风力发电机塔筒结构仿生设计分析.docxVIP

? ? 风力发电机塔筒结构仿生设计分析* ? ? 李 村，文 鹏 (甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100) 0 引 言 塔筒为风力发电机的主要承载部件，其承载能力直接影响到风力发电机的发电效能。塔筒稳定性问题随着风力发电机的容量和高度增加而表现愈加明显[1]。塔筒失效形式多表现为屈曲破坏，在极端工况下塔筒此类问题表现较为突出[2]。提高塔筒结构稳定性，对于风力发电机的安全运行有着重大的意义。 仿生结构领域的研究及应用可以为塔筒的设计提供新的思路，仿生设计可将生物的优异功能赋予至机械设备，使其具备良好的机械性能。在相似的受载环境下，沿海岸分布的棕榈树表现出优异的抗风性及稳定性，棕榈树为高大型植物，其树干是多段式结构，能够抵挡多种风载荷，甚至在飓风下屹立不倒，具有良好的刚柔耦合性。棕榈树维管束的存在有助于提升整体强度，使棕榈树长势更高，有研究证实棕榈树的力学性能与维管束纤维直径有直接关系。棕榈树维管束纤维应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和停滞阶段，由于维管束的结构特点使其具有优异的机械性能，表现出良好的抗风能力。通过大量文献阅读发现，棕榈树的力学性能与维管束纤维直径有关。将棕榈树不同部位的维管束纤维提取并测试其机械性能，结果表明：不同部位的维管束纤维机械性能有所不同。在此基础上，以维管束纤维为基体制备某复合材料进行试验。试验证明：当维管束纤维含量达到10%时，该复合材料的弹性模量最高[3]。在风力机塔筒结构仿生方面，为提高塔筒整体的刚度、强度，通过仿棕榈植物的内部结构，将塔筒内部腹板设计成双层六边形蜂窝类维管束结构，结果表明，仿生塔筒塔顶位移减少为原塔筒的38%，最大应力下降19%[4]。考虑到棕榈类树干结构与大型风力机塔筒结构的相似性，在其实验研究的基础上，从材料属性分布和几何结构分布两个方面进行塔筒仿生设计分析[5]。 综上所述，笔者将棕榈树维管束结构应用至塔筒设计中，构建仿棕榈树维管束的仿生塔筒。利用有限元数值法计算仿生塔筒和原塔筒静态响应、固有频率及稳定性，并对二者进行比较分析，为塔筒的结构仿生设计提供理论依据。 1 塔筒仿生设计 以某企业2MW风力发电机锥形塔筒为研究对象，塔筒由3法兰连接4段式锥形筒和基础环组成。轮毂中心距地面80 m，塔筒材料为Q345E，总重172.51 t，塔身由四段锥形筒组成，尺寸如表1所列，锥形筒之间由法兰及高强度螺栓连接。塔筒底部外径为4 200 mm，底部壁厚为42 mm,塔筒顶部的外径3 005 mm,顶部壁厚为22 mm。 表1 原塔筒尺寸 棕榈树多生长在海边，凭借其自身优异的结构性能可抵抗强风，甚至飓风。考虑到风力机塔筒在运行时所受的结构、载荷、约束与棕榈树存在着相似性。为提高风电机组塔筒的力学性能，借助结构仿生学思想，依据棕榈树维管束结构设计带有维管束结构的风力发电机仿生塔筒。依据棕榈树维管束结构几何特征，设计仿生塔筒维管束结构。在每一段锥形筒的底部法兰的上方增加仿棕榈树维管束结构，仿生塔筒带4个维管束结构。仿生塔筒维管束结构由中心孔、双边蜂窝状六边形及通道构成。中心孔半径和六边形边长记为r，仿生塔筒维管束结构半径记为R，则它们之间的几何关系为r=1/10R[3]。仿生塔筒维管束几何结构及位置如图1所示。 图1 仿生塔筒维管束几何结构及位置 根据表1和图1建立仿生塔筒实体模型和有限元模型。在此基础上计算仿生塔筒在极端工况下的静态响应、稳定性及固有频率。 2 仿生塔筒分析 为计算仿生塔筒的固有频率、极端工况下的静态响应及其稳定性，需建立仿生塔筒的有限元模型。在建立仿生塔筒有限元模型时，其材料选取Q345，采用以六面体为主导的机械结构划分方式对原塔筒及仿生塔筒进行网格划分，网格尺寸为200 mm,共生成网格单元数276 300个，节点数569 240个。每段锥形筒法兰连接处采取绑定约束，其法兰连接面处采用多点约束算法，仿生塔筒有限元模型如图2所示。 图2 仿生塔筒有限元模型 2.1 仿生塔筒固有频率 为验证仿生塔筒结构的安全性，拟计算仿生塔筒的固有频率。对仿生塔筒和原塔筒进行固有频率计算时，采用本文所建立的仿生塔筒有限元模型，并在仿生塔筒基础环处施加固定约束。由于塔筒为多自由度系统，计算其所有固有频率耗时，低阶固有频率对其结构影响更大[6]，因此本研究提取原塔筒及仿生塔筒的前6阶固有频率，如表2所列。 表2 原塔筒及仿生塔筒固有频率/Hz 仿生塔筒及原塔筒的一阶振型沿X方向摆振，其二阶振型沿Y方向摆振。为避免塔筒结构发生共振，在设计时要确保塔筒的固有频率远离风轮转速频率1P和叶片的通过频率3P(三倍风轮转速频率)的±10%[7]，风轮主要参数如表3所列。 表3 风轮参数 通过表2和表3可知，仿生塔筒及原塔筒的一阶、二阶频率均远离风轮正常频率区间和叶