风力机塔筒结构仿生设计及动态特性研究
摘 要
作为一种丰富洁净可再生能源的风电产业正在迅猛发展。塔筒是风电机组支撑的关键部件，对于具有高耸化薄壁结构的塔筒在随机变向变载荷风力作用以及强阵风的瞬时冲击下工作以外，同时其顶端还有大质量、大刚度的旋转风轮与机舱。塔筒一旦损坏，对整台风力机的安全和寿命造成严重威胁，故塔筒承载能力及其结构稳定性面临挑战。本研究在国家自然科学基金项目“西北典型风资源环境下变刚度风电机组叶片结构性能退化机理研究(No.51965034)”资助下，以风力机塔筒为研究对象，利用有限元数值法对塔筒开展静态及动态特性研究，针对静态特性响应研究中塔筒结构表现出刚度不足的问题，考虑到塔筒和竹子具备较高相似度，将竹节分布规律应用至塔筒结构仿生设计中，得到仿生塔筒结构。采用静态特性响应研究、模态分析及屈曲稳定性研究验证仿生塔筒结构合理性。在此基础上，将正常发电、启动、紧急停机工况下时变载荷作为外部激励对原塔筒和仿生塔筒开展动态特性研究，以此表明仿生塔筒在时变载荷环境中稳定性优于原塔筒，且其结构更安全。主要研究内容如下：
(1) 塔筒结构静态及动态特性研究。根据塔筒结构参数建立其有限元模型，依据GB/T 18451.1-2022 风力发电机组 设计要求选取极端湍流工况(DLC1.3)、极端风切变工况(DLC1.5)、极端阵风工况(DLC3.2)、极端风速工况(DLC6.1)四种极端工况载荷。通过有限元平台，对塔筒进行极端工况静态特性研究，结果表明极端湍流工况、极端风切变工况、极端阵风工况下、极端风速工况下塔筒均满足刚度和强度许用规范。极端风速工况下塔筒的最大位移为755.85mm，占其总高度0.96%，接近GB50135-2019 高耸结构设计标准要求的1.0%刚度许用规范，该工况下塔筒结构刚度不足，对风电机组稳定运行造成威胁。通过塔筒模态分析知，其第一阶固有频率数值上高出风轮转速频率区间上限11.4%，其第二阶固有频率数值上低于叶片通过频率区间下限19.72%，满足设计规范，故塔筒和风电机组不发生共振。同时塔筒在四种极端工况下屈曲安全系数均小于1，其屈曲稳定性符合设计要求。
(2) 基于竹节分布特征的塔筒结构仿生设计研究。以自然界中竹子作为生物原型对塔筒开展结构仿生设计，应用层次分析法对塔筒和竹子在结构、载荷、约束和功能四个方面进行相似度定量研究，并计算塔筒和竹子相似度为0.716，接近于1，表明塔筒和竹子存在较高相似度，故以竹子作为塔筒结构仿生生物原型。利用等强度悬臂梁理论计算仿生塔筒法兰数量为6(包含顶部法兰)，参照竹子竹节分布规律，确定仿生塔筒法兰间距，利用法兰间距裁定仿生塔筒每段锥形钢筒高度，4段式3法兰结构特征的原塔筒通过结构仿生设计可得到6段式5法兰结构特征的仿生塔筒。为验证仿生塔筒结构合理性，对仿生塔筒开展静态、动态特性研究。结果表明，极端风速工况下仿生塔筒最大应力、最大位移较原塔筒分别减少6.87%、10%，仿生塔筒结构强度和刚度优于原塔筒。同时仿生塔筒与原塔筒振型相同，其第一阶、第二阶固有频率数值上分别大于原塔筒1.90%、2.01%，且远离其共振带。此外，仿生塔筒屈曲稳定性优于原塔筒，其结构更加安全。
(3) 时变载荷下原塔筒及仿生塔筒动态特性研究。为得到正常发电、启动、紧急停机三种典型工况的时变载荷，采用改进VonKarman风模型，根据安全等级ⅢA风力机要求，利用塔筒载荷计算环境实现三种载荷设计工况。应用塔筒载荷计算理论，得到正常发电、启动、紧急关机工况下时变载荷力、载荷力矩。将时变载荷分别加载至原塔筒和仿生塔筒。结果表明，强度方面：原塔筒及仿生塔筒在时变载荷环境下均满足强度许用条件，且仿生塔筒的强度优于原塔筒。刚度方面：正常发电、启动工况下原塔筒及仿生塔筒均满足刚度许用条件，且仿生塔筒刚度优于原塔筒。紧急停机工况下原塔筒最大位移时变响应曲线的最高峰值为836.33mm，占其总高度1.06%，超过GB 50135-2019 高耸结构设计标准要求的1.0%刚度许用规范，原塔筒在该工况存在安全隐患，紧急停机工况下仿生塔筒最大位移时变响应曲线的最高峰值为729.82mm，占其总高度的0.92%，符合刚度许用条件，表明仿生塔筒结构更稳定。
关键词：风力机塔筒；结构仿生设计；时变载荷；动态特性响应
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