基于有限元方法的风电机组塔筒及法兰优化设计

基于有限元方法的风电机组塔筒及法兰优化

设计

1 引言

风电作为一种具有广泛发展前景的清洁能源，已经成为人们日常

生活中不可或缺的一部分。风电机组中塔筒及法兰作为其中一个重要

的组成部分，对该机组的稳定性和安全性有着至关重要的作用。因此，对塔筒及法兰进行优化设计显得尤为重要。

2 有限元方法

有限元方法是一种以数值计算为基础的工程计算方法，可以通过

将连续问题中的区域离散化为有限数量的子区域来进行计算。在工程中，有限元方法被广泛应用于结构分析、流体力学、热传导等领域。

3 塔筒优化设计

塔筒作为风电机组的支撑结构，其设计需要考虑到风区的最大风速、塔筒自重、风叶振动等多种因素。通过有限元方法可以对塔筒进

行建模并进行强度及稳定性分析。此外，借助优化算法，可以对塔筒

参数进行优化，如塔筒材料、壁厚、直径等。优化设计可以提高塔筒

的稳定性和承载能力，同时降低制造成本。

4 法兰优化设计

法兰作为风电机组与塔筒相连的重要部件，需要满足高强度、耐

腐蚀、密封性好等要求。通过有限元方法可以对法兰进行建模并进行

强度及接口分析，以确定法兰的最佳设计方案。同样地，优化设计可以提高法兰的强度和接口性能，同时减少制造成本和维护费用。

5 结论

有限元方法是优化设计工程中的重要工具，能够有效地提高风电机组塔筒及法兰的设计效率和质量。在塔筒及法兰的设计中，通过有限元分析来模拟真实的工作环境和载荷情况，得出最优的设计方案，是今后风电行业发展的必要条件。

风力发电机组轮毂设计及有限元分析

摘要 轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件,承担抵抗风载、传递转矩的作用，对轮毂进行精确的强度分析尤为重要。采用联合分析的方法，利用UG软件和ANSYS有限元分析软件对风力发电机轮毂进行了强度计算和受力分析。通过UG软件作出轮毂的模型图，根据作图的方法和步骤对模型图进行了参数化设计。并将UG 模型图转化成CATTA格式再导入ANSYS分析软件中进行有限元分析。分析结果表明：该方法能够比较准确地反映轮毂受力和变形情况，与理论估算相比具有计算精确、轮毂结构布局合理、重量轻、修改方便等优点。 关键词:风力发电机；轮毂；有限元；参数化；网格

Abstract Hub is a key component linking principal axis with vane in wind turbines , bearing wind load and delivering torsion. Therefore , it is important to analyze accurately strength of the hub. Joint analysis, using UG software, and ANSYS finite element analysis software for wind turbine wheel and the mechanical analysis of the strength calculation. Made through the UG software model of the wheel, according to the method of mapping and the steps carried out on the model of the design parameters. UG model and into a format and then import CATTA analysis software ANSYS finite element analysis carried out. The results show that: the method to more accurately reflect the wheel force and deformation, compared with the theoretical calculation of accurate estimates, a reasonable wheel structure, light weight,convenient modification.The stress distribution of the hub in the SU T21000 wind turbine was calculated using BLADE and AN SYS software. The ultimate loads of the hub were obtained based on IEC standard and an equivalent model was built by multipoint constraint element s and equivalent simplified technology in analysis. The stress of the bolt was also checked. The analysis result s indicate that the hub and bolt s satisfy technical requirements. Experimental results show that the proposed scheme is valid and has the advantages of precisely optimizing structure and light weight compared with theoretical method. Key words : Wind generators; wheel; finite element method; parameter; grid

风电机组塔筒与基础环法兰间隙原因探查及处理

风电机组塔筒与基础环法兰间隙原因探 查及处理 摘要：某风电场建成投产后，发现个别风机塔筒与基础环连接T型法兰外侧存在不同程度的间隙。文章对法兰间隙产生的原因进行分析，认为间隙产生的原因为设备制造期间工艺质量方面存在问题；并对法兰缝隙安全性进行了评估，根据分析及评估结果采取了相应的措施进行加固处理，主要是通过采用加装规格不同的垫片塞实间隙，使法兰之间紧密结合，取得了良好的效果；同时对后续运行过程中检查监督提出了建议意见。 关键词：法兰；间隙；加固；垫片 引言： 某风电场采用单机容量3.2MW的风机，风机基础环及塔架塔筒由主机厂家设计,委托第三方加工，采用T型法兰连接。风机安装完成投运前，发现三台风机塔筒底部法兰与基础环法兰外侧结合不严密，整个圆周方向上均存在宽度不同的间隙，塔筒底部法兰内侧与基础环法兰内侧结合严密，无间隙。为了保证风机的安全稳定长周期运行，对发现的问题进行分析，并根据分析结果采取措施对间隙问题进行处理。 1现状调查 1号风机法兰间隙深度为110mm-125mm,宽度为1.3mm-2.6mm；法兰对接存在错边，错边值为3mm-4mm。 2号风机法兰间隙深度为100mm-120mm,宽度为1.8mm-2.5mm。 3号风机法兰间隙宽度为1.2mm-2.2mm，因受密封胶干扰未进行间隙深度测量；法兰对接存在错边，错边值为2mm-3mm。

2法兰间隙原因分析 2.1 设计原因调查 对法兰缝隙可能产生影响的设计要求主要包括平面度要求和内倾度要求，根 据设计资料，该项目法兰具体设计要求为：1) 塔基法兰和基础环顶法兰焊 接后平面度要求为1.5mm，且90°范围内0.5mm；2) T型法兰内倾度要求为 ≤1mm。 评估单位根据设计的内倾度≤1mm要求，采用两法兰间初始缝隙高度最大值 取为2mm，缝隙沿法兰一周分布，同时内外侧法兰均建立缝隙进行有限元建模， 计算了预紧力工况下的法兰位移，发现加载完设计预紧力后，法兰内圈间隙闭合、外圈未闭合，间隙为0.137mm。如考虑平面度偏差，则设计条件下，内外圈螺栓 同时施加预紧力后法兰外圈缝隙最大可达2.137mm。 2.2 法兰制造过程调查 对现场有法兰间隙的基础环和底部塔架相关制造记录进行调查，发现有平面 度超出设计要求的地方，见下表。

风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命预测

风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命预测 赵荣博;张媛;李双荣 【摘要】针对风力机塔筒法兰联接螺栓结构特殊、受力复杂、易于失效等特点,采用有限元法建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系,应用工程算法计算螺栓时序内应力;基于GL2010规范,选择塔筒法兰联接螺栓材料的S-N曲线;基于S-N曲线全寿命分析法计算整圈螺栓的疲劳强度并确定最危险部位;采用螺纹联接轴对称模型进一步准确计算危险部位螺栓的疲劳累积损伤,结果表明其疲劳寿命满足要求,提出的方法在预测塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命时具有可行性和有效性.%For the special structure,complex load and easy failure of flange connecting bolts,the re-lationship between outside load of tower cross section and inner stress of bolts by finite element meth-od is established,and the timing inner stress of bolt is calculated by Schmidt-Neuper algorithm.The S-N curve which is suitable for high strength bolts is selected based on GL2010 specification.Fatigue cu-mulative damage of whole-ring bolts is calculated by whole life analysis method based on S-N curve, and the most dangerous parts is determined.Further fatigue cumulative damage of the dangerous bolts is calculated by using threaded connection axisymmetric model.The results showed that the dangerous part of bolts meets the requirements of fatigue life,and proved that the feasibility and effectiveness of the proposed method. 【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2017(036)002

风电塔筒制作工艺研究

风电塔筒制作工艺研究 摘要：近年来，我国的生态环境保护与清洁能源发展进入加速发展期,也取 得了前所未有的成效，其中新能源发电起到了至关重要的作用，而风力发电就是 主流。塔筒是风电机组中重要的组成部分，不断改进和优化风电塔筒的制作工艺 在新能源发展过程中意义重大。 关键字：风电塔筒；制作；工艺； 1前言 受新能源电价补贴政策影响，2020年风电项目如雨后春笋般蜂拥上马，在风 电“抢装潮”的带动下，各塔筒加工厂的产能异常饱和，如何提高塔筒加工进度、优化塔筒制作工艺也就成了亟待解决的问题。文章结合近年来多个风电项目塔筒 制作经验，对塔筒的制作过程展开了研究和分析，希望能为一线技术人员提供参 考和帮助。 2风电塔筒制作工艺 2.1 原材料进厂及检验 原材料进厂检验是整个风电塔筒加工流程的第一步，其中原材料包括钢板、 法兰，内附件，焊材等。 2.1.1 钢板：风电塔筒所需钢板为中厚板或厚板，中厚板用于塔筒钢板，厚 板用于门框板。 塔筒钢板是风电塔筒的主体，起到连接基础和风机支撑的作用。塔筒钢板进 厂后，要按标准进行外观尺寸的表面验收，合格后按炉批号的10%抽检（厚度 ≥40mm的100%复检）进行UT探伤。探伤合格后，取样做化学成分和力学性能检验，检验报告合格方可使用。

门框板用于底段门框位置，起到筒体开门后门洞周边的受力支撑作用。门框 钢板入厂，必须逐张进行几何尺寸检测和无损检测检验，并应由有资质的第三方 出具检验报告，合格后方可使用。 2.1.2 法兰：法兰是塔筒各筒节的连接件，所使用的材料为低合金高强度钢，风电塔筒连接法兰分为环锻法兰和反向平衡法兰。法兰入厂，需做超声波检测及 表面磁粉检测，法兰原材料化学成份检测以及法兰厚度方向性能需要按照主机厂 要求的标准执行。 2.1.3 爬梯：塔筒内爬梯可采用钢制或铝制爬梯。钢梯横梁不允许拼接；铝 梯型材的壁厚必须≥1.5mm，铝合金爬梯厂家应提供材质质量证明及检测报告， 且其产品通过 CE 认证。 2.1.4 电缆夹板：电缆夹板必须为阻燃型尼龙 66 材料，阻燃等级为 UL94 V-0，同时需提供第三方检测机构出具的材质检测报告审核并备案。 2.1.5 焊材：塔筒的焊接方式主要分为三种：焊条电弧焊、埋弧焊和气体保 护焊。不同的焊接方式运用在不同的工艺中，所选择的焊接材料也不同，必须与 母材相匹配，且屈服强度不得低于355MP。 2.2 数控火焰切割下料 数控火焰切割下料简称为钢板下料，是指钢板经过检验合格后，利用数控机 床对钢板进行切割。下料时每一塔架筒体在高度方向留 2mm 的收缩余量以作为 调整。首块规格筒节下料前让数控切割机在钢板上划好下料线，确认正确无误后 才能开始切割，检验合格后方可进行批量下料。 2.3 开制剖口 开制剖口即打坡口，筒体板材切割尺寸偏差长度方向误差要求±2mm，板宽 之差要求≤2mm（至少测 5 个位置），对角线之差≤3mm。用切割机切割环向坡 口和纵向坡口时根据 GB/T 985.1 和 GB/T 985.2 标准，由制造商制定坡口形式 的放样图，主机厂进行确认。

大型风力发电机塔筒的失效分析与制造工艺过程控制

大型风力发电机塔筒的失效分析与制造工艺过程控制 摘要：本文通过两个风电场风机塔筒失效案例，分析了大型风机塔筒基础环的结构薄弱点，提出了基础环法兰结构的优化方案。为保证大型风机安全运行，指出在塔筒制 造的关键工序中进行工艺过程控制和质量监督的具体措施。 关键词：大型风机；基础环；结构优化；工艺控制 风能可再生、取之不尽的洁净能源，随着能源的持续紧张和人们环保理念的加 强，风能因其开发利用技术相对成熟，经济性较高而受到各能源公司、发电企业的青睐。 塔筒是风力发电机组的基础设备，用来支撑机舱及风力发电机部件，使风力发电 机风轮中心达到设计•工作高度。一般塔筒要求具有足够的疲劳强度，承受机组启 停、风况变化等周期性疲劳载荷的影响。因此塔筒的制造、安装质量直接关系到整个 风力发电机组的设备安全与可鼎运行。 2大型风机塔筒失效 风力发电机组塔筒在运行中不仅承受塔筒自身和发电机组重力，还受到风轮旋转 所产生的周期性载荷和自然随机风载的多重作用［1］。风力塔筒在外界多重力的作用下最大应力分布于于塔筒与混凝土基础连接的部位，塔筒结构上薄弱点是连接法兰与 塔筒对接焊缝、壁厚变截面处。风电机组建造时，混凝土基础与塔筒基础环浇筑成为 一体，因此整个风机塔筒的最大应力主要分布在塔筒基础部位对接焊缝和壁厚变截面处，内蒙古科技大学闻洋进行的按比例缩放塔筒拟静力试验, 塔筒破坏过程中，应力测点验证了当这些部位应力远超出了屈服应力时，其余部位均为达到屈服点［2］。 2.1风机塔筒基础环开裂 某甲风电场装机24x2MW大型风电机组，塔高80米，基础环直径4.2米，筒体周长约13.2米，基础环筒体壁厚42mm。2015年8月份，该风电场工作人员巡检时发现1号风机基础环塔筒开裂，开裂位于基础环与法兰对接焊缝的法兰一侧母材，裂纹贯 穿塔筒壁厚。外壁裂纹长约1・9米，占全周长的14.4%,外壁裂纹张口约2mm,可塞入钢锯条，见图2.1,塔筒内壁裂纹长约3.6米，占全周长的27.3%o 1号风机塔筒基础环焊缝金相组织为魏氏体组织，为焊接过程热输入过大所致； 焊缝硕度165HB.熔合线硬度207HB,母材硬度仅为140HB,熔合线硬度高于焊缝和母材，此种组织状态组织和硬度分布会降低材料的塑性和冲击韧性，使熔合线附近材料的抗 疲劳性能大幅下降，在长时间高疲劳应力运行条件下极易发生开裂。 对该风电场24台风电机组塔筒基础环焊缝进行扩大检查，发现20台风机塔筒基础焊缝组织具有魏氏倾向或典型的魏氏组织，2台为典型的淬硬马氏体组织, 焊缝硬度达300HB,而熔合线硬度为190HB,母材硬度仅为140HB左右；2台风机焊缝表面有空洞和裂纹状磁痕显示，6台焊缝超声波检测显示内部有超标缺陷。 2.2风力发电机组倒塌 2016年2月，某乙风电场14号风力发电机组发生倒塌事故，现场风机塔筒与基础环分离，倒向一侧，塔筒变形，叶片、机舱、轮毂设备损坏。倒塌的风机塔筒断口位于底部塔筒与法兰对接焊缝法兰一侧母材，法兰侧断口中间凸起，同焊缝坡口形貌相似，断面光洁整齐，人字形疲劳纹明显，为脆性断裂，塔筒侧断口与法兰侧断口对应，中间凹陷，塔筒外缘焊缝形貌完整，图2.3。

MW级风力发电机组塔筒法兰强度分析

MW级风力发电机组塔筒法兰强度分析 何海建;杨扬;孟令锐;晁贯良;董姝言 【摘要】针对MW级风力发电机组运行过程中的塔筒法兰安全问题,以某大型风力发电机组塔筒法兰为例,利用有限元分析软件AN-SYS建立了包含上段塔筒、上段法兰、连接螺栓、垫圈、下段法兰以及下段塔筒的法兰连接系统的有限元模型,对MW级风力发电机组塔筒法兰在极限工况下的应力分布进行了分析,对塔筒法兰的疲劳强度计算方法进行了研究,提出了一种将临界平面算法与剪应力算法相结合的塔筒法兰疲劳强度计算方法.计算结果表明:塔筒法兰的极限强度安全系数为1.1,疲劳安全系数为5.163,两项计算结果均大于1,且危险位置与工程实际吻合,根据德国劳埃德船级社规范,塔筒法兰强度能够满足设计要求,说明提出的方法能够实现MW级风力发电机组塔筒法兰的强度校核.%Aiming at the safety of tower flange in the MW wind turbine operating,take a certain high power level wind turbine top flange for example,the finite element model of the tower flange connection system which including top tower,top flange,bolts,washers,bottom flange and bottom tower was built up to analyze its stress distribution under the ultimate load case, and a new method which combines the critical plane method with shear stress method to calculate the fatigue damage of tower flange was then proposed in the tower flange fatigue strength calculation method study. The results indicate that the tower flange ultimate strength safety factor is 1.1,and its fatigue strength safety factor is 5.163,all of them above 1 and the critical locations are consistent with engineering practice,the tower flange can satisfy the strength de-sign requirements according to

风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究

风力发电钢塔筒的荷载计算方法 和荷载组合研究 赵文涛曹平周陈建锋 (河海大学土木工程学院，江苏南京210098) (College of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing 210098) [摘要] 目前我国相关规范和规程尚没有对风力发电钢塔筒给出具体的荷载计算方法。本文分析研究了风力发电塔筒的荷载特点，总结了风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合。对水平气动载荷公式进行修正，提出修正系数0.4，并对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析，提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。 [关键词]风力发电；钢塔筒；荷载；有限单元法 ABSTRACT：At present, there are no specific load calculation methods about wind turbine tower in Chinese standards. In this paper, it was analyzed and summarized about load character, load calculation methods and loads combination. The paper proposes correction coefficient 0.4, while aerodynamic load equation was corrected. After finite element analysis of one MW wind turbine tower, the paper proposes the first variable load and the worst load case about the design of wind turbine tower. KEYWORDS：wind turbine; steel tower; load; finite element method 引言 风能作为一种绿色能源，得到世界各国的重视和开发利用。塔筒作为风力发电机和叶轮的支撑结构，其结构的安全可靠性是确保风力发电机组正常运转的关键因素之一。塔筒结构的设计，首先要涉及到荷载作用。除了自身的重力外，塔筒还要受到风轮和机舱的重力作用以及作用在塔身上的风荷载，另外还要受到通过风轮作用在塔筒顶端的气动荷载、偏转力、陀螺力和陀螺力矩等。塔筒所受荷载具有特殊性，目前我国还没有统一的风力发电塔筒承受作用计算方法，已建塔架考虑所受荷载采用的计算公式差别较大。本文分析风力发电塔筒的荷载特点，结合相关研究成果，总结系统的塔筒荷载作用类型和计算方法以及荷载组合方式。对某MW级风力发电塔筒的力学性能进行了有限元分析，提出塔筒设计时可变荷载中的第一可变荷载和最不利工况。 1 风力发电塔筒的荷载特点与荷载计算方法 1.1 风力发电塔筒的荷载特点 风力发电塔筒属于自立式高耸结构，风荷载通常是引起结构侧向位移和振动的主要因素，起控制作用。风力发电机的发展方向是容量增大，随之风轮直径加大，塔架高度增加，导致作用在塔身上的风荷载增大。研究表明，由风压增大造成的荷载增加要小于塔高增加引起挡风面积的增加而引起的荷载增加[1]。除了塔身受到风荷载作用，塔筒顶端还受到风轮和机舱传来的多种力和力矩作用。在风轮运行过程中，风轮将作用在其扫掠面上的气动荷载以及自转产生的转矩传给塔架。由于风轮直径较大，可达70m,作用在风轮扫掠面积上端的风速不同于下端的风速，这种风速分布的不均匀性以及风向的偏转会产生偏转力、偏转力矩及俯仰力矩。由于旋转着的风轮能够随着风向的改变自动调节迎风方向，即风轮会绕着塔筒轴线转动，因此塔筒还受到陀螺力和陀螺力矩的作用。 现代风机功率较大，塔筒高度较高，作用在塔壁上的风荷载沿塔高有较大变化。通过风轮和机舱传递给塔筒的荷载可以简化为沿三个坐标轴方向的集中力和力矩。风力发电塔筒受

风电塔筒制作过程中质量控制关键点及要求

风电塔筒制作过程中质量控制关键点及 要求 摘要：风电塔筒为连接机头与地基的筒形结构，主要用来支撑风力发电机组、吸纳机组振动，起到避雷减震的作用。风电塔筒的制造质量与机组的运行安全有 着密切关系，所以控制好风电塔筒质量有着积极意义。本文主要研究了风电塔筒 的具体制作方案，对风电塔筒制作质量的管控细节进行思考，从而更好地保障风 电塔筒的制作质量。 关键词：风电塔筒；制作；质量控制；关键点 前言：随着全球气候的不断变暖，低碳经济已逐渐成为全球关注的热点。风 能作为一种清洁的可再生能源，逐渐受到全球的的青睐。而风力发电可以有效缓 解环境污染等方面的问题，使得世界各国特别是发达国家的高度重视。风电机组 塔筒作为风电机组中重要的设备设施，在风力发电中起到非常重要的作用。近期，随着风力发电的广泛使用，风电塔筒的制作过程及相关技术应该越来越受到重视，只有风电塔筒的制作过程把控好质量、把控好施工的技术，这才能让风电机组的 质量得到保障，才能更有效提升风力发电的技术水平。 1风电机组塔筒制作过程 1.1材料准备及检验 法兰、钢板这两种制作材料是风电塔筒的主要制作材料，而材料的质量就会 直接关系到塔筒本身的质量，因此，对于塔筒的制作材料在进厂后需要对其的表 面外观尺寸以及厚度等各个方面进行验收。需要特别注意的是需要对外观、尺寸 及厚度等这几个方面进行特别严格的核查。在这几个方面验收合格后还需要按照 货物总数量的10%进行100%UT的复验，质量需要达到JB/T4730.3-2005II级别的 要求。环锻法兰外形的尺寸在验收合格之后，还需按照总数量的10％进行UT和

MT的抽样检查。其中的UT要满足JB/T4730.3I级别标准要求。都需要使其质量 满足实际需求。 1.2钢板下料 钢板下料主要采用的是数控切割机下料。在操作下料之前需要根据工艺进行 数据控制编程，在保证校核检验无误的情况之后才可进行钢板下料的操作，在完 成下料以后需要严格标识钢板瓦片的编号、方向、方位等方面的数据。对于筒体 板材切割的尺寸偏差长度和板宽之差需要控制在2mm之内，而对角线之差的数据 应控制在3mm以内。对于切割各瓦片的环缝及纵缝的坡口，按照零件工艺卡的要 求需要并且将坡口角度及坡口周围大概30mm的范围内需要打磨非常光滑与光滑。这些都需要控制在一定的数据范围内。 1.3卷板和回圆 卷制前制作1.2m长弧形样板，检测弧度，保证筒体内径和样板之间的缝隙 均匀且≤2mm。卷制完成后定位焊接，合理控制错边量。筒体坡口外侧使用气体 保护焊点焊固定，装配引弧板和熄弧板。对指定批次及板厚安装焊接试板。纵缝 焊接采用合理的焊接参数，有效控制焊接线能量输入，避免焊接变形。纵缝焊接 完成后，还需对筒体回圆，确保筒体椭圆度小于0.5%。卷板和回圆示意图如图1 所示。 图1卷板、回圆示意图 1.4纵缝焊接 首先进行内缝的焊接，接着需注意对背缝进行非常彻底的清根，在看到看露 出坡口金属后操作焊接背缝。如果在焊接过程中纵缝对接处的间隙＞1mm，首先

资料塔筒振动测量

1 引言 塔筒是风电机组中的主要支承装置，它将机舱和风轮托举到所需的高度。在机组的整个寿命周期内，塔筒受到风轮、机舱以及自身重力作用的同时，还受到各种风况（正常风况、极端风况）引起的动载荷作用，承受大小和方向随时变化的疲劳载荷和极限载荷。因此设计时必须保证塔筒具有足够的强度、刚度和稳定性。 塔筒的振动分析与控制是风电机组设计过程中必须进行的工作之一。由于风轮在一定范围内转动，且风轮的转速时刻都在发生变化，因此设计时必须考虑风电机组运行时变载荷、变转速的特性，通过对各个部件动态特性及其耦合特性的设计，保证整个机组在工作过程中的平稳及安全可靠运行。通过对塔筒振动的测量和分析，可以了解实际工作过程中塔筒的振动水平及频率成分，对引起塔筒振动的原因进行具体分析，并对设计进行验证。 2 塔筒的载荷分析 目前，风电机组塔筒大都为锥形结构，其顶端安装有较大质量的机舱和在风载荷作用下旋转的风轮，如图1 所示。概括起来，作用在塔筒上的载荷主要有以下几类： 图1 风力发电机组

图2 塔筒载荷和振动仿真结果 (1) 气动力：作用在塔筒顶部的风轮上的气动力是塔筒载荷的主要来源。此外，风载荷直接作用在塔筒上也会对塔筒产生动载荷。 (2) 重力：机舱和风轮重力直接作用于塔筒顶部，是塔筒设计和机组安装时必须考虑的一个重要参数。机舱和风轮的重心位置也是设计时必须考虑的一个重要参数。 (3) 惯性载荷：由于风载荷的随机性，会引起塔筒的振动，而这种振动会产生惯性力，不但引起塔筒的附加应力，而且还会影响塔筒顶端叶轮的变形和振动。 (4) 控制系统的运行载荷：风电机组在运行过程中，控制系统和保护系统使机组启动、停车（包括紧急停车）、偏航、变桨、脱网时，都会引起机组结构和塔筒部件的载荷变化。 图2 为仿真得到的停车过程中塔筒顶部的倾覆力矩和振动 3 设计过程中对塔筒振动的控制 通过上面的分析可知，塔筒受到多种载荷的共同作用，特别是由于风载荷的随机性，必然引起塔筒的变形和振动，而这种振动不但会引起塔筒的附加应力，而且有可能与叶片产生共振，从而影响整个风电机组组的稳定性。因此，在风电机组组塔架设计中，必须对塔筒进行动力学分析，合理设计塔筒的强度和刚度。通过对塔筒进行模态分析，动力响应计算等，使塔架频率（主要为一阶频率）与叶片的通过频率之间错开一定的数值，而且把机组和塔筒的振动都控制在一定的范围内。 对于钢制锥形塔筒，把机舱、风轮等近似作为集中质量作用于塔筒顶部，其1 阶固有频率可用下式进行估

海上风电深水导管架基础过渡段有限元模拟分析

海上风电深水导管架基础过渡段有限元 模拟分析 摘要：海上风电导管架过渡段主要连接下部结构和上部塔筒，起到承上启下 的关键作用，因此对其的设计及校核尤为重要。本文应用非线性有限元分析软件ABAQUS，采用静力学方法对海上风电深水导管架基础斜箱梁式过渡段进行了数值 模拟分析，分析结果表明，该过渡段形式能适用于深远海导管架支撑结构上，为 我国深远海海上风电支撑结构设计提供借鉴和参考。 0引言 由于海上风电场风速高、风况优、湍流强度低、有稳定的主导风向，不消耗 陆地资源等优势，世界范围内（包括我国）都对近海风电场进行了大规模的开发，目前国内已适宜开发的近海风电资源日益减少，风电开发走向深远海是必然的趋势。海上风电机基础的成本是海上风电成本的重要因素，在中深水区域，导管架 基础比单桩基础有更好的安全性和经济性。虽然导管架基础在国内应用处于起步 阶段，但是我国在石油平台设计、施工领域经验丰富，可以借鉴使用。目前导管 架基础过渡段形式主要有斜撑式过渡段和箱梁式过渡段两种，不同过渡段形式的 传力方式不同，结构用钢量不同，本文选取具备优势的斜箱梁式过渡段为研究对象，为以后后续海上风电场导管架过渡段设计提供一定借鉴意义。 1计算模型及结果 目前海上风电领域导管架基础主要采用两种过渡段型式，一种为平箱梁式过 渡段，一种为斜箱梁式过渡段。本文以四桩导管架基础为例，针对斜箱梁式过渡 段方案开展设计，斜箱梁式模型主要由主钢管、斜顶板、底板、腹板、支撑管、 过渡段内加强板等6部分组成，如图1.1所示。

图1.1 过渡段模型 1.1有限元模型设置 模型采用的单元类型为四节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元 （S4R单元），钢材弹性模量为2.1× 1011 Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg /m3。风机荷载通过参考点施加至主钢管顶部位置，并全约束支撑管底部。网格大小为300mm×300mm，网格总数量为16435个。为使计算结果更为精确，通过3步加载荷载，分别是重力荷载加载、风机荷载的竖向力加载、风机荷载的扭矩、弯矩和竖向力加载，风机极限和疲劳荷载见下表1.1 表1.1 风机荷载表 1.2计算结果

风电机组能效分析及优化研究

风电机组能效分析及优化研究 摘要：在我国经济在快速发展的新时期，电力行业发展十分迅速，为了应对 全球气候变暖问题，风电作为清洁高效的可再生能源，受到世界各国的高度重视 并得到大力发展。但目前风电机组能效偏低问题已成为风电场特别是老旧机组运 行过程中普遍存在的问题，严重影响风电场发电经济效益。因此该文章从偏航控制、变桨控制等方面分析研究风电机组能效，查找存在的问题，并提出优化建议。 关键词：风电机组；能效分析；优化研究 引言 近年来，随着风电机组装机量的日益增加，风电在中国发电总量中的占比越 来越大。同时对于安装在海上或风力资源丰富但地处偏远的风电机组，对其进行 维护需耗费大量的人力物力。这要求风力机应具有充足的可靠性，以减少所需投 入的维护成本进而在制定更合理的维修策略以及降低风力机停机时间等方面提供 帮助。因此，搭建精确的风电机组仿真模型已成为风力发电系统进行智能状态监 测与评估的重要基础。 1现场安装流程 风电机组由塔筒、机舱、叶片、轮毂和发电机等大部件组成。对于双馈型或 中速永磁风电机组，发电机位于机舱内部。对于直驱型风电机组，发电机位于风 轮和机舱之间。本文以陆上某双馈型风电机组的四段塔筒和风轮整体吊装方案为例，简述风电机组现场安装流程和技术要点。陆上机型的电气柜通常包含塔基柜 和变流器柜。海上机型的电气柜除上述柜体外，还包含了变压器、电池柜、航标 灯柜、ＰＴ柜、环网柜和ＵＰＳ柜等。 2风电机组能效分析及优化研究 2.1物联网技术在运维管理中的应用

为有效提升风电机组运维的工作水平，可合理运用物联网技术，打造全新的 风电机组运维管理模式。如物联网系统的服务端进行建设时，应当突出设备管理 与任务管理。在设备管理工作开展时，应当由运维人员进行完成，实现对相关设 备的基本信息管理，保证运维管理工作开展的有效性与可行性。在其任务管理时，则需要契合风电机组运行的具体情况，进而科学合理地调整运维检修工作任务， 组织专业的运维检修小组，对机组设备进行运维检修。在物联网系统客户端进行 设计时，应当突出检修人员的工作需求，使得运维检修人员，能够在手持终端设 备的支持下，快速扫描条码获取运维检修的工作任务与内容，并及时对检修的工 作记录进行上传，便于后台运行人员进行监控管理。基于物联网技术的支持，现 场运维检修工作开展时，可根据检修的工作特点，灵活调整检修工作小组，如部 分操作难度大、风险较高的作业项目，则需要增加检修人员，在检修人员的协同 配合下，有效提升运维检修的工作整体水平。 2.2双PI及智能算法优化 目前风机采用的控制方法是查表法，由主控程序中给定的静态转速-转矩表 进行控制。查表法较容易实现，但控制响应慢，控制精度较低。在风频变化较大时，容易产生偏差，并引起风机的振动。双PI控制：在并网转速和额定转速附 近采用PI控制，并网转速和额定转速之间采用跟踪最佳尖速比控制的控制策略，能够实现风能的转换效率最大化，使风电机组能够最大程度地吸收风能，从而优 化风机的功率曲线和提升风机的发电量。采用双PI控制方法后，主控PLC软件 功率控制功能块采用了转矩控制和变桨控制相耦合的方式。在风速远小于额定风 速以下时，通过转矩控制以维持最佳叶尖速比，以追求最大风能利用系数；在额 定风速以上拐点处，如果风速波动很大，就要通过适当的变桨来实现平滑的过渡。在额定风速以上阶段，变速和变桨控制器也是同时发挥作用，通过变速即控制发 电机的转矩，使其恒定，从而恒定功率。通过变桨来调整发电机的转速，使得其 始终跟踪转速设置点。实际上，变速变桨通过简单的PI控制器就可以实现，但 是额定风速以上风机系统模型的强烈非线性使得控制器参数选择比较困难，需要 特别设计。变速、变桨2个控制器是同时运行的，为了使其耦合在一起，当在远 远超过额定风速或以下时使其中一个或另一个控制环饱和。

电浅谈风电项目优化设计、降本增效的若干措施

电浅谈风电项目优化设计、降本增效的若干措施 当前，风电项目在我国蓬勃发展，风电项目的经济效益直接影响着国家经济的健康持续发展。要建成一座建设成本低，经营效益高的风电项目，就必须做好设计优化工作。优化设计、降 本增效是一项复杂的系统工程，直接或间接地影响到设计、采购、建筑安装、生产运营等方面。为能高效实现设计优化目标，形成统一的优化设计体系，推动优化设计全面化、标准化、程序化，实现项目全寿命周期效益最大化，本文主要对风电项目优化设计、降本增效的若干 举措进行简要分析，以供相关从业人员参考。 2、优化设计、降本增效措施 优化设计应遵循技术先进、经济合理、安全可靠、节约资源、保护环境，全寿命周期效益最 大化的基本原则；优化设计应结合工程建设实际，明确优化设计目标和切实可行的实施细则，主要技术经济指标争取达到国内先进水平。重点保证设备选型、系统布置的先进性，突出厂 用电率、风功率曲线考核值等影响项目效益的技术经济指标。积极采用成熟的新技术、新设备、新材料、新工艺，结合项目具体情况努力创新，积极探索风电工程中大功率风机、长桨 叶风机、智能化风机控制策略、非晶合金变压器、铝合金电力电缆等方面的适用性，真正做 到科学降低工程造价，提升综合效益。 2.1前期阶段 项目在获得测风许可后，应设立测风塔。定期现场采集数据并记录现场情况，及时对收集的 数据进行分析，发现数据缺漏和失真时应立即进行设备检修或更换。测量数据作为原始资料 正本保存。在测风时间满一年后，或采用插补延长的方法获得一个完整年度周期的测风数据 之后，组织进行风电场风能资源评估，科学评价该风电场的风资源开发条件。 可行性研究编制单位应该根据风电机组的发电效益、技术成熟度及价格，并结合风电场的风 资源情况、风电机组的安装、运输条件，确定单机容量范围，拟定若干不同的单机容量方案。然后，根据选定的单机容量范围选择若干机型，比较特性参数、结构特点、塔架型式、功率 曲线和控制方式等，根据充分利用风电场土地和减小风电机组间相互影响的原则，对各机型 方案进行不断优化，计算标准状态下的理论年发电量，初步估算风电机组及其有关配套费用。通过技术经济比较初步选定推荐机型。 2.2设计阶段 风电项目开工前，应及时编制优化设计报告。优化设计的主要内容包括：设计原则、主设备 选型论证、风机微观选址、电气系统、集电线路、场内道路、土建工程、五新技术应用、施 工组织设计、工程征占地、工程造价估算等。风机设备招标前必须完成主设备选型论证，优 化设计报告编制及审查、备案工作必须在项目开工报告审查前完成，没有完成设计优化审查 工作的风电项目不得开展主要设备和工程招标。 设备选型设计优化，对于风电机组，需结合风能资源、地形地貌、风机载荷强度、交通运输 和安装条件等情况，对主流机型从不同单机容量、不同轮毂高度、不同叶片长度等方面进行 上网电量比较和技术经济比选，要全面分析同一风资源状况下不同风机厂家各种机型的风能 捕获率，选择单位电能静态投资最低、技术经济性最佳的机型，并优先选用国产机组。机组 箱式变压器除沿海、防火等有特殊要求的地区可采用干式变外，一般选择油变。除开关柜关 键元件可采用合资品牌外，其他元件均应采用国产。无功补偿设备应选择动态调节响应时间 不大于30毫秒、动态部分能够自动调节、电抗器和电容器支路在紧急情况下能快速正确投 切的设备。 风机机位设计优化，应优先选择风能资源优良、便于运输、吊装的地点。在风资源可成片利 用的区域，可以重点考虑行列矩阵式机组排布方案，行应垂直主风能方向，机组间距参考值

欧洲标准下有限元分析在风机基础配筋中的应用

欧洲标准下有限元分析在风机基础配筋中的应用 摘要：随着环境污染问题的日益突出，全球都在大力倡导开发新能源，风能具 有可再生、无污染、占地少、基建周期短等优点，在世界各国被广泛的应用和发展。本文通过有限元手段对风机基础进行内力分析，并按欧洲标准进行配筋，较 好的满足了国外的相关标准要求。 关键词：欧标；风机；基础配筋；应用 序言 某风电工程地处阿根廷中部省份丘布特省，工程安装16台3200kW风机，装 机容量51.2MW。风力发电机安装在由五段钢制塔筒组成的塔架顶部，轮毂高度 为100m。转子直径为140.4m，转速在6~12r/min之间。 工程的建设单位及设计单位均为中资企业，按照合同要求，国外监理工程师 要求所有的计算需满足欧洲标准要求，为此，本文通过利用国际通用商业有限元 计算软件ADINA对风机基础进行了有限元结构内力计算，并按照欧洲标准进行配筋。 1 主要计算资料 1.1 风机基础结构 风机基础采用圆形钢筋混凝土重力式扩展基础，基础一次浇注成型。基础底 板直径20.8m，翼缘高度0.8m，基础埋深3.1m。基底铺150mm厚素混凝土垫层，垫层上浇筑主体基础钢筋混凝土。 1.2 基础类型和土壤特性 风电场分布地层为更新世（Qp），该地层可分为三个小层：①粉土质砂、粉土质砾石，厚度6m~13m，呈中密~密实状。②粉细砂，厚度7~10m，分布于第 ①层之下，呈中密~密实状。③粉质黏土、粘土等。厚度10~14m，分布于第① 层土之下，以硬塑状为主，少量呈坚硬状。 1.3 钢筋混凝土材料特性 混凝土材料特性。按CIRSOC 201-2005，基础主体混凝土强度等级为H35，垫 层混凝土强度等级为H15。其主要物理力学性能如下：fcd：混凝土抗压强度，主 体混凝土35MPa，垫层混凝土15MPa；Ec：弹性模量，3.2MPa；容重： 24.5kN/m3；泊松比：0.20。 钢筋材料特性。波纹钢等级为ADN420，物理力学性能如下：弹性极限fy，420N/mm2（4200Kg/cm2）；抗剪强度，500 N/mm2（5000Kg/cm2）；弹性模量，Es=210，000N/mm2；泊松比：0.30。 2 内力有限元计算 2.1 有限元模型及荷载施加 采用ADINA软件对风机基础结构进行有限单元法计算分析。计算模型中考虑 了风机基础、混凝土垫层、风机塔筒、上锚板、法兰及回填土。模型采用8节点 六面体单元，单元数为67984个，模型如图1所示。 模型计算范围：地基土X向及Y向宽度取90m，Z向深度取28m。其中X向 为主受力方向。 模型边界约束：模型底部采用全约束，模型四周侧面采用法向约束。 外荷载主要包括：Fr水平向力，为Fx与Fy的水平合力；Fz为竖向力，Mr竖 直向弯矩，为Mx与My的合弯矩。荷载均由厂家提供。

风电机组塔筒模态的环境脉动实测与数值模拟研究

风电机组塔筒模态的环境脉动实测与数值模拟研究 马人乐;马跃强;刘慧群;陈俊岭 【摘要】Based on the theory of random vibration and system identification, ambient vibration tests of three wind turbine towers in wind-power station of Inner Mongolia Wulanyiligeng were carried out. The method of coupling overall modeling of blade, hub, nacelle and tower was put forward, and the numerical stimulation and tests results showed that the wind turbine towers can effectively avoid resonance, and meet the standard design requirements of Germanischer Lloyd; the vibrational forms of the wind turbine towers mainly are lateral bending vibration, forth-and-back bending vibration and torsional vibration; the translational damping ratio in the first mode is about 1.75％, and the torsional damping ratio in the first mode about 0. 6％. The overall modeling showed excellent consistency with the test results, it could benefit wind-induced dynamic response analysis and vibration control analysis of wind turbine tower systems.%基于随机振动及系统识别理论,对内蒙古京能乌兰伊利更风电场中三座风电机组塔筒进行了环境脉动实测,提出了"桨叶-轮毅-机舱-塔筒"耦合的整体建模的方法,数值模拟与实测结果表明,风电机组塔筒可以有效地避免共振,满足GL规范的设计要求;塔筒主要振动形式为侧向弯曲振动、前后弯曲振动和扭转振动;塔筒一阶平动阻尼比为1.78%左右,一阶扭转阻尼比为0.6%左右.采用整体建模方法建立的模型与实测结果有较好的一致性,可以指导风力发电塔系统的风致动力响应分析和振动控制分析.