3MW风电机组塔架建模及装配

背景及意义

当今世界，”能源紧缺、气候变暖、环境污染”已成为全球所面临的共同问题。传统的以煤、石油等为主的石化能源正面临着开采难度大、利用率低、污染大以及开发利用不可持续性等一系列重大问题，因此，新能源的开发和利用正被世界各国所广泛关注。随着风力发电在我国的大力发展，风力发电机组的设计和开发取得了非常丰硕的成果。目前我国已基本上掌握了兆瓦级以下的风力发电技术，兆瓦级以上等大型风力发电机组还处于研发阶段。随着风力机组的大型化，其关键零部件的设计要求越来越高。塔架是风力发电机组的重要支撑部件，其结构的静动态特性、疲劳损伤以及其螺栓法兰连接强度对风力发电机组的工作寿命影响很大。为了保证风力发电机组安全、平稳和可靠的运行，设计出结构合理和性能稳定的塔架意义重大。

国内外研究现状

塔架是风力发电机组的主要承重部件，它的作用主要是将风力机叶轮举到一定的高度，一方面保证叶轮获取足够的风能，提高风力发电效率；另一方面还得使其自身不会因机舱重量和风力的作用而发生倾覆。

现在的大型风力机的塔架一般用钢材构造,也有用混凝土制造的。而且绝大多数的塔架是管式塔架,然而也有桁架式塔架。此外对于小型风力机也有拉索式塔架.目前塔架通常通过螺栓连接法兰,或者焊接法兰与塔架基础相连。塔架一般为3-4段短锥形筒通过法兰螺栓连接而成，其高度随风力机组容量的增大而变长，大型风力发电机塔架的重量占整个机组的50%，塔架越高所承受的顶部机舱和风轮的重量也越大，对其结构的力学特性和材料性能提出了更高的要求。因此，塔架结构设计的好坏直接关系到整个机组能否安全、高效、稳定的运行^[7]。

另外由于在风力机设备中塔架是一个低技术含量的部件,它的设计易于优化,因此在设计过程中,可以让它根据目标尽可能地减少造价。这是非常有用的有用的,因为塔架的成本在整个风机成本中占了极大的比例。

目前国内对于MW级风力发电机塔架的研究、设计已经有很大的成就。其中常见的包括：（1）塔架结构有限元分析：主要由静力学分析、动力学分析、稳定性分析、疲劳寿命分析等几部分组成。为保证风力机的塔架具有良好的刚度和总体质量要轻,并且运输要方便的要求,现代大型风力机组通常采用锥筒式塔架。这种形式的塔架一般由若干段长度不等的锥筒用法兰联结而成,塔架由底向上直接逐渐变小,整体呈圆台形。这种变截面和变厚度的结构使得各段的惯性矩、线质量和抗弯刚度等参数都不一样。因此塔架的有限元建模很复杂。而对塔筒进行三维建模一般是在进行有限元分析前必须完成的。并且实体建模应尽可能地反映机构的实际形状、并能做出合理的简化，以建立符合结构真实力学性质的有限元模型。（2）地形选择、复杂地形地质特点桩型分析、塔筒基础型式优化以及塔架基础施工要点。由于风机塔架作为高耸建筑物，其基础的设计有别于其它常规建、构筑物，其受力特点也有别与其它高耸构筑物。并且不同地区地质条件不一样与之相对应塔筒形式的确定及地基基础的处理方法也不一样，了解这些对塔架的设计也有着重要作用。目前国内已对关于这方面有了较为深入研究。（3）风力发电机塔架将机舱与地面连接，要承受整个机组的重力和风轮产生的各种载荷。风力发电机组在工作时，作用于整个叶轮和机舱的载荷传递到塔架上，这包括叶轮在各种载荷情况下所受的气动载荷，如升力、阻力、轴向推力、气动弯矩和气动转矩等；另外还有机组偏航时产生的偏航力矩以及叶轮和机舱自身的重力等载荷。所以风电机组主要部件：叶片、轮毂、主轴、机舱底座、轴联轴器、增速器、发电机、变桨距机构等设计的基础理论对于塔架设计者来说也是有必要了解的。

要对3MW风机塔架进行三维建模及装配就需要对常见的数字建模软件有一定的了解及使用能力。我选用的是PTC公司的Pro/E软件。

Pro/E发展了三维线框设计的思想，首先建立基准面，在基准而上勾画二维草图，用扫成方法将二维轮廓线引伸成三维形体。依次更换作图平而，尽量用显式操作生成形体，避免面面搜索求交、裁剪的集合运算。随时记录每个特征形素的生成操作过程，当修改某些标注尺寸值后，用尺寸驱动方法修改相应二维轮廓线，重新运行零件设计过程的全部操作命令，由此实现了参数化特征建模。