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1.5MW风力发电机塔筒与塔架的对比研究

1.5MW风力发电机塔筒与塔架的对比研究

作者：宋俊杰内蒙古科技大学

学位级别：硕士

本文在控制强度、刚度、经济性等基本参量的基础上，完成对西北地区某风电场的1.5MW风力发电机锥台型塔筒和格构式钢管混凝土三肢柱塔架的初步选型和设计。通过大量的模型计算，确定影响设计的敏感参数和控制指标。针对初步设计方案，... 详细信息

本文在控制强度、刚度、经济性等基本参量的基础上，完成对西北地区某风电场的1.5MW风力发电机锥台型塔筒和格构式钢管混凝土三肢柱塔架的初步选型和设计。通过大量的模型计算，确定影响设计的敏感参数和控制指标。针对初步设计方案，以用钢量为目标函数，在一定约束条件下调整设计参数，优化设计。对两种形式塔架的优化结果从受力性能、经济性、运输、施工等方面进行对比分析。锥台型塔筒设计中，侧移是其最难控制的因素之一，且材料的整体利用率不高。针对此情况，本文提出下部采用圆柱，上部采用圆锥的组合式塔筒，实现了增加材料利用率，减小塔顶位移的目的。格构式钢管混凝土塔架设计中，塔柱强度是影响设计的主要因素，材料利用率相对较高。当塔架宽高比为1/7，腹杆与横杆夹角为45度时，塔架不仅可以满足强度、刚度和稳定性要求，而且用钢量最省。通过塔筒与塔架的对比分析可知，钢管混凝土三肢柱塔架相比锥台型塔筒，整体用钢量降低近50%;加工制作过程中大型机械使用较少;运输工具选用灵活，可以降低运输费用，扩大建造范围。但施工工序较多，施工周期较长。本文的研究成果可为大型风力发电机组承载部件的设计提供科学、合理的依据。

关键词：塔筒格构式塔架风力发电对比

风力发电机组塔筒及桩筏基础的结构共振特性分析

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可再生能源 2015年第4期33卷 540-544页

作者：李早钟锐李大钧木林隆国华能源投资有限公司北京100007 同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092

梁板式桩筏基础是陆上风机常见的基础形式,设置桩基可以增强基础阻抗,从而改善风机结构共振性能。然而,在风机共振频率设计时,常常假定结构底部为刚性固定,忽视了不同基础形式的差异。文章在基础水平-摇摆动力阻抗及风机共振频率研究的... 详细信息

梁板式桩筏基础是陆上风机常见的基础形式,设置桩基可以增强基础阻抗,从而改善风机结构共振性能。然而,在风机共振频率设计时,常常假定结构底部为刚性固定,忽视了不同基础形式的差异。文章在基础水平-摇摆动力阻抗及风机共振频率研究的基础上,以某风电场工程为实例,研究了陆上风机的共振特性及基础影响。研究发现,与无桩基础相比,有桩基础明显地改善了风机结构的共振性能。

关键词：风力发电机组桩筏基础塔筒阻抗共振

风电塔筒爬升装置及叶片与塔筒检测管理系统的开发

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风电塔筒爬升装置及叶片与塔筒检测管理系统的开发

作者：韩强华北电力大学

学位级别：硕士

近年来,我国风电行业迅猛发展,制造以及运行技术已达到国际先进水平,装机数量以及单机容量逐年增加。面对蓬勃发展的风电产业,问题机组日益增多、风机集中出质保期等问题随之而来,大量的风电机组必须进行日常检测与维护,才能确保风电机... 详细信息

近年来,我国风电行业迅猛发展,制造以及运行技术已达到国际先进水平,装机数量以及单机容量逐年增加。面对蓬勃发展的风电产业,问题机组日益增多、风机集中出质保期等问题随之而来,大量的风电机组必须进行日常检测与维护,才能确保风电机组的安全经济运行,否则会适得其反,不但浪费大量风力资源,还将产生巨额经济损失。目前,风电叶片及塔筒的日常检测与维护工作多是利用大型机械吊装平台、人工攀爬等形式,依靠人工操作进行,其效率低、安全性差,严重制约了风电行业的发展。针对这一状况,本文旨在开发一种风电塔筒爬升装置及叶片与塔筒检测管理系统,从而替代大型机械及人工进行检测与维护工作。风电塔筒爬升装置及叶片与塔筒检测管理系统主要由塔筒爬升装置、检测装置、检测数据管理系统三部分组成。本文首先对风电叶片以及塔筒的结构构造、常见缺陷及其形成原因进行了研究分析,并从三个组成部分对整个爬升检测系统结构进行了设计。其次,从整体尺寸、机械动力部分以及控制系统对塔筒爬升装置进行了优化设计,使其具有可靠性高、承载能力强、安装方便、便于携带等优点,并在张北某风电场成功完成了空载及负重状态下的上升、下降、转向行走、螺旋行走等多个作业过程的试验。最后,利用Visual Basic 6.0与Access 2003开发设计了检测信息管理系统,其主要作用是与外部相关设备相连接,对采集的数据以及图像、报告信息进行接收存储,经详细信息说明后录入系统数据库,以便后期的分析处理与查看对照工作,具有检测信息接收存储、查询筛选、对照查看以及导出等多种功能。

关键词：风电叶片塔筒爬升装置检测系统管理系统

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浮式风机塔筒和系泊系统结构可靠性研究

浮式风机塔筒和系泊系统结构可靠性研究

作者：孙少恒哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

海上风电事业正以前所未有的速度进行发展,海上风机也从浅海走向深海,从固定式向漂浮式发展;随着水深的增加,海洋环境也更加复杂,会产生很大的环境载荷,对风机的正常使用和结构造成很大的威胁。因此,必须对风机的可靠性进行评估以确保... 详细信息

海上风电事业正以前所未有的速度进行发展,海上风机也从浅海走向深海,从固定式向漂浮式发展;随着水深的增加,海洋环境也更加复杂,会产生很大的环境载荷,对风机的正常使用和结构造成很大的威胁。因此,必须对风机的可靠性进行评估以确保风机能够正常工作。有鉴于此,本文以NREL-5MW半潜式浮式风机为例,通过对浮式风机的塔筒和系泊系统进行结构可靠性计算,求得相应的可靠性指标,实现对结构的安全评估。首先,对浮式风机的塔筒进行抗风可靠性计算。以Davenport谱为例,利用谐波叠加法分别对平均风速、脉动风速和风载荷分别进行仿真,得到相应变量的时程曲线;在此基础上,利用MATLAB编制的相应程序,通过对概率密度演化方程的求解,得到正常工作性能指标(塔筒顶端位移值)和抗弯能力(塔筒底部截面正应力)所服从的概率密度函数,通过给定的阈值,求出风机在最大作业状态和极限停机状态下的抗风动力可靠度。计算结果表明,在最大作业工况和极限停机工况下,塔筒的抗弯能力能够满足可靠性要求;在极限停机状态下,风机正常工作性能不能满足可靠性的要求,需要在设计时加以考虑。其次,针对半潜式浮式风机的系泊系统进行时域分析,结合AQWA水动力软件,求得风机系泊系统在额定状态、最大作业状态和极限停机状态下的轴向张力时域曲线;在获得时域数据的基础上,利用极值原理,分别对系泊链载荷和破断强度建立概率分布模型,并通过MATLAB编制的程序,对数据进行拟合得到各概率模型的参数,确立其概率分布。最后,在确定其概率分布的情况下,分别利用一次二阶矩和蒙特卡洛法对单根系泊链和整个系泊系统的结构可靠性进行计算。结果表明,在极限停机工况下,单根系泊链的破断强度能够满足可靠性要求,但系泊链整体的可靠性指标低于目标值,处于不安全的状态。

关键词：浮式风机结构可靠性塔筒系泊系统

中空夹层钢管混凝土风力发电塔筒受力性能研究

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中空夹层钢管混凝土风力发电塔筒受力性能研究

作者：王玲兰州理工大学

学位级别：硕士

风力发电机组的塔架是机组的主要支承结构,风力发电机组设计中,选择合理的塔架结构、并对选型进行受力分析显得尤为重要。目前已投入使用的风力发电机组以锥筒式钢塔架为主,但提升钢塔架提升高度,工程造价会明显增加。尤其是塔架高度超... 详细信息

风力发电机组的塔架是机组的主要支承结构,风力发电机组设计中,选择合理的塔架结构、并对选型进行受力分析显得尤为重要。目前已投入使用的风力发电机组以锥筒式钢塔架为主,但提升钢塔架提升高度,工程造价会明显增加。尤其是塔架高度超过100m时,钢结构塔架需显著增加钢板厚度,这不仅会增加钢制塔筒的加工、运输、安装及维护成本,且空气动力学和结构动力学问题也随着塔架高度增加而愈加突出。中空夹层钢管混凝土构件是在两个同心放置的钢管之间灌注混凝土而形成的构件,因为它不仅具有普通钢管混凝土良好的力学性能,承载力高、刚度大、塑性韧性好、抗震性能好,还具有自重轻、便于运输和吊装、可以预制等优点,所以在输电塔中已被广泛使用。本文通过对中空夹层钢管混凝土塔筒受力性能的研究,明晰中空钢管混凝土塔筒受力机理,考察影响其受力性能的关键因素,并比较中空夹层钢管混凝土塔筒与传统钢塔筒受力性能的差异。研究结果表明,中空夹层钢管混凝土的抗弯刚度随着空心率的增加而增大,因此在一定范围内适当增加试件的空心率有利于提高构件的侧向刚度。采用中空夹层钢管混凝土塔筒替代传统钢塔筒,其极限承载力平均可被提高约30%。此外采用中空夹层钢管混凝土塔筒结构替代钢塔筒结构可以显著地减小塔筒结构的位移响应和加速度响应。本文的研究成果可为中空夹层钢管混凝土塔筒结构应用于风力发电塔架中提供一定参考。

关键词：中空夹层钢管混凝土塔筒工作机理参数分析模态分析动力响应

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风电机组塔筒损伤识别的动力学方法研究

风电机组塔筒损伤识别的动力学方法研究

作者：吴悸华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

塔筒是风电机组的重要支撑部件,是机组安全运行的重要保证。目前对塔筒健康监测技术的研究也开始受到高度的重视,因此本文以风电机组塔筒为研究对象,研究了基于塔筒动力学特性分析的健康监测的传感器优化布置及损伤识别方法。主要研究... 详细信息

塔筒是风电机组的重要支撑部件,是机组安全运行的重要保证。目前对塔筒健康监测技术的研究也开始受到高度的重视,因此本文以风电机组塔筒为研究对象,研究了基于塔筒动力学特性分析的健康监测的传感器优化布置及损伤识别方法。主要研究内容及成果如下:（1）塔筒的健康监测的传感器优化布置问题。为了解决用于塔筒的健康监测的传感器测点的布置问题,以某型号的72m塔筒为研究对象,分别将有效独立法和逐步累加法应用到塔筒的健康监测的传感器优化布置上,并比较了两种传感器优化布置算法的优缺点。（2）针对塔筒的损伤识别问题,分别建立了带有局部变形损伤和裂纹损伤的塔筒有限元模型,并分别进行了模态分析。在模态分析的基础上,研究了采用模态柔度差、模态柔度改变率和模态柔度差曲率这三种基于柔度矩阵的损伤识别方法构造的损伤识别矩阵对塔筒局部变形损伤和裂纹损伤的识别效果,发现采用节点z向柔度值计算的模态柔度差构造的损伤识别矩阵可以最准确地识别损伤的高度和区域。针对多损伤问题的研究发现,位置低的损伤的可识别的最低损伤程度要比位置高的损伤的可识别最低损伤程度小,即能更早发现高度低的损伤。（3）针对塔筒的异常检测问题,提出了一个用于缩小检测范围的试验流程,能够很大程度地减少异常检测的范围,可以配合塔筒损伤的局部检测手段使用。

关键词：塔筒传感器优化布置损伤识别模态柔度差局部变形裂纹

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现浇混凝土风机塔筒及基础施工技术研究

现浇混凝土风机塔筒及基础施工技术研究

作者：田丰新三峡大学

学位级别：硕士

塔筒和基础是风力发电机组的主要承载部件,它将风电发电机与地面连接,将主要捕捉风能的风力发电机支撑在有利的高度以达到最经济安全的能量利用。它除了要支撑风力发电机的重量以外,还要承受吹向风力发电机和塔架的风荷载,以及风力发电... 详细信息

塔筒和基础是风力发电机组的主要承载部件,它将风电发电机与地面连接,将主要捕捉风能的风力发电机支撑在有利的高度以达到最经济安全的能量利用。它除了要支撑风力发电机的重量以外,还要承受吹向风力发电机和塔架的风荷载,以及风力发电机运行中的动荷载。塔筒还必须具有足够的抗疲劳强度,能承受风轮引起的振动荷载,包括启动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等,在风力发电机设计使用寿命期间满足各种复杂环境条件下强度、刚度和稳定性的要求。本文详细地介绍了风机塔筒及基础类型,介绍了其施工技术,并结合湖北省黄冈市龙感湖风电项目,详细介绍了其有别于一般风电项目的特点,及相应的施工处理策略。并针对现浇混凝土塔筒的施工技术难题,提出了两项创新技术,即取消了基础环施工,增加了过渡垫板的施工;取消了底部钢塔筒与基础环的螺栓连接,改为混凝土塔筒过渡垫板顶部伸出的钢绞线与第一节钢塔筒法兰孔张拉锚固。通过对现浇混凝土风机塔筒及基础施工技术的研究,介绍风电场风力发电机塔筒及基础的施工技术,同时,又对当前风机塔筒及基础施工技术中存在的问题提出改进方案。为风机塔筒及基础施工现场作业人员提供一个既有理论水平又有实践价值的操作指南。对于处于长江二级漫滩冲淤积平原,地势低洼平坦、场址地基岩土层主要以黏土、粉细砂为主的工程特点,本项目提出采用预应力管桩进行地基处理,并详细介绍了预应力管桩的整个施工过程,对类似工程项目具有一定参考价值。针对现浇混凝土塔筒施工过程中出现的四个较为突出技术难题:混凝土塔筒现浇施工工艺;预应力钢绞线施工工艺与实践;过渡垫板高空高精度测平技术;灌浆料拌制及使用的工艺给出了相应的施工处理策略及质量保证措施,为其他类似工程项目提供了一定的参考依据。

关键词：风力发电机基础混凝土塔筒

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台风区海上风机基础和塔筒可靠度分析

台风区海上风机基础和塔筒可靠度分析

作者：王丹阳大连理工大学

学位级别：硕士

我国海上风电正处于快速发展阶段,基础和塔筒是支撑风电机组的重要部分,其安全性是保证风电机组正常工作的基本条件,而基础和塔筒的安全性取决于设计规范的规定。我国现行海上风电场设计规范采用了分项系数设计法,但荷载和抗力的计算方... 详细信息

我国海上风电正处于快速发展阶段,基础和塔筒是支撑风电机组的重要部分,其安全性是保证风电机组正常工作的基本条件,而基础和塔筒的安全性取决于设计规范的规定。我国现行海上风电场设计规范采用了分项系数设计法,但荷载和抗力的计算方法及分项系数的值分别取自其他各行业规范,缺乏对海上风电规范中分项系数合理性的论证。另外,海上风电机组时常会受到台风的侵袭,风电塔又是对台风敏感的结构,因此台风区海上风机基础和塔筒的安全性应加以重视。本文依托中国能源建设集团“台风区海上风机基础结构可靠度分析”项目,对台风区海上风机基础和塔筒进行可靠度分析研究。具体研究内容和结论如下:（1）根据中国海洋大学提供的广东、福建和山东沿海海域20年的风荷载资料,对海上风速和风荷载进行了统计分析。分析表明,三个沿海海域的年最大风速均服从对数正态分布,年最大风速的均值系数为0.7134、0.2516和0.7831,变异系数为0.1891、0.7990和0.1369。（2）根据中国海洋大学提供的广东、福建和山东沿海海域20年的波浪资料,对波浪要素和波浪荷载进行了统计分析。分析表明,三个沿海海域风电塔桩基础的年最大波浪力和波浪力矩均服从极值I型分布;年最大波浪力的均值系数为0.3639、0.7186和0.3793,变异系数为0.6677、0.3633和0.7399;最大波浪力矩的均值系数为0.4017、0.6793和0.4248,变异系数为0.6383、0.4048和0.6775;波浪荷载与风荷载的相关系数为0.85。（3）根据25根钢管桩的试桩资料和已有的土性参数统计资料,对钢管桩基础竖向承载力和水平承载力进行了统计分析。分析表明,钢管桩的竖向承载力和水平承载力均服从对数正态分布,均值系数分别为1.3316和1.000,变异系数分别为0.2196和0.1601。（4）根据所建立的风荷载、波浪荷载和风电塔基础、塔筒抗力概率模型,采用一次二阶矩方法计算了符合规范要求的基础结构和塔筒的可靠指标。结果表明,广东、福建和山东三个沿海海域海上风电塔钢管桩基础竖向、水平、桩身结构、塔筒、法兰盘螺栓连接和导管架受拉、受压承载力的年平均可靠指标分别为4.03、3.74、3.89、4.34、3.17和3.23,25年使用期内的平均可靠指标分别为3.11、2.82、3.02、3.55、2.07和2.14。（5）将本文计算的风电塔基础和塔筒可靠指标与国外风电塔结构和基础设计的目标可靠指标进行了比较。比较表明,钢管桩、塔筒和筒桩连接的年可靠指标比丹麦风险国家实验室风能部针对第3版和第4版IEC 61400国际标准建议的年可靠指标3.09和3.3高,导管架受拉和受压构件的年可靠指标比针对第3版IEC 61400国际标准建议的年可靠指标3.09略高,比针对第4版IEC 61400国际标准建议的年可靠指标3.3略低。

关键词：海上风电基础塔筒台风可靠度分项系数设计法

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1.5MW风力机塔筒及叶片动态特性分析

1.5MW风力机塔筒及叶片动态特性分析

作者：邵帅沈阳工业大学

学位级别：硕士

近些年资源消耗的问题越来越严重，因此，风能，作为一种不会产生任何污染的可再生能源受到了人们的高度重视。风力发电机是将风能转化成电能的机械装置，主要由塔筒、机舱、叶片组成。本文以1.5MW风力发电机塔筒和叶片为研究对象，借... 详细信息

近些年资源消耗的问题越来越严重，因此，风能，作为一种不会产生任何污染的可再生能源受到了人们的高度重视。风力发电机是将风能转化成电能的机械装置，主要由塔筒、机舱、叶片组成。本文以1.5MW风力发电机塔筒和叶片为研究对象，借鉴了国内外的研究成果，以强度理论，动力学为基础，以三维软件和分析软件为辅，以GL规范为标准，对1.5MW风力发电机塔筒和叶片进行了有限元分析。本文主要研究内容如下：（1）对塔筒进行强度分析。建立塔筒有限元模型，通过多点约束法，在不同工况下对风力发电机的塔筒进行强度分析，并对结果进行了分析，验证塔筒是否满足设计要求，并将求解得到的结果作为预应力模型进行下一步的模态分析。（2）对塔筒进行模态分析。基于模态分析的基本理论，运用有限元方法，在考虑机舱和叶轮质量影响的情况下求解风力发电机的固有频率和振型，并对结果进行分析，以验证其是否与叶轮的旋转频率发生耦合振动。对塔筒进行屈曲分析，验证塔筒的稳定性。（3）对叶片进行强度分析。针对1.5MW风力发电机叶片，通过翼型曲线，在三维软件中实现叶片的建模，得到叶片的三维模型，通过有限元软件实现对叶片的不同工况下的载荷分析。依据得到的应力和变形，分析校核叶片的强度是否达到要求。（4）对叶片进行模态分析。对叶片进行模态分析，求解叶片在静止以及考虑离心力影响下的固有频率和振型。对叶片进行谐响应分析，验证叶片设计的可靠性。

关键词：风力机塔筒叶片模态分析谐响应分析