風電機組塔筒設計和優化研究

于國亮 夏全洲

摘要：塔筒是風電機組的重要組成部分之一。基于此，本文就風電機組塔筒的設計和優化展開探究，從主要技術問題、受力分析、基本設計原則、經濟因素分析了風電機塔筒的基本設計，并依據設計，在系統結構以及系統功能方面給出了優化方案。

關鍵詞：風電機組;塔筒;優化設計

引言：風電機塔筒的優化設計可以提升風電機整體運行的穩定性以及運作效率，提升風電機設施的整體經濟性。風電機的塔筒承受著機組的整體自重和風產生的推力、扭矩以及彎矩，是保證風電機整體運行安全的重要方面，因此，對于風電機的塔筒進行優化設計十分必要。

1. 風電機組塔筒設計

1.1主要技術問題

風電機組塔筒的主要技術問題有以下幾個方面：（1）結構的外形尺寸限制方面;（2）動力學，即塔筒自身的頻率方面;（3）最大化載荷作用下的抗壓性方面;（4）交變載荷作用下塔筒的疲勞壽命方面;（5）橫向與軸向作用力下的屈曲穩定性方面;（6）法蘭螺旋連接強度方面;（7）人機工程的內件設計方面。

1.2受力分析

塔筒的受力通常有：（1）橫向的推力，主要來自風作用在葉輪以及機艙上而產生的水平合力以及風對塔筒的推力;（2）縱向力，主要來自于葉輪以及機艙對于塔筒的重力;（3）扭矩，也稱彎矩，這與塔筒以及輪轂的中心高度有關。

1.3基本設計原則

1.3.1外形尺寸

首先是高度，這是塔筒整機以及設計的基礎性參數，一般要依據風輪直徑的0.8到1.2倍來進行初定，依據實際情況進行考量，高度的計算公式一般為：

H=h+C+D/2

D為風輪的直徑;C為風輪直徑的最低點到障礙物的高度;h為風電機附近環境高度。在實際選址時一般可以將風電機置于海上、草原或者灘涂，以減少周圍的障礙物。此外，依據運輸的限高，塔底的直徑要盡可能大[1]。

1.3.2強度計算

要保證塔筒靜荷載的最大應力小于結構的限用應力，并對其進行必要的疲勞分析。塔筒強度一般與材料性能以及各截面的直徑有關，通常選擇Q345C/D/E低合金高強度結構鋼。采用插值法漸變計算中間壁厚。依據中國船級規范的有關規定選取安全系數來計算其靜載荷應力安全系數以及疲勞載荷安全系數，并按照高聳鋼結構等實際情況進行適度的數值調節。

1.3.3模態分析

在設計風電機組以及塔筒的過程中，要依靠空氣動力學，對于塔筒的固有頻率以及相應振型進行分析，一般要保證塔筒的固有頻率與激振頻率間具有大于等于10%的頻率間隔，以避免出現共振，從而使設計符合規范性要求。塔筒固有頻率的主要影響因素一般由截面直徑、塔筒高度、風電機組的自重以及材料性能等方面決定。

1.3.4屈曲穩定性分析

為對塔筒的臨界荷載、失穩模態等方面進行必要的控制，降低結構失穩情況的出現，要對于風電機組的穩定性進行研究。在研究時要依據塔筒失穩的因素展開，通常適用于塔筒本身這一薄壁圓筒結構在承受風力推動塔頂產生的推力時，會由于軸向壓力對各截面產生的彎矩，而形成一定的受力，當超出極限時，就會形成塔筒損壞的情況。

1.3.5螺旋連接強度

塔筒的各段是利用高強度的螺旋技術進行串聯的，高強度的螺旋會在復雜且強力的受力條件下，產生松動，進而使高強度的螺旋失去緊固效能，對于風電機組的整體安全性造成一定的影響。為此，在進行塔筒的設計時，要對于用于連接的螺旋結構進行精細的計算。例如：在計算時可以利用有限元方法對其進行計算。

1.4塔筒設計的經濟因素

1.4.1高度對整體成本的影響

作為風電機組的重要組成部分，塔筒要占據風電機組整體成本的15%到20%左右，因此為實現整體成本的把控，要在塔筒的成本投入方面進行必要的考量。并且在高度增加的條件下，塔筒的載荷近似線性增加，剛度以及頻率會隨之下降，為保證塔筒抗性，相應的壁厚以及直徑會隨之增加，因此要依據成本方面的實際情況進行塔筒高度的設計。

1.4.2其他影響因素

塔筒每段存在的相應的運輸以及構造方面的成本，如山區運輸，相應的成本會隨之提升。可以采購展開寬度在2米到3米的筒節以降低在運輸以及板材投入方面的成本。此外可以在適當提升截面的同時降低塔筒壁厚，以此提升抗彎性以及慣性矩。在連接方法上，反向平衡法蘭技術由于質量較小、交工簡易、維護工作量小等特點在現階段被廣泛應用。

2. 風電機組塔筒的優化策略

2.1設計系統結構的優化

信息化時代為風電機塔筒的優化提供了高效的解決方式，可以分層級的對于塔筒實現優化設計。

2.1.1系統用戶界面層

系統的用戶界面層是風電機組塔架優化設計的一部分，是整個風電機組與用戶進行溝通的窗口性階層，塔筒可以按照實際的運行情況以數據的形式傳遞給操作人員，操作人員可以根據收集到的信息進行分析整理，以此使操作人員發現問題，解決問題，通過信息化優勢，保證系統整體的安全平穩運行。

2.1.2系統應用服務層

這一層級是實現操作人員對于塔筒的整體運行情況進行把控的關鍵方面，在塔筒的設計方面，可以據此為塔筒的設計提供更高效的數據支撐，以此形成對于塔筒優化設計的目的。這一功能是借助Pro/Toolkit API對于Pro/E5.0軟件系統進行交互集成從而實現的[2]。

2.1.3系統數據存儲層

數據的存儲層是實現塔筒設計以及運行數據進行收集整理的層級，一般可以分為：（1）參數庫，包括塔筒設計參數、風電機組技術參數、塔架材料參數、零部件幾何參數、優化參數等;（2）規則庫，以固定的格式存儲，是一種對于塔筒的設計與運行，利用規則進行約束的系統;（3）實例庫，包括風電機組塔筒的配置以及零部件信息;（4）模板庫，以模板的形式對于塔筒的基本框架設計進行存儲，以此提升塔筒的整體優化設計效率。

2.2設計系統功能的優化

2.2.1結構配置模塊

借助結構配置模板，設計人員可以對整體的塔筒設計進行初步設定，在滿足相應要求的基礎上，以此為前提再進行相應零部件的選擇，形成固定的結構模板以及設計標準。此外，還要保證依據實際情況對于設計進行適當的調整，并對調整數據進行再次的存儲。

2.2.2分析優化模塊

這一模板可以實現對于塔筒整天設計進行優化分析，并將分析的結果以方案的形式提出，以此進行可行性的判斷。在實際操作中，設計人員間結構模板中相應的數據進行提取，并借助分析軟件建立有限元分析模型，對于靜態強度以及擬態方面的計算，從而形成優化方案。

2.2.3參數化設計模塊

參數設計模塊可以對整體設計中相應的設計參數以及分析以及零件建模，并與對整體的參數以及結構數據進行分析。在此基礎上，運用Pro/E二次開發接口將所得參數層輸送到參數化程序中，以此對于整體結構以及部件形成計算分析以及參數化，為科學的設計與構造提供參考依據。

2.2.4設計輸出模塊

設計輸出模塊在整體設計中，起到將確定整體設計塔架的結構轉化成二維工程圖進行輸出的作用，在輸出時，一般還會附帶總體的結構圖以及部分的零件圖，以及相關部分的尺寸以及材料說明方面，從而在塔架設計的優化方面實現技術性的提升與支撐。

結論：綜上所述，為實現風電機的高效、穩定運行，需要提升塔筒設計的科學性，并對其進行合理的優化。在設計與優化的過程中需要較高的技術能力以及設計能力，設計人員要深入研究，進一步掌握專業知識，在提升自身技術水平與專業優勢的同時，實現風電機的安全運行，與應有效能的有效發揮。

參考文獻：

[1]張國偉，李鋼強，趙登利，焦守雷，陳江平，王子月.基于頻率控制的風電機組雙曲線型塔筒優化分析[J].風能，2020（04）：60-67.

[2]韓丹.大型風電機組塔筒新型法蘭系統結構設計方法[D].華北電力大學（北京），2019.