风力发电机塔架结构模型设计与制作
风力发电机组的塔架与基础
风力发电机组的塔架与基础第一节塔架塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。
其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加，愈来愈明显。
在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的50% 左右，由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。
由于近年来风力发电机组容量已达到2~3MW，风轮直径达80~100m，塔架高度达100m。
在德国，风力发电机组塔架设计必须经过建筑部门的批准和安全证明。
一、塔架的结构与类型塔架主要分为桁架型和圆筒型。
桁架型塔架如图10-1示。
桁架型塔架在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点为不美观，通向塔顶的上下梯子不好安排，上下时安全性差。
圆筒型塔架如图10-2 示。
在当前风力发电机组中大量采用，其优点是美观大方，上下塔架安全可靠。
以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。
钢筋混凝土塔架在早期风力发电机组中大量被应用，如我国福建平潭55kW风力发电机组（1980年）、丹麦Tvid2MW风力发电机组（1980年），后来由于风力发电机组大批量生产，从批量生产的需要而被钢结构塔架所取代。
近年随着风力发电机组容量的增加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。
二、塔架的设计与计算塔架的主要功能是支承风力发电机的机械部件，发电系统（重力负载），承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等。
塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。
塔架自振频率高于运行频率的塔称之为刚塔，低于运行频率的塔称之为柔塔。
1. 塔架静强度的载荷条件1）横吹：风速为65m/s（2s 平均）风轮不转动，叶片顺桨，风向是横向吹在机舱上。
风力发电机基塔设计算例
风力发电机塔基设计算例Tjjg1设计概况风机塔的结构形式主要有钢、混凝土、预应力混凝土、钢/混凝土混合结构。
为了对比采用不同结构体系风力发电机塔的经济技术指标，对装机容量为3.6MW、风机轴线高100m的钢管及预应力钢筋混凝土两种结构形式分别进行设计。
其中钢塔的材料分别考虑Q235和Q390两种情况，混凝土塔采用C60。
风力发电机设备荷载取自LWST PhaseⅠProject Conceptual Design Study及WindPACT公开发布的研究报告。
风力发电机塔的结构设计依据中华人民共和国颁布的现行设计规范及标准，主要包括：建筑地基基础设计规范（GB50007－2002）、混凝土结构设计规范（GB50010－2002）、建筑抗震设计规范（GB50011－2001）、钢结构设计规范（GB50017－2003）、建筑结构荷载规范（GB50009－2001）。
两类钢塔（tower1、tower2）及预应力混凝土塔（tower3）的主要技术指标见表1。
其中钢塔的设计控制荷载是风荷载组合，混凝土塔的设计控制荷载为地震效应组合。
表 12钢塔设计钢塔的设计主要包括截面初选、模态分析、内力计算、截面验算、屈曲分析、疲劳验算等步骤。
主要荷载包括结构自重、风力发电机组荷载、风荷载、地震荷载。
机组拟建上海地区，抗震设防烈度为7度，基本风压设计值0.55kN/m2。
而且与混凝土结构相比钢结构自重较小，所以结构承载力极限状态设计时起控制作用的是风荷载。
由于缺乏可信的组合系数，所以不考虑风机荷载的效应的组合，将其与地震作用、风荷载效应分别直接组合确定最不利设计内力。
2.1设计荷载风机塔在使用过程中的设计荷载包括结构自重、风机荷载、风荷载、地震作用。
不考虑温度作用的影响。
2.1.1 结构自重根据钢结构设计规范（GB50017－2003）本设计钢材密度取ρ＝7800kg/m3，弹性模量Es＝200×109 N/m2，Q235设计强度取205MPa、Q390设计强度取335MPa。
新型格构式风机塔架结构设计与分析
新 型 格 构 式 风 机 塔 架 结 构 设 计 与 分 析
颜 熹 。 宁立 伟 ，魏 克 湘 ，周 舟
（ １ ． 湖 南工 程 学 院 机 械 ： Ｉ 程学 院 ． 湘潭 ４ １ １ １ ０ ４ ； ２ ． 湘电风能有限公司 ． 湘潭 ４ ｌ １ １ ０ ４ ）
摘 要 ：相比 于一般 风力机塔 架 ， 格 构式塔 架具有容 易制造 ， 成本低 ， 运输 简单 ， 安装 方便 和 对生 态环境 影 响较 小的优 势． 根据质量 分配设计 了两种新型格构 式塔 架， 完成 了塔 架 的建模 以及静 应力 分析 和预 应 力模
塔简 顶部 载荷 ． 表 １ 、 表 ２给 出 Ｘ Ｅ１ １ ６ —２ ０ ０ ０风 电 机
＆ ～ 一 ｎ ４ 躺 一 ６
钢简式 塔 筒 的发展 由于 道路 运 输 的限 制 、 制 造 成 本 而受 到 了极大 的阻 碍 ． 格构式塔架 （ 如 图 １所 示 ） 具有 容易 制造 ， 更 少投 资成 本 ， 运输简单 ， 安 装 方 便 和对 生态 环境 影响 较小 的优势 ．
通信作者 ： 宁立伟（ １ ９ ６ ６ 一） ， 男， 教授． 研 究方向： 机 械 创 新 没计 理 论 与 疗法 ．
２ ６
表 ２ 等效疲劳载荷 ： 塔 筒 顶 部
Ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ Ｓ Ｎ Ｓ ｌ ｏ ｐ ｅ
．一 ｋ ２ １ ２ ４ ９ ６ ２ １ ５ ３ ２ １ ４ ３ ２ ４ ７ ５ Ｏ ２ ４ ２ Ｏ ６ ９ ７ Ｏ ２ ４ ２ １ ８ ８ １ ９ ３ ８ １ Ｏ
本 文 设计 两 种 形状 的格构 式 塔 架 ： 三 角形 分段
０ 引言
风 能 是 可 再 生 能 源 领 域 具 有 快 速 增 潜 力 的 能 源…． 化 石 燃 料 的 普 遍 缺 点 和 太 阳 能 技 术 的 饱 和 在
风力发电塔架
按照《混凝土结构设计规范》沿周边均匀配置纵向钢筋 的环形截面偏心受压构件，其正截面受压承载力按下式计算：
N 1fc A p0Ap t f py p0 Ap t f y As
sin sin M 1f c Ar1 r2 f py A p rp 2
图2 预制板
图3 预制板间的连接构造
图4 混凝土塔与钢塔 连接部位构造
（二）、整体式预应力混凝土塔架考虑应变率影响的分 析和设计 1.风力发电机的参数和塔架几何尺寸 1.1 塔架几何尺寸如表2所示
表2 塔架类型 塔架高度（H） 轮毂中心高度 塔底外径 塔底壁厚 塔顶外径 高塔 120m 121.8m 6.4m 0.3m 3.2m
垳架式钢结构塔架
格构式钢结构塔架
锥筒式钢塔架、混凝土塔架
圆筒式钢塔架、混凝土塔架
钢－预应力混凝土混合塔架
二、为什么需预应力混凝土塔架：随着风力发电向单机大容量 发展，使塔架高度越来越大，体积增大，运输困难，所以出现 了预应力混凝土塔架。 预应力混凝土塔架的优点是： 耐疲劳、抗腐蚀能力强、耐久性好、维修费用低、节约钢材、 造价低、稳定性好、现场施工方便。 （1）施加预应力扩大了结构的弹性范围，调整了结构中的内 力分布，较小结构变形； （2）相对于钢-混凝土组合结构而言，使用预应力技术可以有 效地利用高强钢材，减轻结构自重，工程实践证明可节约钢材 10%~30%； （3）增强应力幅值，降低结构的抗疲劳能力，由于施加了预 应力，降低了混凝土截面的最大拉应力，有效应力幅值的降低 增强了结构的疲劳使用寿命；
Fx 0.4Cp R 2 V2
(2)转矩 M x计算如下式 Mx 9550P n
(3)偏转力矩 M y可按下式计算
风力发电塔架
kN / m
0.73 0.96 1.04 1.12 1.18 1.22
z
h (m)
64.99 75.17 85.02 95.00 104.99 114.98
0.29 0.38 0.45 0.53 0.60 0.67
注：Fw 为作用在每10m范围塔身上的风荷载合力；h为 Fw 的作用点位置距离塔底 面的距离。
Fx 0.4Cp R 2 V2
(2)转矩 M x计算如下式 Mx 9550P n
(3)偏转力矩 M y可按下式计算
4 M y R 2e sin cos 9
经计算得到以下结果：
Fz 848.1kN
Mz 925.9kN m
My 3627.2kN m
2.2 考虑应变率影响的混凝土强度
风力发电机的参数和塔架几何尺寸12所设计的风力发电机的几何尺寸重量和性能等基本特性如表3所示设计概要名称参数值风力发电25mw塔架高度120m叶轮直径d98m额定风速15ms额定转速n23rmin切出风速25ms叶片质量m703373kg机舱质量m参数类型预应力钢筋混凝土混凝土设计强度等级c80塔架尺寸见表2预应力混凝土塔架的设计计算21荷载计算塔架的荷载包括永久荷载可变荷载和地震作用
图2 预制板
图3 预制板间的连接构造
图4 混凝土塔与钢塔 连接部位构造
（二）、整体式预应力混凝土塔架考虑应变率影响的分 析和设计 1.风力发电机的参数和塔架几何尺寸 1.1 塔架几何尺寸如表2所示
表2 塔架类型 塔架高度（H） 轮毂中心高度 塔底外径 塔底壁厚 塔顶外径 高塔 120m 121.8m 6.4m 0.3m 3.2m
风力发电塔混凝土结构在其工作过程中除了承受正常的设 计荷载外,往往还要经受各种突然的动荷载作用,如地震、风荷 载等。一般认为,在动态荷载作用下引起的混凝土材料的力学 特性是显著区别于其准静态情况的。大量研究表明混凝土是应 变速率敏感材料,其强度、刚度、韧性(脆性)等性质均随加载 速率而变化。根据我们的试验结果得知：随着应变率的增加， 混凝土强度提高系数为10%。
基于CAD技术的风力发电机组结构设计与强度分析
基于CAD技术的风力发电机组结构设计与强度分析一、引言风力发电机组作为一种可再生能源装置，在现代社会中发挥着重要的作用。
因此，对于风力发电机组结构设计和强度分析具有重要意义。
本文将基于CAD技术，详细介绍风力发电机组结构的设计过程，并进行相应的强度分析，以确保风力发电机组的稳定性和可靠性。
二、风力发电机组结构设计1. 风力发电机组组成风力发电机组主要由塔架、机舱、叶片和旋转机构组成。
设计风力发电机组结构时，需要考虑各部分的功能和相互之间的连接。
2. 塔架设计塔架作为风力发电机组的主体支撑结构，需要具备足够的强度和刚度来承受风压和重力。
在设计过程中，需要考虑材料的选择、截面形式和塔架的高度等因素。
3. 机舱设计机舱是风力发电机组的核心部分，需要容纳发电机、传动系统以及控制装置等。
在设计机舱结构时，需要考虑重量分布和空间利用效率。
同时，还要保证机舱的刚度和振动控制。
4. 叶片设计叶片是将风能转化为机械能的关键部分，其设计需要考虑气动特性、结构强度和动力学特性。
通过CAD技术，可以优化叶片的外形和材料的选择，以提高风能捕捉效率和减小结构重量。
5. 旋转机构设计旋转机构是使叶片能够根据风向实现自动调整的关键部分。
在设计旋转机构时，需要考虑转轴的强度和稳定性，以及传动系统的设计和可靠性。
三、CAD技术在风力发电机组结构设计中的应用1. 三维建模CAD技术可以实现对风力发电机组结构的三维建模，包括各个部件的几何形状和相互之间的连结关系。
通过三维模型，可以直观地查看和修改设计，提高设计效率。
2. 强度分析CAD软件具有强大的仿真分析功能，可以对风力发电机组结构进行强度分析。
根据材料的力学性能和加载条件，可以模拟结构在不同工况下的应力和变形。
这有助于评估结构的安全性和可靠性，并进行必要的改进。
3. 优化设计CAD技术可以进行参数化设计和优化设计，通过对关键参数进行调整和优化，以达到结构性能的最佳化。
通过CAD软件提供的优化算法，可以在满足强度和稳定性要求的前提下，减小结构重量、降低材料成本。
风力发电塔架基础与塔架的设计
酒泉职业技术学院毕业设计（论文）09 级风能与动力技术专业题目：1.5MW风力机组塔筒及基础设计毕业时间：2012 年7 月学生姓名：刘文源指导教师：任小勇班级：09 风电（4）班年月日酒泉职业技术学院09 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表姓班级专业名指导教师第一次指导意见年月日指导教师第二次指导意见年月日指导教师第三次指导意见年月日指导教师评语及评分成绩：签字（盖章）年月日答辩小组评价意见及评分成绩：签字（盖章）年月日教学系毕业实践环节指导小组意见签字（盖章）年月日学院毕业实践环节指导委员会审核意见签字（盖章）年月日1.5MW风力机组塔筒及基础设计摘要: 70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。
风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。
2006年中国共有风电机组6469台，其中兆瓦级机组占21.2%，2007年，这个比例跃升为38.1%，提高了16.9个百分点。
在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。
2009年5月，国家投资3万亿资金支持新能源，在整个投资中风力发电行业的投资在国家总投资中占了很大的一部分，进一步推动了风电行业的发展。
据国家能源局统计，中国风电2010年新增装机容量将超过1600万千瓦累计装机容量达到4182.7万千瓦。
预计在2020年末我国新增发电装机容量将达到6000万千瓦累计装机将超过1亿万千瓦。
随着国家“十二五”规划对风电行业的大力支持和政策的不断完善与调整，中国风电将又一次迎来黄金的发展期。
并且风机的制造企业技术也不断完善和创新，一批具有国家啊自主知识产权的产品纷纷亮相。
从600千瓦、750瓦、1500千瓦、2500千瓦到现在的5000千瓦,而且更大发电量的风机已经研制和立项。
《风力发电机组设计与制造》姚兴佳第6章-精选文档
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。
（3） 德国DFVLR公式 Ct—推力系数，取2.2
1 2 F Av a s t b sN C 2
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
（4） 丹麦RIS公式
F as PA 1 d
P1—风轮单位扫掠面积上的平均风压，通常取300N/m²
Ad —风轮的扫掠面积
2.欧美国家塔架静态强度设计的一般载荷条件
1. 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。
《风力发电机组设计与制造》
第6章塔架与基础设计
6.1设计概述
6.1.1 塔架的设计要素
1.塔架高度
塔架高度越高，获得风能越大；
塔架高度越高，制造成本越高；
塔架高度初步确定公式： H 1 ~ 1 .3 R
ห้องสมุดไป่ตู้
R
—风轮半径
地表形貌影响塔架高度；
陆地粗糙度＞海面粗糙度
海上风电场，塔架低一些；
陆上风电场，塔架高一些；
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§4.塔架模型结构计算简介
以桁架设计方案为例： 桁架的特点：均为拉压杆
受力均匀，能充分发挥材 料的作用。 机舱载荷：F1 风载荷：F2 北京地区基本风压： q=300N/m2
风力发电塔架结构 模型设计与制作
风力发电塔架结构 模型设计与制作
（廖力）
§1. 风力发电塔架 §2. 设计方案的制定 §3. 计算书 §4. 塔架模型结构的计算简介
制作由汪老师介绍
§1. 风力发电塔架
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越 受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风 能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为 2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量 还要大10倍。
关于小型软件：SMSOLVER 结构力学求解器的使用可参考以下网址中的 视频。 /sms/videos.htm
希望通过结构设计大赛使 同学们更好地掌握理论力学和 材料力学的理论与知识，培养 创新思维，增强动手能力。
祝同学们取得好的成绩！
进 入 有 21 了 世 长 纪， 足 我 的 国 发 风 展。 力 发 电
风力发电机组， 大体上可分转叶 (包括尾舵)、发 电机和塔架三部 分。
塔架是支承转叶、 尾舵和发电机的结 构。它一般修建得 比较高，为的是获 得较大的和较均匀 的风力，又要有足 够的强度。塔架高 度视地面障碍物对 风速影响的情况， 以及转叶的直径大 小而定，一般在620米范围内。
§3. 计算书
二、材料的力学性能 根据选用的材料及其实验资料 （具有离散性）确定材料的许用应 力，弹性模量，等。
竹皮最大应力 =60MPa，弹性 模量E=104MPa。 502胶水
§3. 计算书
三、主要承载构件的强度，刚度，稳定性 强度：根据主要承载构件的内力， 确定其危险截面，根据危险截面的应 力分布，确定危险点，根据危险点的 应力状态，确定构件的强度。 刚度：结构在载荷作用下，某些位置 和方向的位移或转角代表。 稳定性：轴向受压的杆，要考虑稳 定性。
目前的风力发电机只是给电瓶充电，而 由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功 率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率 的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是 机头功率的大小。在内地，小的风力发电机 会比大的更合适。因为它更容易被小风量带 动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风 更能供给较大的能量。一台200W风力发电机 也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获 得500W甚至1000W乃至更大的功率输出。
§3. 计算书 计算书主要包括以下内容：
一、结构的计算简图 二、材料的力学性能 三、主要承载构计算简图（计算模型）： 结构的几何尺寸，约束的情况，载 荷的大小、方向及作用位置，载荷的计 算方法等，主要受力构件（如：立柱、 梁、板等）的横截面形状、尺寸，所使 用的材料等。
凹槽
机舱模型底部 设 置 一 凹 槽 100mm×95mm ×5mm 底板上留有四个 直 径 为 8mm 的 贯穿孔洞
塔架结构示意图
底板
100 5
50
100
50
图2 机舱侧视图
8孔洞
92
92
图3 底板俯视图
§2. 设计方案的制定
1、根据使用要求，确定结构形式，和结 构布局。尽量采用对称布局。 2、根据使用载荷，粗略的估算主要构件 截面的尺寸，进行初步设计。 载荷：机舱重量、风载荷 3、绘制结构设计图 平面图、侧视图，结构几何尺寸，主要 构件截面几何尺寸。
2
x
压杆的横截面
I i A E P P
§4.塔架模型结构计算简介
3、简化的计算 2）只有F2作用
y
M 整个结构看成一 2aA1 悬臂梁（忽略腹杆）
x M
2A1 a 2A1
F2
梁的横截面
M 2A1a
3、简化的计算
将1 ）与2）立 柱的应力叠加
显然，高度不同， 立柱中的应力也 不同。 计算各段立柱的 轴向压力，可按 两端铰支考虑稳 定性。
早期的风能利用--风车 主要是通过风车来抽水、磨面等
人们感兴趣的是如何利用风来发电。上世 纪三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应 用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一 些小型风力发电装置。当时的发电量较低， 大都在5千瓦以下。
上世纪七十年代，风力发电发展很快。 1978年，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成 了200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米。 丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电 装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米。
压杆稳定：
临界载荷Fcr
大柔度（细长）压杆：
F
EI Fcr 2 ( l )
2
l p i
I A
P
E
F
i
小柔度（短粗）压杆：Fcr=sA, 强度控制 中柔度压杆（略）
P
EI Fcr 2 ( l )
2
压杆两端约束的影响：
§4.塔架模型结构计算简介
§2. 设计方案的制定
1、根据使用要求，确定结构形式，和结 构布局。 模 型 塔 架 高 度 为 800mm ，平面尺寸不 大于100mm×100mm 机舱模型外形尺寸为 200mm×100mm×95mm ，重量预赛为 10kg, 决赛 为12kg 塔架结构示意图
§2. 设计方案的制定
1、根据使用要求，确定结构形式，和结 构布局。
例如：ANSYS 等
示意图
§4.塔架模型结构计算简介
2、简化为平面结构
或用小型软件： SMSOLVER 立柱 F3
F4
腹杆
§4.塔架模型结构计算简介
3、简化的计算
叠加法
F1
F2
+
§4.塔架模型结构计算简介
3、简化的计算 1）只有F1作用 整个结构看成一 压杆（忽略腹杆）
y
F1
EI Fcr 2 ( l ) l p i
初步设计：
结构计算 修改设计
§2. 设计方案的制定
4、材料表包括：各种截面形式的材料数 量，以及估算的模型重量。 （竹材每立方厘米重约为0.9克）
例：2号杆 截面4mm×6mm 长度200mm 根数4
2
§3. 计算书
“结构设计竞赛”，强调的是设计，而 不仅仅是动手能力的比赛。 计算书是结构计算、结构设计的依据， 通过对主要受力构件的计算，得出结构的 承载力和刚度，解决好材料的用量与安全 性间的矛盾。
F1 F2 +
3、简化的计算 不足之处： 腹杆的内力无法 计算。
F1 F2 +
对模型计算书要求
计算书在写作上，应该尽量作到，叙述清 楚、简明，有条理，能说明问题，作为技术档 案，是模型制作的依据，不仅要自己能看得懂， 也要别人能看得懂。图文并茂最好。切记：不 要将计算书搞成一堆数据的堆砌，自己不会去 看，别人更不会去看。
F1 F2
示意图
风机型号与参数 生产厂家：北京兴华通风设备有限公司 名称：GXF-B型高效低噪斜流风机 型号：6-B 转速：1450r/min 风量：11835m3/h 全压：556Pa 功率：3kW 重量：114kg 间距：1m。
§4.塔架模型结构计算简介
1、空间结构
通用计算软件：
F1 F2