风力发电机组设计与制造 教学课件 作者 姚兴佳 第6章.ppt

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1、第6章塔架与基础设计《风力发电机组设计与制造》塔架高度越高，获得风能越大；塔架高度初步确定公式：—风轮半径塔架高度越高，制造成本越高；地表形貌影响塔架高度；海上风电场，塔架低一些；陆上风电场，塔架高一些；陆地粗糙度＞海面粗糙度考虑地貌因素的塔架高度计算公式：—机组附近障碍物高度—障碍物最高点到风轮扫掠面最低点的距离1.塔架高度6.1设计概述6.1.1塔架的设计要素塔架的主要功能是支撑机舱的所有零部件，机组的各种载荷最终都要传递到塔架。对塔架整体刚度也需要有明确的设计要求，避免载荷作用造成的大变形和失稳。2.塔架的强度和刚度3.运输与

2、安装随着机组容量逐渐加大，塔架的高度、重量和直径会相应增加，需要认真考虑相应的运输和安装问题。早期的小型机组曾采用钢混结构的塔架，现场浇注或在做成预制件后运到现场组装。1.钢筋混凝土结构塔架6.1.2塔架的基本结构形式刚度较大，有效避免共振；但随着机组容量和塔架高度增加，钢混结构塔架问题突出，现已很少使用；早期小型风电机组多有采用；桁架结构塔的耗材少，便于运输；零部件多，现场施工周期较长；连接部位定期检查；美观性差。透明，强反光效果小；2.桁架结构塔架3.钢筒结构塔架钢筒塔架：目前大型风电机组采用的典型结构形式，设计、制造、安装和维

3、护等方面，该塔架指标相对均衡。1）风轮等构件承受的空气动力载荷2）重力和惯性载荷：重力、振动、旋转及地震等引起的静态、动态载荷。3）操作载荷：机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变桨以及制动产生的载荷。4）其他载荷：尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等；6.2塔架的载荷分析6.2.1塔架载荷的基本类型最大风速vs与年平均风速vave之间关系：经验关系1.暴风工况的风轮气动推力计算（1）前苏联的法捷耶夫公式Ab—叶片的投影面积Vs—风轮中心处的暴风风速N—风轮的叶片数Ct—推力系数ρ—空气密度令（2）荷兰ECN的公式Ct—推力

4、系数q—动态风压Φ—动态系数S—安全系数（3）德国DFVLR公式Ct—推力系数，取2.2vs—风轮中心处的暴风风速N—风轮的叶片数Ct—推力系数ρ—空气密度（4）丹麦RIS公式P1—风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取300N/m²Ad—风轮的扫掠面积1）风载条件：风速65m/s,风轮停转，叶片顺桨，风向沿机舱横向作用在塔架上。2）地震载荷：考虑额定风速时产生的风轮最大轴向力，同时根据均匀建筑物由地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力附加到风轮轴向推力中。3）最大运行载荷：额定风速下正常运行载荷的2倍。2.欧美国家塔架静态强度设计

5、的一般载荷条件1）最大极限载荷：塔架可能承受的最大载荷。2）疲劳载荷：塔架构件能够承受交变载荷次数的能力。3）共振激励载荷：塔架结构系统的共振响应。3.确定塔架设计载荷的要求塔架载荷计算的坐标方向例如：VESTASV52-850机组，额定功率：850kW；设计塔高：65m载荷状况1.3：发电状态下出现极端湍流条件时的极限载荷；载荷状况7.1：停机和故障状态下的极端风速模型；载荷状况6.1：风电机组处于停机或空转状态，考虑极端风速模型条件的塔架载荷。4.载荷的简化1.塔架总体结构设计6.3塔架的结构设计6.3.1基本设计内容塔架总体结

6、构方案可以反映其基本结构与尺寸，需要根据设计载荷并结合设计经验，同时可参考已有同类塔架初步确定总体设计方案。应注意，塔架的总体可采用刚性和柔性两种不同的形式结构方案。通常可根据塔架系统的固有频率与激振频率的关系，将固有频率高于叶片穿越频率的塔架称为“刚塔”；而塔架固有频率在风轮旋转与叶片通过频率之间时称为“柔塔”；若塔架的固有频率低于风轮旋转频率，一般则称为“甚柔塔”。2.对结构设计方案的初步力学分析利用材料力学、弹性力学等固体力学理论，对塔架进行强度、刚度和稳定性方面的校核，并根据分析结果对初步设计方案进行修改，以确定满足设计要求

7、的总体结构设计方案。3.详细分析与强度校核采用有限元方法开展对塔架结构的静、动态分析和模型试验，进一步优化设计方案。4.详细工程设计根据确定的结构设计方案，开展工程设计，形成设计详图和设计技术文件，提供制造依据。常见的钢筒状塔架一般采用合适的锥度形式，以获得等强度设计效果。塔架顶部的结构参数（如筒直径、壁厚）主要考虑偏航轴承的结构要求；塔基的结构尺寸通常考虑钢筒的强度以及刚度要求；塔架中间段的壁厚通常可采用塔基和塔顶壁厚值间的内插。根据锥形钢筒的制造和运输、安装等条件，塔架需要采用合理的分段设计。分段钢筒的设计结构不仅要考虑滚弯设备

8、的能力，还应考虑公路运输的通过允许直径。一般国家的通过限制宽度为4.0~4.2m，有些地区限制宽度常常会更小。1.形式设计6.3.2钢管塔架的方案设计由于现场的就地焊接会带来很多问题，故目前多采用螺栓连接的分段塔筒结构方案，而相关的连