大型风力发电机组塔架优化设计
大型风电机组组合式塔架结构优化设计
大型风电机组组合式塔架结构优化设计∗陈俊岭;阳荣昌;马人乐【摘要】Traditional tubular wind turbine towers may result in a great increase in the fabricating, mounting and transporting cost for large wind turbine systems.A new composite tower was proposed and then the structural optimization was carried out.The new structure is composed of a lattice tower at the bottom with four-angle combined cross-section legs and the steel tube at the top.The stability coefficients curve of the four-angle combined cross-section column subjected to axial compression was first obtained by a series of ultimate bearing capacity analyses.Considering the strength,frequency and slenderness ratio as constraint conditions,the shape and section optimization of the lower lattice tower was carried out.The optimal results show that the proposed structural system can resolve the scarcity of traditional tubular steel towers in transportation and has a 34% less steel consumption.%为解决传统单管风力发电塔架在大型风电机组应用中加工、制作、安装和运输成本大幅上升的问题，提出一种新型组合式塔架结构，并对其进行结构优化设计。
塔式风电机组的优化设计与性能分析
塔式风电机组的优化设计与性能分析随着全球能源需求的快速增长，各国开始积极推动可再生能源的发展。
其中风能作为一种无污染、丰富资源的能源已经成为世界各国重点发展的方向。
塔式风电机组是风能发电的典型代表之一，其优化设计与性能分析对于风能发电的推广具有十分重要的意义。
塔式风电机组的组成结构塔式风电机组主要由底座、塔筒、主机、机舱、叶轮和配电系统等部分组成。
其中主机是风电机组的核心部件，主要由发电机、变速器和控制系统组成。
在塔筒上安装的叶轮转动时产生机械能，经过变速器后通过发电机发电，最终将机械能转化为电能储存到电网中。
优化设计的重要性塔式风电机组的优化设计是保证其高效发电的重要保证。
其中，提高叶轮和主机功率密度，降低机组制造成本和运行成本，是优化设计的核心要求。
提高叶轮和主机功率密度叶轮是风电机组发电的重要部件。
提高叶轮的功率密度意味着在单位面积上获得更多的可利用风能，进而提高发电效率。
在叶轮设计上，应采用新材料、新工艺和新制造技术，提高叶片的力学强度和刚度，同时减小叶轮重量，提高其自启动能力。
除了叶轮外，主机的功率密度也是影响风电机组发电效率的重要因素。
提高主机的功率密度可以有效的提升风电机组的发电效率。
在主机设计上，可以采用较高的档位、较小的齿轮比和较高的发电机速度等方式来提高主机的功率密度。
降低机组制造成本和运行成本降低机组制造成本和运行成本是优化设计的另一个核心要求。
在制造成本方面，可以采用模块化设计方法，采用通用部件和统一标准，降低单个机组的制造成本；在运行成本方面，可以提高可靠性，降低维护成本。
在设计过程中，要充分考虑运行环境和可靠性要求，合理配置控制系统和保护系统，减少运行故障和停机时间。
性能分析塔式风电机组的性能分析主要涉及到风力资源评估、机组性能模拟、运行监测和维护管理等方面。
风力资源评估风力资源是风能发电的基础，其分布和特性对风能发电的可行性和发电效率影响较大。
风力资源评估是通过建立数学模型，分析风力资源的分布、变化、季节性等特点，制定适合的规划，提高发电效率。
大型风电机组塔架门洞结构强度分析与优化
参 考 文 献
［ ］ 鄢 泰 宁 ， 恒 谦 ， 新 胜 ． 宙探 索 与 钻 探 技 术 ［］ 矿 工 １ 冉 段 宇 Ｊ． 探
程 （ 土 钻 掘 ＿ ） ２ １ ３ １ ：－ ． 岩 【程 ，０ ０，７（ ） ３ ７
Ｃｏ ｆ ｒｎ ｅ ｏ Ｉ ｔｒ ａｉｎ ｌ ｏ ｉ ｔ ｆｒ ｅｒ ｉ － ｈ ｃｅ ｎ ｅ ｅ ｃ ｆ ｎ ｅ ｎ ｔｏ ａ Ｓ ｃ ｅｙ ｏ Ｔ ｒａｎ Ｖｅ ｉｌ Ｓ ｓｅ ， ｏ ｉｏ， ９ １ ｙ ｔ ｍｓ Ｔ ｒ ｎ １６ ．
ｄｉ ｓ ｆ ｈ Ｔｈ ｒ Ｌｕ ｒ ｎｇ ｏ ｔ ｅ ｉｄ ｎａ Ｓｃｅ ｅ Ｃｏ ｆ ｒ ｎ ｅ． Ｈ ｏ ｓｏ ｉｎｃ ｎｅｅ ｃ ｕ ｔｎ， Ｔｅ ａｓ １ ７２ ｘ ，９ ．
［ ］ 鄢 泰 宁 ， 家 武 ， 翔 ， ． 论 月 球 表 面 钻 探 取 样 的难 点 ２ 补 吴 等 试
收稿 日期 ：０ １ ５月 ２１年
大 优 化 富 裕 度 的 区域 进 行 优 化 ，改 善 门 洞 区 域 应 力 分
布 ， 保证 风机 安全运 行 的 同时节 省材料 。 在
１ 塔 架 门洞 结 构 强 度 分 析
１１ 塔 架 门 洞 有 限 元 模 型 的 建 立 ． １ ）三 维 建 模 。 据 某 风 机 厂 １５ ０ｋ 风 电 机 组 塔 根 ０ Ｗ
性 能 ， 以必 须 保 证 其 有 足 够 的 安 全 性 ［。 时 ． 架 所 ５ 同 ］ 塔 的 重 量 在 风 电 机 组 中 占 总 重 量 的 ５ ％左 右 ． 本 占 风 ０ 成 电 机 组 制 造 成 本 的 １ ％左 右 。 随 着 机 组 整 体 价 格 的 下 ５ 降 和 塔 架 制 造 材 料 价 格 的 上 升 ， 使 塔 架 成 本 所 占 的 比 例 有 进 一 步 放 大 的 趋 势 ．所 以 有 必 要 对 塔 架 进 行 优 化 设 计 ， 省制 造材料 节 塔 架 门 洞 是 塔 架 最 容 易 出 现 破 坏 的 位 置 之 一 ［。 ６ ３
风力发电机组结构优化设计与性能评估
风力发电机组结构优化设计与性能评估引言：随着全球对可再生能源的需求逐渐增加，风力发电作为一种清洁且可持续的能源选择成为研究的热点。
风力发电机组作为核心设备，在提高能源产量和降低成本方面起着关键作用。
本文将探讨风力发电机组结构优化设计与性能评估的相关问题。
一、风力发电机组结构优化设计1. 塔架结构设计风力发电机组的塔架结构对其稳定性和安全性至关重要。
优化设计应考虑结构材料的选择、减重原理和抗风性能。
新材料如碳纤维复合材料的应用可以降低整体重量，提高发电机组的效率。
2. 叶轮设计风力发电机组的叶轮是将风能转化为机械能的关键部件。
叶片的形状、材料和结构对发电效率有着直接影响。
通过优化叶片的气动性能和减振设计，可以提高转轴的转速，从而提高发电机组的性能。
3. 风扇发电机设计风扇发电机是将机械能转化为电能的关键部件。
通过改进发电机的设计和提高发电效率，可以增加风力发电机组的输出功率。
在发电机的设计中，还需要考虑发电效率、散热和防尘等问题。
二、风力发电机组性能评估1. 电网连接性能评估风力发电机组的并网能力是其性能评估的重要指标之一。
通过对发电机组的电气参数和控制系统进行测试和分析，可以评估并网能力和稳定性，保障风力发电的可持续发展。
2. 发电效率评估风力发电机组的发电效率直接影响其经济性和资源利用率。
通过对风力发电机组的发电量和发电功率进行测量和分析，可以评估其发电效率，并进一步优化设计。
3. 风能捕捉率评估风能捕捉率是评估风力发电机组性能的重要指标之一。
通过对发电机组的风能捕获情况进行监测和分析，可以优化发电机组的布置和方向，提高风能的利用率。
结论：风力发电机组的结构优化设计和性能评估对于提高其发电效率和经济性至关重要。
通过不断改进和创新，可以进一步提高风力发电的可持续发展能力，为全球清洁能源的应用做出贡献。
塔式风力发电机组的结构优化设计
塔式风力发电机组的结构优化设计随着世界人口的增长和经济的发展，能源需求量不断增加。
传统的燃煤、燃油等化石燃料不仅环境污染严重，而且日益短缺，因此可再生能源得到了越来越多的关注和应用。
其中，风力发电作为最成熟的技术之一，得到了广泛的关注和使用。
而塔式风力发电机组是其中的一种，它具有结构紧凑、容易安装和维护、对环境影响小等优点，同时也有一些不足之处，如噪音大、发电能力低等问题。
因此，如何对塔式风力发电机组进行结构优化设计，是当前研究的热点之一。
一、塔式风力发电机组的构成和工作原理塔式风力发电机组是由风轮、塔架、控制系统等部分组成的。
其中，风轮是核心部件，它可以分为叶片、轴承、齿轮箱、发电机等几个组件。
风轮叶片是风能转化成机械能的部分，叶片的弯曲和扭转能将风的动能转换成能够驱动发电机的机械能。
轴承是连接叶轮和齿轮箱的支撑部分，通过它可以将叶轮转动，从而让整个机械系统工作起来。
齿轮箱则用于降低风轮转动速度，并提高发电机的转速，从而产生更大的电力输出。
最后，发电机将机械能转化为电能输出。
二、塔式风力发电机组的结构优化设计1. 叶片的材料和形状设计叶片是风能转化成机械能的部分，因此其材料和形状设计决定了发电机组的发电能力和效率。
目前，常用的叶片材料有玻璃纤维增强塑料、碳纤维等。
在设计叶片形状时，需要考虑叶片长度、展开面积、叶片的宽度等因素，以确保叶片在不同风速下都能产生最大的扭矩。
2. 塔架的高度和形状设计塔架是塔式风力发电机组的承重部分，也是风轮的支撑部分。
因此，塔架高度和形状的设计对整个机械系统的发电能力、风力捕获效率等均有影响。
同时，为了保证塔架的稳定性，设计时需要考虑塔架的重心和支撑部分的强度，以确保在高风速时不发生倾倒或损坏等问题。
3. 控制系统的设计塔式风力发电机组的控制系统主要包括电动机、传感器、控制器、变频器等，它们可以控制风轮的转速和输出功率。
因此，在设计控制系统时，需要考虑各个部件之间的耦合关系，以确保系统在高风速和恶劣环境下运行良好。
风力发电场结构计算与优化设计
风力发电场结构计算与优化设计一、引言随着全球对可再生能源需求的增加，风力发电成为最为广泛应用的可再生能源技术之一，风力发电场的建设也越来越普及。
然而，风力发电场的结构计算与优化设计是一项非常重要的工作，因为它直接影响到发电场的安全性、稳定性和效率。
因此，本文将从结构计算和优化设计两方面，探讨风力发电场的优化设计方法。
二、风力发电场的结构计算1.主体结构计算风力发电机组的主体结构主要包括塔架、机舱和叶片等组成部分。
其中，塔架的主要作用是承载并支撑发电机组，机舱主要包含电气设备和控制系统，叶片则是最主要的发电部件。
这些部件的结构计算需要充分考虑力学构造，碳纤维增强塑料复材的使用关系着风力发电场的使用寿命、成本和安全性。
2.叶轮的结构计算叶轮的结构计算比较复杂，主要涉及到材料特性的考虑、叶片的空气动力学特性分析和叶片的疲劳寿命预测等问题。
其中，材料选择需要考虑叶片的刚度和强度，并要充分利用材料的优异性能，减小叶片自重和增加承载能力。
另外，考虑到风力发电机组的运行时间长，预测叶片的疲劳寿命也非常重要，以保证风力发电机组的持久运行。
三、风力发电场的优化设计优化设计是指在不断优化和改进的过程中，提高风力发电场的安全性、经济性和效率。
主要包括以下几个方面：1.结构设计优化对于风力发电场的各个结构部件，通过优化设计的方法来改进其结构形式、降低材料成本和提升发电效率。
例如，采用尽可能少的钢筋和钢板制造塔架，利用计算机仿真技术优化设计叶轮翼型和参数等。
2.控制系统优化控制系统是风力发电场的重要组成部分，它根据风速变化的实时变化，控制叶片的旋转速度来调节发电机的输出功率。
因此，控制系统的优化设计可以较好地提高发电机的运行效率、稳定性和安全性。
例如，可以通过智能化控制系统实现自适应控制和优化性能调节，最大化地利用风能资源。
3.运维管理优化风力发电机组的运维管理对于保证其长期稳定运行和提高经济性都具有决定性的作用。
优化管理可以提高发电机的可靠性、节约维修成本和提高发电量。
风力发电机塔筒结构的优化设计与动力学分析
风力发电机塔筒结构的优化设计与动力学分析一、风力发电机塔筒结构的优化设计1.材料选择：选择轻量化高强度材料，如钢结构、复合材料等，可以减小结构的自重，提高整体的抗风能力。
2.结构形式：设计合理的结构形式和连接方式，如采用框架结构、空心结构等，可以提高结构的刚性，减小风载作用下的变形。
3.结构布局：合理布置结构的支撑点和连接点，使得结构的应力分布均匀，提高结构的稳定性。
4.结构几何参数的优化：通过有限元分析等方法，优化设计结构的几何参数，使得结构在风载作用下的变形和应力分布更加均匀，提高结构的稳定性和抗风能力。
5.风洞试验：结合风洞试验和数值模拟，对风力发电机塔筒结构进行优化设计，验证结构的抗风能力和稳定性。
动力学分析主要包括以下几个方面：1.基础刚度和阻尼：基础的刚度和阻尼参数对结构的振动响应有重要影响，需进行分析和优化设计。
2.风载分析：通过分析风力发电机所在区域的风场数据，计算出风载的大小和方向，进而确定结构的风载作用。
3.振型分析：通过模态分析，得到结构的固有频率和振型，以评估结构的自振频率和自振形态。
4.响应谱分析：对于地震等动力荷载，进行响应谱分析，计算出结构在不同频率下的响应加速度、速度和位移等参数。
5.结构加振响应：通过分析结构的加振响应，如风-结构相互作用、机械振动等，评估结构的稳定性和抗风能力。
通过上述分析，可以得到风力发电机塔筒结构在不同工况下的动力响应，判断结构的固有频率是否与激励频率接近，从而评估结构的稳定性和抗风能力。
总结：风力发电机塔筒结构的优化设计与动力学分析是提高结构稳定性和抗风能力的重要手段。
通过合理选择材料、优化结构形式和布局、调整几何参数、进行风洞试验以及进行动力学分析等方法，可以提高风力发电机塔筒结构的效益和可靠性。
风力发电机组结构设计与优化
风力发电机组结构设计与优化风力发电是一种可再生能源，其发电机组结构设计及优化对于提高发电效率、降低成本和增加可靠性至关重要。
本文将针对风力发电机组的结构设计和优化进行详细讨论。
一、风力发电机组结构介绍风力发电机组主要由风轮、轴承、发电机、塔架等组成。
其中，风轮是核心部件，负责将风能转换为机械能；轴承用于支撑、转动风轮；发电机将机械能转化为电能；塔架为发电机组提供高度和支撑。
二、风力发电机组结构设计原则1. 结构强度与稳定性：风力发电机组需要能够承受风力冲击和外部负荷，因此结构设计必须考虑强度和稳定性，以防止结构破坏和倾斜。
2. 节能性：风力发电机组结构的设计应尽量减小空气阻力，减少能源浪费，提高发电效率。
3. 可维护性：发电机组结构设计应尽量简化，方便维护和维修。
易损件和关键部件应易于更换。
4. 安全性：风力发电机组结构设计要求满足相关安全标准，防止发生意外事故，保护人员和设备安全。
5. 成本效益：结构设计应尽量减少材料使用量，降低制造成本，提高发电机组经济效益。
三、风力发电机组结构优化方法1. 材料优化：通过选用轻量化、高强度的材料，可以减轻机组重量，提高结构强度。
例如，使用复合材料替代金属材料，可以提高机组性能。
2. 翼型优化：风轮的翼型设计对机组效率影响较大。
通过采用空气动力学优化方法，可以设计出更为高效的翼型，提高转换效率。
3. 结构拓扑优化：借助计算机模拟和优化算法，对机组结构进行拓扑优化，减小结构质量并提高强度，进一步提高发电效率。
4. 轴承系统优化：轴承在机组运行中起到重要的支撑作用。
优化轴承系统设计，减小摩擦阻力和磨损，能减小能量损失，提高整体性能。
5. 塔架结构优化：塔架结构的合理设计可以减小材料使用量和风阻，提高机组稳定性。
优化设计可增强塔架的刚度和抗风能力。
四、风力发电机组结构设计案例以某型号风力发电机组为例，进行结构设计与优化。
首先，利用CAD软件对机组进行整体设计，并进行结构强度和稳定性的计算和分析。
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水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
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在已有塔架
基础 上 ， 采 用 对 比 分 析 方 法 选 择 最 优 设 计； 李华 利用 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 编写 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ 分别完成了静强度
３］ 条件及稳定屈 曲 条 件 下 的 优 化 设 计 ； 庞 强 等［ 将
选用遗 通用 化 软 件 ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 与 Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ 相 结 合， ［ ４］ 传算法对塔架进行优化 ； Ｎ ｅ ｍ Ｈ Ｍ 等 优化 分 ｇ 析了小风机塔架频率特性 。 上述塔架优化设计均 并利用有限元软件分析平 是基于已有塔架 结 构 ， 台展开优化分析 。 而本文针对湘潭电机股份有限 公司某大型塔架 的 设 计 要 求 ， 以塔架质量为优化 目标 ， 以 塔 架 静 强 度、 屈 曲 稳 定 性、 模态特性为状 以塔架直径及壁厚为设计变量 ， 并基 态控制变量 ，
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ １ ０ ２ １ ２ ０ １ １ １ ２ ３ ０ － － － － ） 基金项目 ：国家重点基础研究发展计划 （ 基金资助项目 （ ９ ７ ３ 计划 ） ２ ０ １ ０ Ｃ Ｂ ７ ３ ６ ２ ０ １ ， ： 作者简介 ：刘胜祥 （ 男， 工程师 ， 研究方向为风力机结构与空气动力学 ， １ ９ ８ １ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ Ｌ ｓ ｘ １ ２ １ ９＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ －） 图 １ 塔架坐标系及单元划分 Ｆ ｉ ． １ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｇ ｙ
第３ ０ 卷第 ７ 期
刘胜祥等 ： 大型风力发电分别由 ３ 个坐标轴方向 的力和弯矩构成 ， 这６个量可由专门的风机载荷 ＿ 计算软件 ＧＨ Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｄ ３． ８ １ 计 算 获 得。塔 架 任 一 由此可沿塔架 截面的载荷可采 用 线 性 插 值 获 取 ， 。 选 取ｉ 划分为若干单元（ 图 １） ｚ 方向进行等分 ， 单元的下截面进行静强度分析 ， 其截面内 、 外半径 ） 、 ） ， 分别为ｒ（ 则塔架截面抗弯截面系数为 ： ｉ Ｒ（ ｉ 其中 ）＝ （ ／ ） ） ［ ） ］ Ｗ（ ｉ ４ Ｒ（ ｉ １－α （ ｉ π ）＝ｒ（ ） ／ ） ｉ ｉ Ｒ（ ｉ α（
风力发电机组朝着更大 、 更柔的方向 近年来 ， 发展 ， 这对塔架设计提出了更高要求 ， 即一方面要 求塔架安全可靠 ， 另一方面要求塔架减轻重量 、 降 赵立新 低成本 。 在塔架 设 计 方 面 ， 明
［ ２］ ［ １］
质量最轻的内径 ， 即以塔架单元的质量为优化目 标， 给 出 其 初 始 搜 索 值， 并 确 定 搜 索 的 边 界 条 件， 在满足静强度 、 稳定屈曲及模态频率的条件下进 行非线性优化 。 １． ２ 理论基础 １． ２． １ 静力分析 另一端通过螺栓与基 塔架一端与机 舱 连 接 ， 础固接 。 将塔架的力学模型简化为底部固定约束 它主要 承 受 机 舱 和 风 轮 传 递 过 来 的 气 的悬臂梁 ， 惯性载荷 、 重力载荷及作用于塔身上的风 动载荷 、 载荷 。 在塔架底部中 心 建 立 固 定 坐 标 系 ， 即ｘ 为 风的来流方向 ， ｚ 垂直 ｘ 且 竖 直 向 上 ， ｙ 由右手定 ） 。 则确定 （ 图１
５］ ， 将解析解法和数值近似解 于相应规范及 标 准 ［
法有机结合 ， 利用 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 编制程序实现了塔架的 优化设 计 ， 最后在 Ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ中 完 成 了 塔 架 安 全 性 能 参数的验证和修正 ， 确保了分析的正确性 。
１ 设计思路及理论基础
１． １ 设计思路 利用有限元法 将 塔 架 划 分 为 若 干 单 元 ， 任取 一个单元 进 行 分 析 。 利 用 ｂ ｉ ｎ 法 对 载 荷 分 区 间， 在任意载荷等级条件 ［ ａ， ｂ］ 下 取 中 间 值 （ ／ 则在 外 半 径 几 何 条 件 ［ ａ＋ ｂ） ２， Ｒ Ｒ ｉ， ｉ １ ］下 总 ＋ 能搜索到满足在一定应力设计水平条件下使构件
大型风力发电机组塔架优化设计
刘胜祥 ，宋晓萍 ， 陈习坤 ， 曾 毅
（ ） 湘潭电机股份有限公司 海上风力发电技术与检测国家重点实验室 ，湖南 湘潭 ４ １ １ １ ０ ２ 摘要 ：鉴于塔架对风力发电机组的承载能力 、 使用寿命与安全的影响 ， 因此对塔架进行科学 、 合理的设计尤为 重要 。 提出了风力发电机组塔架的设计思路 ， 总结了静强度 、 屈曲稳定及模态分析等理论基础的特点 ， 通过整 合这些理论基础给出了优化设计步骤 ， 并以湘潭电机股份有限公司某大型风机为例 ， 采用 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 对塔架 进 行 了优化设计 。 结果表明 ， 采用基础理论对塔架进行优化 设 计 是 简 单 有 效 的 方 法 之 一 ， 且在满足各项安全指标 有效地控制了塔架重量 ， 适合推广应用 。 的前提下 ， 关键词 ：风力发电机 ；塔架 ；优化设计 ；静强度 ；屈曲稳定 ；模态分析 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ８ ３ 文献标志码 ： Ｂ