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1、毕业设计（论文） 风电塔筒受力模型分析研究风电塔筒受力模型分析研究 兰州理工大学本科毕业论文 i 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1 11 选题背景 1 12 风力发电发展状况 2 121 世界风力发电发展状况 .2 122 我国风力发电发展状况 .3 13 风力发电机组塔筒的研究现状 4 131 风力发电机组塔筒概述 .4 132 风力发电机组塔筒的研究现状 .5 14 风力发电机组塔筒的设计 9 15 本研究的意义及研究主要内容 .10 151 研究意义 10 152 本文主要研究内容及安排 12 第二章第二章 塔筒受力模型的建立塔筒受力模型的建立1414 21 结构简化 .14 2
2、2 材料属性 .15 23 材料的本构关系 .15 第三章第三章 塔筒的受力分析塔筒的受力分析1717 31 各工况下风荷载计算 .17 311 确定分析工况 17 312 风荷载计算 19 32 塔筒所受主要载荷 .23 321 极限载荷 23 322 风切变 23 33 在塔筒坐标系中各载荷的计算 .24 34 塔筒受力分析实例 .27 风电塔筒受力模型分析研究 ii 第四章第四章 塔筒的屈曲分析塔筒的屈曲分析2929 41 稳定性的计算方法 .29 411 失稳的类型 29 412 特征值求解方法 29 42 塔筒的屈曲分析 .30 421 屈曲分析概述 30 422 塔筒屈曲分析计算
3、31 43 塔筒在极限载荷情况下的稳定性分析 .32 第五章第五章 塔筒的优化设计塔筒的优化设计3333 51 优化设计概述 .33 52 优化设计要素 .33 53 优化设计流程 .34 54 优化设计实例 .35 第六章第六章 结论与展望结论与展望3636 61 结论 .36 62 展望 .36 参考文献参考文献3838 外文原文外文原文4141 外文翻译外文翻译6464 致致 谢谢8383 兰州理工大学本科毕业论文 I 摘摘 要要 塔筒是风力发电机的主要支撑装置，它将发电机与地面联接，为风轮提供需要的 高度。该结构体系一直以引进国外的设计为主，国内没有统一的风力发电机塔筒设计 规程标准。
4、随着风力发电机塔筒的大型化发展，作用在塔筒上的风载荷的交变性和随 机性将更为明显，因此，有必要对风电塔筒结构及受力进行详尽的分析，是发展风力 发电产业的重要基础研究工作之一。 本文 1.5MW 风力发电机组锥筒型塔筒为研究对象，对风力发电机组锥筒型塔筒的 结构进行简化，在塔筒坐标系中计算塔筒所受的主要载荷，对塔筒进行简单的受力与 屈曲分析，然后以塔筒壁厚为设计变量，塔筒质量为目标函数，对该塔筒的优化设计 进行了初步探讨。 研究表明：对塔筒进行受力与屈曲分析应重点考虑切出风速工况的影响；门洞对 塔筒基底应力、塔顶位移以及固有频率的影响很小，而对发生失稳破坏的影响较大， 因而在进行塔筒屈曲分析时不
5、能忽略门洞的影响；优化后节约钢材量可观，该类型塔 筒有进一步研究的和进行优化设计的必要。 关键词：塔筒，水平轴风力发电机，受力分析，屈曲因子，优化设计 风电塔筒受力模型分析研究 II ABSTRACT The tower is a main support equipment of wind turbineIt joins the generator and the ground and provides altitude for the impellerThe design of the structure system has been introduced primarily from
6、the overseasThere is no unification design regulations standard for wind turbine tower at home yetAlong with the maximization of wind turbine tower，the role of the towers wind load variability and randomness of the cross will become more evident，therefore，it is necessary to carry on the exhaustive a
7、nalysis for the windward electricity tower structure and force ,the analysis is one of the important basic research The taper cylinder tower of some approved wind generator set of one wind electric plant was taken as the object of study, For the taper cylinder tower, simplify the structure of the to
8、wer drum coordinates calculation by tower drum, the main load of simple tower drum of the stress and the buckling analysis and the stress and the flexure analysis to the tower；Finally ,the tower wall thickness and the tower mass as the constraints，the design variable and the objective function The r
9、esearch indicated：the influence of the cut-out wind speed work condition should be the key consideration when carries on the stress and the flexure analysis to the tower；the influence to the tower basis stress，the displacement in the tower top as well as the natural frequency is very small，but the i
10、nfluence to the buckling destroys is big，thus the influence of the door opening cannot be neglected when carries on the tower flexure analysis；After the optimization，it is considerable to save the steel products quantityThere is the necessity for this type tower to carry on further research and the
11、optimization design Key Words：Tower，Horizontal axis wind turbines，Stress analysis，Buckling factor，Optimization design 兰州理工大学本科毕业论文 1 第一章第一章 绪论绪论 11 选题背景选题背景 能源是经济发展的命脉，能源问题作为关系到世界经济发展和人们生存环境的 重大问题正日益受到世界各国的广泛关注。随着世界经济的迅猛发展，各行各业对 能源的需求也日益俱增。传统的石化能源如煤、石油、天然气的开发和利用在一定 程度上满足了生产发展和人们生活的能源需要，但是，对这些不可再生资源的
12、掠夺 性开采和过度利用已经在全球范围内造成了严重的环境污染和生态环境恶化等问题。 在能源需求量不断增加和保护生态环境的双重压力下，以保护为目的的新能源研究 为能源利用领域开创了新天地。而作为一种主要的可再生能源，风能的开发和利用 在新能源研究中一直被广泛关注1。 风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发 展前景的可再生能源。人类早在远古时代便开始利用风力，但发展缓慢。20 世纪 80 年代以来，世界风电装机容量迅猛增长。21 世纪是高效、清洁和安全利用新能源的 时代，世界各国都在做这方面的努力，都在把能源开发利用作为关键科技领域给予 关注。这中间，风能将成为主要角色
13、，为 21 世纪的人类服务。在新能源领域风力发 电技术比较成熟，商品化大型风力发电机组单机容量已由 80 年代初期的几十千瓦发 展到 1MW 以上，随着风力发电机组逐渐向大型化方向发展，作用在塔筒上的载荷 的交变性和随机性更为明显，其本身又是弹性结构，因此塔筒的振动是不可避免的。 振动带来的疲劳会降低材料的强度，缩短整机的使用寿命。所以，对于塔筒的结构 动力学特性分析，是风力机研究工作的一项重要环节。 风力发电机是把风的动能转换成电能的机械设备。世界各国研制的风力发电 机2,3的形态和种类很多，按照风力发电机功率大小分类：可分为小型风力发电机(功 率小于 l0kW)、中型风力发电机(功率在 1
14、0100kW 之间)和大型风力发电机(功率大 于 l00kW)；按照风力发电机风轮轴方向分类：可分为水平轴风力发电机(风轮轴与 水平面平行或接近于平行)和垂直轴风力发电机(风轮轴垂直于水平面)。水平轴风力 发电机在风轮高速旋转时对传动机构要求较低，有较高的风能利用系数，是目前技 风电塔筒受力模型分析研究 2 术最成熟、生产应用最广泛的一种风力发电机。 塔筒是支撑机舱及风力机零部件的结构，它将风力机与地面连接，为风轮提供 必要的工作高度，通过基础将风力机各部件的荷载传至地面。塔筒结构体系一直以 引进国外的设计为主，国内没有统一的风力发电机塔筒设计规程标准。随着国内风 力发电机塔筒的大型化，有必要
15、对风电塔筒受力进行详尽的分析，为建立我国自己 的设计规程标准奠定基础。本课题通过对塔筒受力模型进行分析研究，为塔筒的动 态设计提供理论依据。 12 风力发电发展状况风力发电发展状况 由于化学燃料的日益枯竭和人类对环境恶化的倍加关注，从上世纪七十年代以 来，各国政府和国际组织都相继投入大量的资金用于可再生能源的开发，寻求一条 经济社会进步与资源环境和人口相协调的、可持续发展的道路。 在众多的可再生能源中，风能4以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。 风力发电5,6具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、运行不污染环境等优点， 被世界各国优先采用。 随着风电装机规模的不断增大，机组单机容量的
16、不断扩大，以及海上风力发电 项目的起步，世界上很多国家对风电的开发都给予了高度重视及政策激励7。欧洲 风能协会和绿色和平组织的风力 12：关于 2020 年风电达到世界电力总量 12的 蓝图正是基于此而出台的。 中国风能资源丰富，主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带。近年来，随 着政府支持力度的加大，中国风电建设进入了一个新的规模化发展时期。 121 世界风力发电发展状况世界风力发电发展状况 人类利用风能的历史可追溯到中世纪甚至更早，最初是将风能转换为机械能， 用风车提水、碾米、磨面、借风帆为船助航等。19 世纪末，丹麦科技人员开始研究 风力发电，为风能的利用开辟了更为广阔的前景。1941 年，美国在巴蒙特州研制并 建立了一台当时世界上最大的风力发电机，风轮的直径为 53 m，塔高 34 m，输出功 率为 1.5MW。5060 年代，西欧各国也相继开始研究风力发电技术，到 60 年代末， 兰州理工大学本科
