海上风力发电机大尺寸高塔筒结构形式设计与研究
摘 要
随着人类对风能资源利用的重视和风力发电技术的不断发展，关于风力发电机的研究正在朝着大尺寸和高能级的方向发展，相对于陆地而言，海上的风能资源更加丰富，所以近年来风电行业也由传统的陆上风电（onshore）逐步向海上风电（offshore）转型。由于风速和海拔高度有关，所以在一些高空风力资源较为丰富的风场中，风机高度的增加会导致机舱及塔筒所承受的风载变大，这就对风机的主要承载部件——塔筒的强度提出了更高的要求，因此对于如何提高风力发电机高塔筒的安全可靠性逐渐成为了热门的研究问题。
本文主要通过对某兆瓦级风力发电机在应用中出现的塔筒强度不足以及涡激振动过大的问题进行分析，提出了在塔筒表面增设梯形扰流加强筋的新型塔筒结构形式，主要采用有限元法研究加筋板材上六个重要的梯形筋尺寸参数（基板厚度L1、筋高L2、筋宽L3、筋间距L4、筋角度θ和圆角α）对加筋塔筒的静强度以及涡激振动频率的影响规律，并与等质量的普通塔筒（无加强筋）进行对比，分别基于增加塔筒强度和减小涡激振动频率两种不同的目标函数提出满足要求的最优化筋形。研究发现，在相同的边界条件约束下，相较于无筋板材，加筋板材基板最大应力σR下降了67.69%，变形量KR下降了23.09%。通过分析所有梯形筋尺寸对于加筋板材的强度影响规律，得到能够有效提高板材强度并使质量保持不变的梯形筋最优筋形尺寸，应用有限元法在真实尺寸的塔筒模型中进一步研究具有最优化筋形的加强筋对塔筒强度的影响，结果表明在相同质量、边界条件和载荷条件下，加筋塔筒的强度和无筋塔筒相比增加了5.4%，变形减小了8%，这说明应用加强筋能够有效提高塔筒的强度。
涡激振动是可能导致风机塔筒失效的主要原因之一，其产生机理以及控制方法等问题具有非常重要的研究意义。本文应用流固耦合分析方法对加筋塔筒和无筋塔筒进行对比研究，并提出了一种能够精确计算塔筒涡激振动的仿真算法。通过研究发现，梯形筋的筋角度θ和塔筒圆柱表面的筋数（即筋间距L4）对涡激振动频率的影响最明显，当筋角度θ=61°时涡激振动的频率最低，相较于无筋塔筒下降了 34.3%。应用有限元法分析了塔筒加筋前后风机的固有频率，发现塔筒加筋后风机的固有频率变化不大，但塔筒加筋后涡激振动频率下降明显，更加远离了风机的固有频率，大大降低了涡激共振的风险。综合以上研究结论可知，在风机塔筒外表面增设梯形扰流加强筋能够有效的抑制涡激振动的产生，相关结论通过小型风洞实验得到了良好的验证。
关键词：塔筒强度；梯形扰流加强筋；关键筋型尺寸；涡激振动；风洞实验
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