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片通过频率区间约15%，因此原塔筒及仿生塔筒不会发生共振现象，原塔筒和仿生塔筒结构合理且安全可靠。

2.2 仿生塔筒静态分析

设计仿生塔筒时需考虑极端工况的影响。基于塔顶坐标系，计算塔筒在四种极端工况下的载荷[2]，分别是极端湍流模型(DLC1.3)、极端风切变模型(DLC1.5)、极端阵风模型(DLC3.2)和极端风速模型(DLC6.1)，四种极端载荷如表4所列。

为研究仿生塔筒的静态响应，应用有限元数值分析法，计算原塔筒模型和仿生塔筒模型在表4极端工况下最大应力和塔顶位移，对比原塔筒和仿生塔筒在同等工况下静态响应特性。

表4 极限载荷分布

对仿生塔筒进行静态响应分析时，依据塔筒实际工况，在塔筒底部基础环处施加一个固定约束，将风轮和风力机机舱的简化集中质量点耦合至塔同顶部。采取塔顶坐标系，将表4极端载荷依次施加于仿生塔筒。原塔筒及仿生塔筒的在极端工况下塔顶位移响应和应力响应如图3和图4所示。

图3 塔顶位移响应

图4 塔筒最大应力响应

由图3可知，在极端工况下，仿生塔筒塔顶位移响应均小于原塔筒。在DLC3.2即极端阵风工况下，仿生塔筒塔顶位移较原塔筒减少9.47%，在DLC6.1即极端风速工况下，仿生塔筒塔顶位移较原塔筒减少8.55%，可见仿生塔筒在DLC3.2工况下塔顶位移响应最小。由于维管束结构存在，使得仿生塔筒刚度提升，有效抵抗强阵风载荷对塔筒的冲击，减少塔筒在极端工况下的位移响应。

由图4可知，在极端工况下，原塔筒表现出最大应力为185.79 MPa。依据IEC61400-6 EDI规范[8]，取安全系数1.1，材料的最大许用应力为313.6 MPa，故原塔筒和仿生塔筒均符合强度要求。在DLC1.3、DLC1.5和DLC6.1下仿生塔筒和原塔筒应力分别减少9.82%、20.05%、2.84%，由于仿生塔筒维管束结构的存在使得其强度在此三种极端工况下得到提升。仿生塔筒使风力发电机在极端工况下能够安全运行。

2.3 仿生塔筒稳定性

塔筒的稳定性和承载能力在很大程度上取决于自身的结构，因此有必要对塔筒屈曲稳定性进行计算。对原塔筒和仿生塔筒利用有限元数值分析法进行特征值屈曲分析。采用2.1小节中的约束条件及塔顶坐标系，不考虑机舱、风轮及塔筒自身的重力加速度，在塔筒顶部施加沿z轴反方向的单位载荷。完成初始条件的设置，求解原塔筒及仿生塔筒前2阶屈曲特征值，如表5所列。

表5 原塔筒及仿生塔筒前两阶屈曲特征值

由表5可知，仿生塔筒一阶屈曲载荷和二阶屈曲载荷基本一致，主要由于其结构的对称性所致。结构稳定性主要取决于一阶临界屈曲载荷，根据IEC-61400-6 ED1规范[9],基于壳体结构，屈曲安全因子γs为1.2，其屈曲安全系数小于1时，壳体结构趋于稳定。结构的屈曲安全系数为结构的最大轴向载荷和屈曲安全系数的乘积与一阶屈曲临界载荷的比。原塔筒和仿生塔筒在4种极限工况下的屈曲安全系数如图5所示。

图5 原塔筒及仿生塔筒屈曲安全系数

由图5可知，在4种极端工况下，原塔筒和仿生塔筒安全系数都小于1，原塔筒和仿生塔筒均不会出现失稳的状况。在DLC6.1工况下原塔筒和仿生塔筒屈曲安全系数分别为0.088、0.091，相比原塔筒仿生塔筒稳定性提升3.29%；DLC3.2工况下，仿生塔筒较原塔筒稳定性提升3.49%；DLC1.3和DLC1.5的工况下，仿生塔筒的稳定性优于原塔筒。从表5和图5可知，维管束结构使得仿生塔筒稳定性优于原塔筒。维管束结构使得仿生塔筒不易在极端风环境下发生屈曲破坏，确保整个风力机运行安全。

3 结 论

以棕榈树为生物原型对风电机组塔筒结构进行仿生设计，设计出在每段锥形筒法兰上方带有维管束结构的仿生塔筒，并计算仿生塔筒及原型塔筒的固有频率、极端工况下静态响应和稳定性，分析结果总结如下。

(1) 采用有限元数值法计算了仿生塔筒及原始塔筒的前六阶频率，仿生塔筒和原塔筒的前两阶固有频率均远离正常频率区间和叶片通过频率区间约15%，表明仿生塔筒和原塔筒不会发生共振现象，结构可靠。

(2) 仿生塔筒在4种极端工况下，塔顶位移较原塔筒均减小，其中在DLC3.2下仿生塔筒位移减少更明显。表明维管束结构使得仿生塔筒刚度提高，使其具备更强的抗风性。仿生塔筒在DLC1.5工况下表现出最小应力，仿生塔筒维管束结构使其强度得到改善。

(3) 仿生塔筒较原始塔筒屈曲载荷提升3.61%，与此同时，仿生塔筒在本文的极端工况下，屈曲安全系数均得以提升，表明维管束结构使得仿生塔筒的稳定性得到了提升。