fēng)輪的總質(zhì)量對(duì)塔筒的彎曲振動(dòng)頻率有較大影響，塔筒的振動(dòng)頻率隨頂端質(zhì)量的增大顯著降低；
　　 (3)塔筒在機(jī)組運(yùn)行過程伴隨著瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程，來自風(fēng)速變化和運(yùn)行工況下的動(dòng)載荷對(duì)塔筒產(chǎn)生巨大的瞬態(tài)應(yīng)力和變形，其瞬時(shí)值遠(yuǎn)大于響

5、應(yīng)的疊加值，對(duì)塔筒產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊，易造成塔筒損壞；
　　 (4)在切出風(fēng)速和額定風(fēng)速條件下，塔筒損傷陣列主要集中在低應(yīng)力副區(qū)域，不足以造成塔筒的失效；而在極限風(fēng)速(70m/s)條件下，塔筒在高應(yīng)力副區(qū)損傷較大，對(duì)塔筒的產(chǎn)生損傷破壞；
　　 (5)軸壓載荷以及風(fēng)輪傳遞給塔筒的橫向載荷對(duì)塔筒的屈曲失穩(wěn)起主要作用；塔筒為缺陷敏感型結(jié)構(gòu)，底部開設(shè)門洞塔筒的屈曲性能有很大影響，相同載荷情況下，圓弧形門洞比矩形門洞有更好的屈曲性能；沿