兆瓦级风力发电机组塔架静强度与模态分析

《兆瓦级风力发电机组塔架静强度与模态分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com2010年第6期白海燕，等：兆瓦级风力发电机组塔架的静强度及模态分析·35·1．3边界条件和计算载荷应力集中。最大VonMises等效应力为146．4MPa。由于风力发电机组塔架与地面基础固连，在进行Q345D钢的允许拉压应力为345MPa，考虑到安静强度分析时可以对塔底施加全约束，塔底所有节点全系数可取极限值为230MPa(安全系数1．5)。根据的自由度为零。塔筒载荷采用GI(Germaniseher工程经验，塔架最大允许的变

2、形量为塔架高度的Lloyd)规范推荐的塔筒顶部坐标系，原点位于塔筒中(0．5～0．8)。因此，塔架最大等效应力为许用应力心轴与塔筒顶部上缘的交点处，轴为沿风轮轴的的63．7，塔顶最大变形量为塔高的0．71，均满足水平方向，固定于塔筒，zx为垂直向上，yx轴按右手设计要求。定则确定，该坐标系不随机舱旋转，见图3。建模时，通过MPC(Multipointconstraint)单元将计算得到的各种载荷工况下的极限载荷传递到塔筒，进行计算分析。lf⋯～图4塔架变形云图(a)整体有限元模型(b)局部有限元模型

3、图2塔架有限元模型图5塔架应力云图3塔架模态分析模态计算时，应考虑机舱和风轮的质量对塔筒的影响，采用Mass21集中质量单元来模拟风轮和机舱特性。单元处于塔筒上方机舱和风轮系统的质心位置，并将质量单元节点与塔顶单元节点相耦合，使其保持相同自由度。计算时，分为考虑塔筒顶部质量和不考图3塔筒顶部坐标系虑塔筒顶部质量两种情况。2塔架静强度分析表1是利用ANSYS模态分析得到的塔架前4阶计算表明，在各种载荷工况下，塔筒根部及舱门固有频率和振型。圆角附近都具有较大的应力。当轴向推力最大时塔筒表1塔架前4阶固有

4、频率和振型所受应力值最大。计算结果见图4、图5。I阶数频率(Hz)振型图4和图5中，VonMises等效应力是按第四强不考虑上部质量时考虑上部质量时度理论确定的，应力单位为Pa，变形单位为m。11．1099o．4432X向前后摆动21．12350．4460向前后摆动由计算结果可见，在载荷作用下，最大变形位于35．71343．9l38向弯曲振动塔筒顶部，产生的最大变形为445．6mm，塔架的等效45．75263．9l94y向弯曲振动应力由塔底至塔顶逐渐减小，最大应力发生在塔架根图6、图7为塔筒的第1阶

5、和第3阶模态振型。部及舱门过渡圆角处，在舱门过渡圆角处出现一定的由上面的模态分析结果可以看出，塔筒的前两阶学兔兔www.xuetutu.com·36·机械工程与自动化2010年第6期振型分别为不同方向的摆动；第3阶和第4阶振动则机的2阶固有频率；3P为风力机的3阶固有频率；为不同方向的一阶弯曲振动。根据振动理论，振动的为塔架的1阶固有频率。能量主要集中在低阶频率中，因此，塔筒的振动主要由图8可见，机组的1阶固有频率没有与风轮转以摆动和弯曲振动为主，但是高阶的扭转振动也会有频的1倍频与3倍频相重合，在

6、风轮转速为9．9r／min一定程度的影响。根据相关标准，设计中应该保证塔时，风轮3倍频0．50Hz与塔架固有频率相差15．1；架的1阶固有频率不会与风轮旋转频率或过桨频率在风轮转频为17．9r／rain时，风轮1倍频0．30与塔架(三叶片风力机的lP和3P)一致。塔架固有频率在风固有频率相差3O．7。因此，在机组运行过程中塔架轮频率及其3倍频的±10范围之外时，由共振引起不会发生谐振，保证了机组运行的可靠性。的附加载荷问题通常不会发生。正常发电过程中，风1_2轮转速在9．9r／rain17．9r／r

7、ain之间。风轮最低转速1·O对应的转频为=0．17Hz；风轮最高转速对应的转频O·8的3倍频为一0．89Hz；塔筒1阶固有频率为f一0．44Hz。图8为机组的坎贝尔图。0．6O·4O·2048121620转速／(r．min。。)图8机组的坎贝尔图4结论计算分析结果表明所建立的风力发电机组塔架模型是正确的。在文中各种载荷工况下，塔筒根部及舱门圆角附近都具有较大的应力，但是都小于许用应力，图6第1阶模态振型均满足静强度要求。通过模态分析，验证了在风力发电机组运行过程中塔架不会发生谐振，保证了机组运行的

8、可靠性。参考文献：[1]陆萍，黄珊秋，张俊，等．风力机筒形塔架结构静动态特性的有限元分析[J]．太阳能学报，1997，18(4)：359—363．[2]刘义，许志沛．机械设计中基于有限元方法的模态分析EJ]．机械，2003，30(s1)：96～98．[3]黄东胜，王朝胜，邹富顺，等．风力机塔架模态分析及应用口]．装备制造技术，2009(9)：19-21．[4]宋博．ANSYS在发电机组塔架动力分析中的应用[J]．广州航海高等专科学校学报，2009，17(2)：27—2