基于有限元分析的大型风力发电机塔筒结构优化设计
摘 要
经济迅速发展的同时，全球能源需求紧迫，新能源领域中风力发电技术迅速发展，由原来的小型风力发电机组发展为现有的兆瓦级大型风力发电机组，风电设备也逐步大型化，造成风电设备的制造、运输、安装等许多现实问题。其中，塔筒是风力发电机的主要承重结构，为风力发电机提供所需的设计高度，发电机功率的增加使得机舱与叶片总重量增加，设计高度增加，最终塔筒的筒径、高度和重量有很大增加，这样带来了塔筒制造、运输及安装工艺和成本问题。
为解决以上问题，以内蒙古达尔罕茂明安旗巴音风电场的2MW大型水平轴风力发电机锥形塔筒作为研究对象，应用大型有限元分析软件ABAQUS对风机塔筒进行强度分析和模态分析，分析结果得到，塔筒的底段门洞附近应力值最大部位，通过增大塔筒底段直径和筒壁厚度可以增大塔筒强度。提出风机塔筒模块化结构，其特征在于，塔筒采用分段分瓣式结构形式，各瓣塔筒采用连接板连接，各段塔筒采用反向平衡法兰连接，全部由高强度螺栓紧固。针对塔筒的危险部位，建立塔筒模块化结构的子模型进行有限元分析，验证子模型结构强度是否符合设计标准，仍保持原有塔筒结构的力学特性。对塔筒模块化结构进行优化设计，确定模块化塔筒的重要参数值。设计完成后，根据该塔筒设计模块数量，在塔筒的制造、运输和安装等方面进行经济效益分析。
完成以上工作后，得出结论：塔筒模块化结构符合设计要求，结构合理；从力学角度上，模块化塔筒结构在危险工况切出风速下，连接螺栓最大应力为521MPa，小于螺栓许用应力720MPa，塔筒的最大应力约260MPa，小于材料需用应力345MPa，符合强度设计要求，其结构变形量也在设计范围内；从经济学角度上，由于模块化结构塔筒其中较大一瓣模块化结构的高度16.8m,长度3.52m,宽度1.02m，空间尺寸减小，且横截面为弧形，在运输和安装方面降低了对运输车辆和吊装车辆的要求，在制造方面，初期需要设备成本投入，但在生产工艺成熟后，成本逐渐下降。所以，模块化塔筒结构设计合理，为大功率风力发电机塔筒的制造、运输、安装优化工艺降低成本，可以进入实际生产。
关键词：风机塔筒；模块化；结构优化；经济效益
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