风电机组塔筒设计和优化研究

于国亮 夏全洲

摘要：塔筒是风电机组的重要组成部分之一。基于此，本文就风电机组塔筒的设计和优化展开探究，从主要技术问题、受力分析、基本设计原则、经济因素分析了风电机塔筒的基本设计，并依据设计，在系统结构以及系统功能方面给出了优化方案。

关键词：风电机组;塔筒;优化设计

引言：风电机塔筒的优化设计可以提升风电机整体运行的稳定性以及运作效率，提升风电机设施的整体经济性。风电机的塔筒承受着机组的整体自重和风产生的推力、扭矩以及弯矩，是保证风电机整体运行安全的重要方面，因此，对于风电机的塔筒进行优化设计十分必要。

1. 风电机组塔筒设计

1.1主要技术问题

风电机组塔筒的主要技术问题有以下几个方面：（1）结构的外形尺寸限制方面;（2）动力学，即塔筒自身的频率方面;（3）最大化载荷作用下的抗压性方面;（4）交变载荷作用下塔筒的疲劳寿命方面;（5）横向与轴向作用力下的屈曲稳定性方面;（6）法兰螺旋连接强度方面;（7）人机工程的内件设计方面。

1.2受力分析

塔筒的受力通常有：（1）横向的推力，主要来自风作用在叶轮以及机舱上而产生的水平合力以及风对塔筒的推力;（2）纵向力，主要来自于叶轮以及机舱对于塔筒的重力;（3）扭矩，也称弯矩，这与塔筒以及轮毂的中心高度有关。

1.3基本设计原则

1.3.1外形尺寸

首先是高度，这是塔筒整机以及设计的基础性参数，一般要依据风轮直径的0.8到1.2倍来进行初定，依据实际情况进行考量，高度的计算公式一般为：

H=h+C+D/2

D为风轮的直径;C为风轮直径的最低点到障碍物的高度;h为风电机附近环境高度。在实际选址时一般可以将风电机置于海上、草原或者滩涂，以减少周围的障碍物。此外，依据运输的限高，塔底的直径要尽可能大[1]。

1.3.2强度计算

要保证塔筒静荷载的最大应力小于结构的限用应力，并对其进行必要的疲劳分析。塔筒强度一般与材料性能以及各截面的直径有关，通常选择Q345C/D/E低合金高强度结构钢。采用插值法渐变计算中间壁厚。依据中国船级规范的有关规定选取安全系数来计算其静载荷应力安全系数以及疲劳载荷安全系数，并按照高耸钢结构等实际情况进行适度的数值调节。

1.3.3模态分析

在设计风电机组以及塔筒的过程中，要依靠空气动力学，对于塔筒的固有频率以及相应振型进行分析，一般要保证塔筒的固有频率与激振频率间具有大于等于10%的频率间隔，以避免出现共振，从而使设计符合规范性要求。塔筒固有频率的主要影响因素一般由截面直径、塔筒高度、风电机组的自重以及材料性能等方面决定。

1.3.4屈曲稳定性分析

为对塔筒的临界荷载、失稳模态等方面进行必要的控制，降低结构失稳情况的出现，要对于风电机组的稳定性进行研究。在研究时要依据塔筒失稳的因素展开，通常适用于塔筒本身这一薄壁圆筒结构在承受风力推动塔顶产生的推力时，会由于轴向压力对各截面产生的弯矩，而形成一定的受力，当超出极限时，就会形成塔筒损坏的情况。

1.3.5螺旋连接强度

塔筒的各段是利用高强度的螺旋技术进行串联的，高强度的螺旋会在复杂且强力的受力条件下，产生松动，进而使高强度的螺旋失去紧固效能，对于风电机组的整体安全性造成一定的影响。为此，在进行塔筒的设计时，要对于用于连接的螺旋结构进行精细的计算。例如：在计算时可以利用有限元方法对其进行计算。

1.4塔筒设计的经济因素

1.4.1高度对整体成本的影响

作为风电机组的重要组成部分，塔筒要占据风电机组整体成本的15%到20%左右，因此为实现整体成本的把控，要在塔筒的成本投入方面进行必要的考量。并且在高度增加的条件下，塔筒的载荷近似线性增加，刚度以及频率会随之下降，为保证塔筒抗性，相应的壁厚以及直径会随之增加，因此要依据成本方面的实际情况进行塔筒高度的设计。

1.4.2其他影响因素

塔筒每段存在的相应的运输以及构造方面的成本，如山区运输，相应的成本会随之提升。可以采購展开宽度在2米到3米的筒节以降低在运输以及板材投入方面的成本。此外可以在适当提升截面的同时降低塔筒壁厚，以此提升抗弯性以及惯性矩。在连接方法上，反向平衡法兰技术由于质量较小、交工简易、维护工作量小等特点在现阶段被广泛应用。

2. 风电机组塔筒的优化策略

2.1设计系统结构的优化

信息化时代为风电机塔筒的优化提供了高效的解决方式，可以分层级的对于塔筒实现优化设计。

2.1.1系统用户界面层

系统的用户界面层是风电机组塔架优化设计的一部分，是整个风电机组与用户进行沟通的窗口性阶层，塔筒可以按照实际的运行情况以数据的形式传递给操作人员，操作人员可以根据收集到的信息进行分析整理，以此使操作人员发现问题，解决问题，通过信息化优势，保证系统整体的安全平稳运行。

2.1.2系统应用服务层

这一层级是实现操作人员对于塔筒的整体运行情况进行把控的关键方面，在塔筒的设计方面，可以据此为塔筒的设计提供更高效的数据支撑，以此形成对于塔筒优化设计的目的。这一功能是借助Pro/Toolkit API对于Pro/E5.0软件系统进行交互集成从而实现的[2]。

2.1.3系统数据存储层

数据的存储层是实现塔筒设计以及运行数据进行收集整理的层级，一般可以分为：（1）参数库，包括塔筒设计参数、风电机组技术参数、塔架材料参数、零部件几何参数、优化参数等;（2）规则库，以固定的格式存储，是一种对于塔筒的设计与运行，利用规则进行约束的系统;（3）实例库，包括风电机组塔筒的配置以及零部件信息;（4）模板库，以模板的形式对于塔筒的基本框架设计进行存储，以此提升塔筒的整体优化设计效率。

2.2设计系统功能的优化

2.2.1结构配置模块

借助结构配置模板，设计人员可以对整体的塔筒设计进行初步设定，在满足相应要求的基础上，以此为前提再进行相应零部件的选择，形成固定的结构模板以及设计标准。此外，还要保证依据实际情况对于设计进行适当的调整，并对调整数据进行再次的存储。

2.2.2分析优化模块

这一模板可以实现对于塔筒整天设计进行优化分析，并将分析的结果以方案的形式提出，以此进行可行性的判断。在实际操作中，设计人员间结构模板中相应的数据进行提取，并借助分析软件建立有限元分析模型，对于静态强度以及拟态方面的计算，从而形成优化方案。

2.2.3参数化设计模块

参数设计模块可以对整体设计中相应的设计参数以及分析以及零件建模，并与对整体的参数以及结构数据进行分析。在此基础上，运用Pro/E二次开发接口将所得参数层输送到参数化程序中，以此对于整体结构以及部件形成计算分析以及参数化，为科学的设计与构造提供参考依据。

2.2.4设计输出模块

设计输出模块在整体设计中，起到将确定整体设计塔架的结构转化成二维工程图进行输出的作用，在输出时，一般还会附带总体的结构图以及部分的零件图，以及相关部分的尺寸以及材料说明方面，从而在塔架设计的优化方面实现技术性的提升与支撑。

结论：综上所述，为实现风电机的高效、稳定运行，需要提升塔筒设计的科学性，并对其进行合理的优化。在设计与优化的过程中需要较高的技术能力以及设计能力，设计人员要深入研究，进一步掌握专业知识，在提升自身技术水平与专业优势的同时，实现风电机的安全运行，与应有效能的有效发挥。

参考文献：

[1]张国伟，李钢强，赵登利，焦守雷，陈江平，王子月.基于频率控制的风电机组双曲线型塔筒优化分析[J].风能，2020（04）：60-67.

[2]韩丹.大型风电机组塔筒新型法兰系统结构设计方法[D].华北电力大学（北京），2019.