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 机械工程学院，湘潭 411104；2.湘电风能有限公司，湘潭 411104)

新型格构式风机塔架结构设计与分析

颜 熹1，宁立伟1，魏克湘1，周 舟2

(1.湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411104；2.湘电风能有限公司，湘潭 411104)

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态分析.结果显示，所设计的格构式塔架能满足塔架的设计要求，其中三角分段格构式塔架的稳定性更好.

格构式；风力发电机；塔架设计；建模分析

0 引言

风能是可再生能源领域具有快速增长潜力的能源[1].化石燃料的普遍缺点和太阳能技术的饱和在促使人类寻找更好的和可持续的能源，风能为这种趋势提供了巨大的机会[2].风力发电机必须放置在最佳高度，从风能中捕获足够的能量[3].塔架的引入，为风机提供所需的高度、吸收振动和作为风机的支撑结构[5].

塔架成本占整个风机成本的25%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[4].钢筒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[5].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[7].

图1 格构式塔架

本文设计两种形状的格构式塔架：三角形分段格构式和矩形分段格构式.通过参照湘电风能2 MW风机的测验数据对这两种塔架结构进行设计建模和分析，并对结果进行比较，获得一种更为可靠的设计.

1 格构式塔架设计

1.1 载荷设计

依据标准和认证规范所规定，参照机组载荷计算所得到的结果，参考塔筒载荷坐标系，列出得到的塔筒顶部载荷.表1、表2给出XE116-2000风电机组塔筒顶部极限载荷以及等效疲劳荷载，通过公式线性转换作为本文格构式塔架的设计荷载.

表1 塔顶极限载荷(塔架轮毂高度为85 m)

表2 等效疲劳载荷：塔筒顶部

塔架风荷载的计算，是根据以上85 m塔架风荷载的计算结果进行线性推算的，得到120 m风载总水平力为530 kN，并在后续中将此载荷加至结构进行计算.

1.2 结构设计

1.2.1 格构式塔架质量分配

在满足极限荷载、疲劳荷载及风荷载作用下，利用ANSYS对给定参考塔架进行有限元分析优化，得到120 m高格构式塔架的杆件总重量为159.8 t(不含法兰)、223.7 t(乘1.4含法兰).其中第一层主、斜、横材质量分别为11735.7 kg、1499.3 kg、6270.5 kg；第二层到第二十层的主、斜材质量分别为8242.5 kg、1350.2 kg；12104.7 kg、2535.5 kg；7331.9 kg、2582.6 kg；6900.15 kg、2315.7 kg；5589.2 kg、2339.3 kg；7520.3 kg、1946.8 kg；8344.55 kg、2041 kg；6429.15 kg、1805.5 kg；6429.15 kg、1789.8 kg；5275.2 kg、1876.1 kg；4757.1 kg、1860.4 kg；4239 kg、1844.7 kg；3917.15 kg、1774.1 kg；3234.2 kg、1758.4 kg；3234.2 kg、1758.4 kg；3234.2 kg、1734.8 kg；2590.5 kg、1907.5 kg；2237.25 kg、2088.1 kg；1923.25 kg、2457.1 kg；1530.75 kg、2417.8 kg.

1.2.2 结构形式

塔架的斜材和主材相互独立，主材采用管道式，斜材采用凹槽式(如图2所示)，塔架的底部结构相同.

图2 斜材结构

图3 格构式塔架结构形式

斜材、主材与底部相互固定，塔架的高度为120 m.根据前期的研究成果，格构式风机塔架拟采用图3所示的结构形式(20层)，根据给定的圆筒塔架的设计荷载对三角形塔架进行设计.

本文提出的两种格构式塔架的结构形式相同，都是采用上下分段连接的形式.三角形分段格构式塔架的上段为直立的三角断面结构，下段为锥形的三角断面结构.矩形分段格构式塔架的上段为直立的矩形断面结构，下段为锥形的矩形断面结构.

1.3 确定主材与斜材的尺寸参数

塔架的轮廓尺寸在图3中已经确定，每一层的基本结构形式和质量以及构件的形式已经确定，只要能确定构件(主材、斜材)的截面积，后续即可完成格构式塔架的建模.由于格构式塔架的板材在每个层面上是不变的，改变的只是板材的长度尺寸，它们随着层次的改变而改变，每一层的质量也由此发生规律性的正比变化.所以，可以根据某两个具体层面的板材长度尺寸和质量分布，确定整个塔架两种构件的横截面参数.本文以第一、二层为考虑对象.

(1)

(2)

(3)

对于三角分段格构式塔架：

经过计算，结合各种条件综合考虑，确定三角分段格构式塔架的主材参数R=57 mm，斜材参数a×b=2300 mm2=23 mm ×100 mm，横材参数RH=35 mm.

对于矩形分段格构式塔架：

经过计算，结合各种条件综合考虑，确定矩形分段格构式塔架的主材参数R=50 mm，斜材参数a×b=1700 mm =17 mm×100 mm，横材参数RH=30 mm.

2 仿真分析

2.1 建立格构式塔架的模型

本文使用大型建模软件Solid Works完成前文所设计的两种新型格构式塔架的建模.根据前文确定的塔架的高度、每一层的结构以及高度、每一层构件的尺寸等参数，在Solid Works中建立这两种塔架的三维模型，如图4、图5所示.

2.2 三角分段格构式塔架分析

利用ANSYS有限元分析软件，把建立好的三维模型导入到ANSYS workbench中进行仿真分析.

图4 三角塔架

图5 矩形塔架

2.2.1 预应力模态分析

由于格构式结构每层的结构是相似的，只需要对单层进行分析，就可以估计出整个塔架的分析结果.将三角分段格构式塔架顶层的模型导入ANSYS workbench模板中，对其进行属性定义、网格划分、设置约束、施加前文提出的设计载荷，进行静应力分析，得到位移云图如图6所示.

图6 位移云图

从图6中可以看出三角分段格构式塔架顶层最大位移发生在顶部，其最大值约为22.6 mm.顶层的高度为5 m，整个塔架高120 m，按照等比算法，三角分段格构式塔架的最大位移同样发生在顶端，为542 mm.该塔架自由模态下固有频率如图7所示，第一阶频率为0.4823 Hz，在塔架固有频率的正常范围内.

图7 自由模态固有频率

在上述分析的基础上，对该塔架顶层进行预应力模态分析，一、二阶振型如图8所示，分别是挥舞、摆动振型，前六阶振型频率如图9所示，在第三阶之后频率发生急剧变化.

图8 预应力模态振型图

图9 预应力模态振型频率

2.2.3 结果分析

风机塔架顶部的最大位移一般不超过塔架高度的0.05%，在0.03% ～ 0.05%之间最合适，上述三角分段格构式塔架的最大位移显然满足要求(542 mm在120 m的0.03% ～ 0.05%之间)；从分析结果可以看出，该塔架顶层的固有频率与振型频率在满足正常范围的前提下，没有重合且非整数倍关系(如图10所示)，所以不会发生共振现象.故该三角分段格构式塔架符合塔架设计要求.

图10 固有频率与振型频率

2.3 矩形(四角)分段格构式塔架分析

2.3.1 预应力模态分析

同理，可得到矩形(四角)分段格构式塔架顶层的静应力分析的位移云图结果如图11所示.

图11 位移云图

从图11中可以看出四角分段格构式塔架顶层最大位移发生在顶部，其最大值约为23.4 mm.顶层的高度为5 m，整个塔架高120 m，按照等比算法，四角分段格构式塔架的最大位移同样发生在顶端，为561.6 mm.

该塔架自由模态下固有频率如图12所示.

图12 自由模态固有频率

一阶频率为0.3547 Hz，在正常的塔架的固有频率范围内，并且可以看出，四角分段格构式塔架的固有频率要低于三角分段格构式塔架的固有频率.在上述分析的基础上，对该塔架顶层进行预应力模态分析，一、二阶振型如图13所示，分别是挥舞、摆动振型，但明显要比三角分段格构式塔架的振型强烈，前六阶振型频率如图14所示，到第四阶之后频率才会急剧上升.

图13 预应力模态振型图

图14 预应力模态振型频率

2.3.2 结果分析

风机塔架顶部的最大位移一般不超过塔架高度的0.05%，在0.03%～0.05%之间最合适，从上述结果可以看出，四角分段格构式塔架的最大位移显然满足要求(即561.6 mm小在120 m的0.03%～0.05%之间)；此外，该塔架顶层的固有频率与振型频率没有重合且非整数倍关系(如图15所示)，所以不会发生共振现象.故该四角分段格构式塔架符合塔架设计要求.

图15 固有频率与振型频率

2.4 对比分析

从前文的位移云图可看出三角分段格构式塔架的塔架顶部最大位移要小于四角分段格构式塔架，说明三角格构式塔架在相同环境载荷下应变要较小.它们顶层的振型频率对比如图16所示，三角分段格构式塔架的振型频率要高于四角分段格构式塔架，说明三角格构式塔架要更优于避免本身的共振.

图16 两种塔架振型频率

3 结 论

本文根据塔架的设计以及格构式结构的相关资料，设计了三角和四角两种分段格构式塔架，分别对它们进行了建模以及静应力分析和预应力模态分析，结果显示达到了塔架设计要求，并进一步做了对比分析.

(1)所设计的120 m高的格构式塔架所需的材料成本与85 m高的钢筒式塔架一样，可见所设计的格构式塔架在相同条件下，能为风机提供更大的高度，从而提升风机的功率.

(2)在同等载荷环境下，三角分段格构式塔架比四角分段格构式塔架的顶端所产生的最大位移要小，所以三角分段格构式更符合塔架设计的要求.

(3)质量和载荷环境相同的情况下，三角分段格构式塔架比四角分段格构式塔架所产生的振型频率要更远离它们各自的固有频率，所以更不易产生共振.在本文所考虑的条件下，三角格构结构的稳定性要强于四角格构式结构.

在下一步工作中，可以考虑三角格构式塔架和四角格构式塔架在对应构件截面尺寸相同(整体质量不同)的情况下，作静应力分析和预应力模态分析，比较它们性能的差异.

[1] Wang Q，Wei K，Li X， et al. Design and Analysis of Multi-megawatt Wind Turbines Blades[J]. Journal of Vibroengineering，2015.

[2] Lavassas I，Nikolaidis G，Zervas P，et al. Analysis and Design of the Prototype of a Steel 1-MW Wind Turbine Tower[J]. Engineering Structures，2003，25(8): 1097-1106.

[3] 张庆华，顾 明，黄 鹏.格构式塔架风力特性试验研究[J].振动与冲击，2009，28(2):1-4.

[4] Islam M R，Mekhilef S，Saidur R. Progress and Recent Trends of Wind Energy Technology[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2013，21(5):456-468.

[5] 张 羽，蔡 新，高 强，等.风力机塔架结构研究概述[J].工程设计学报，2016，23(2):108-115.

[6] 李宗福，张有闻，白云飞.风力发电机塔架设计综述[J].低温建筑技术，2007(4):79-80.

[7] 单 蕾.风力机塔架结构选型与受力性能研究[D].哈尔滨工业大学土木工程学院硕士学位论文，2009.

[8] 曹成帅，李春兰，汪 泽，等.新型塔架的类型及发展趋势[J]. 电工电气，2016(2):1-4.

[9] 祝水琴，骆江锋，谈志强.风机塔架的模态分析及优化设计[J].机械设计，2013，30(4):78-80.

[10] 姜顺先，王存堂，于浩源.格构式钢管混凝土风力发电塔架设计[J].辽宁工程技术大学学报，2012(2):60-63.

[11] 宋俊杰.1.5MW风力发电机塔筒与塔架的对比研究[D].内蒙古科技大学建筑与土木工程学院硕士学位论文，2012.

[12] 王 峰，陈 棋，余国城.大型风力发电机组塔架刚度的研究[J].新能源及工艺,2005(6):38-40.

[12] 吕庆，宁立伟，等.基于气热法对风机叶片防冰除冰分析研究[J].湖南工程学院学报(自科版)，2017，27(2)：28-32.

DesignandAnalysisofNew-typeLatticeTowersforWindTurbines

YAN Xi1，NING Li-wei1，WEI Ke-xiang1，ZHOU Zhou2

(1. College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. XEMC Windpower CO. LTD, Xiangtan 411104, China)

Lattice tower has the advantages of easy manufacture，low cost，simple transportation，easy installation and smaller influence on the ecological environment. This paper has designs two kinds of new-type of lattice tower for wind turbines, and completes the tower model，static stress analysis and prestressed modal analysis. Results show that the lattice tower can meet the requirements of the design of the tower，and the stability of the triangular section lattice tower is better than the former one.

lattice; wind turbines； tower design； modeling and analysis

TH122

A

1671-119X(2017)03-0025-06

2017-03-29

国家自然科学基金资助项目(11472103)；湘潭市科技计划资助项目(FJ20164001)；湖南工程学院研究生科技创新项目(Y17005).

颜 熹(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：动力机械及工程.

宁立伟(1966-)，男，教授，研究方向：机械创新设计理论与方法.