于國亮 夏全洲

摘要：塔筒是風電機組的重要組成部分之一。基于此，本文就風電機組塔筒的設計和優(yōu)化展開探究，從主要技術(shù)問題、受力分析、基本設計原則、經(jīng)濟因素分析了風電機塔筒的基本設計，并依據(jù)設計，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能方面給出了優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：風電機組;塔筒;優(yōu)化設計

引言：風電機塔筒的優(yōu)化設計可以提升風電機整體運行的穩(wěn)定性以及運作效率，提升風電機設施的整體經(jīng)濟性。風電機的塔筒承受著機組的整體自重和風產(chǎn)生的推力、扭矩以及彎矩，是保證風電機整體運行安全的重要方面，因此，對于風電機的塔筒進行優(yōu)化設計十分必要。

1. 風電機組塔筒設計

1.1主要技術(shù)問題

風電機組塔筒的主要技術(shù)問題有以下幾個方面：（1）結(jié)構(gòu)的外形尺寸限制方面;（2）動力學，即塔筒自身的頻率方面;（3）最大化載荷作用下的抗壓性方面;（4）交變載荷作用下塔筒的疲勞壽命方面;（5）橫向與軸向作用力下的屈曲穩(wěn)定性方面;（6）法蘭螺旋連接強度方面;（7）人機工程的內(nèi)件設計方面。

1.2受力分析

塔筒的受力通常有：（1）橫向的推力，主要來自風作用在葉輪以及機艙上而產(chǎn)生的水平合力以及風對塔筒的推力;（2）縱向力，主要來自于葉輪以及機艙對于塔筒的重力;（3）扭矩，也稱彎矩，這與塔筒以及輪轂的中心高度有關(guān)。

1.3基本設計原則

1.3.1外形尺寸

首先是高度，這是塔筒整機以及設計的基礎(chǔ)性參數(shù)，一般要依據(jù)風輪直徑的0.8到1.2倍來進行初定，依據(jù)實際情況進行考量，高度的計算公式一般為：

H=h+C+D/2

D為風輪的直徑;C為風輪直徑的最低點到障礙物的高度;h為風電機附近環(huán)境高度。在實際選址時一般可以將風電機置于海上、草原或者灘涂，以減少周圍的障礙物。此外，依據(jù)運輸?shù)南薷?，塔底的直徑要盡可能大[1]。

1.3.2強度計算

要保證塔筒靜荷載的最大應力小于結(jié)構(gòu)的限用應力，并對其進行必要的疲勞分析。塔筒強度一般與材料性能以及各截面的直徑有關(guān)，通常選擇Q345C/D/E低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。采用插值法漸變計算中間壁厚。依據(jù)中國船級規(guī)范的有關(guān)規(guī)定選取安全系數(shù)來計算其靜載荷應力安全系數(shù)以及疲勞載荷安全系數(shù)，并按照高聳鋼結(jié)構(gòu)等實際情況進行適度的數(shù)值調(diào)節(jié)。

1.3.3模態(tài)分析

在設計風電機組以及塔筒的過程中，要依靠空氣動力學，對于塔筒的固有頻率以及相應振型進行分析，一般要保證塔筒的固有頻率與激振頻率間具有大于等于10%的頻率間隔，以避免出現(xiàn)共振，從而使設計符合規(guī)范性要求。塔筒固有頻率的主要影響因素一般由截面直徑、塔筒高度、風電機組的自重以及材料性能等方面決定。

1.3.4屈曲穩(wěn)定性分析

為對塔筒的臨界荷載、失穩(wěn)模態(tài)等方面進行必要的控制，降低結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況的出現(xiàn)，要對于風電機組的穩(wěn)定性進行研究。在研究時要依據(jù)塔筒失穩(wěn)的因素展開，通常適用于塔筒本身這一薄壁圓筒結(jié)構(gòu)在承受風力推動塔頂產(chǎn)生的推力時，會由于軸向壓力對各截面產(chǎn)生的彎矩，而形成一定的受力，當超出極限時，就會形成塔筒損壞的情況。

1.3.5螺旋連接強度

塔筒的各段是利用高強度的螺旋技術(shù)進行串聯(lián)的，高強度的螺旋會在復雜且強力的受力條件下，產(chǎn)生松動，進而使高強度的螺旋失去緊固效能，對于風電機組的整體安全性造成一定的影響。為此，在進行塔筒的設計時，要對于用于連接的螺旋結(jié)構(gòu)進行精細的計算。例如：在計算時可以利用有限元方法對其進行計算。

1.4塔筒設計的經(jīng)濟因素

1.4.1高度對整體成本的影響

作為風電機組的重要組成部分，塔筒要占據(jù)風電機組整體成本的15%到20%左右，因此為實現(xiàn)整體成本的把控，要在塔筒的成本投入方面進行必要的考量。并且在高度增加的條件下，塔筒的載荷近似線性增加，剛度以及頻率會隨之下降，為保證塔筒抗性，相應的壁厚以及直徑會隨之增加，因此要依據(jù)成本方面的實際情況進行塔筒高度的設計。

1.4.2其他影響因素

塔筒每段存在的相應的運輸以及構(gòu)造方面的成本，如山區(qū)運輸，相應的成本會隨之提升。可以采購展開寬度在2米到3米的筒節(jié)以降低在運輸以及板材投入方面的成本。此外可以在適當提升截面的同時降低塔筒壁厚，以此提升抗彎性以及慣性矩。在連接方法上，反向平衡法蘭技術(shù)由于質(zhì)量較小、交工簡易、維護工作量小等特點在現(xiàn)階段被廣泛應用。

2. 風電機組塔筒的優(yōu)化策略

2.1設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

信息化時代為風電機塔筒的優(yōu)化提供了高效的解決方式，可以分層級的對于塔筒實現(xiàn)優(yōu)化設計。

2.1.1系統(tǒng)用戶界面層

系統(tǒng)的用戶界面層是風電機組塔架優(yōu)化設計的一部分，是整個風電機組與用戶進行溝通的窗口性階層，塔筒可以按照實際的運行情況以數(shù)據(jù)的形式傳遞給操作人員，操作人員可以根據(jù)收集到的信息進行分析整理，以此使操作人員發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，通過信息化優(yōu)勢，保證系統(tǒng)整體的安全平穩(wěn)運行。

2.1.2系統(tǒng)應用服務層

這一層級是實現(xiàn)操作人員對于塔筒的整體運行情況進行把控的關(guān)鍵方面，在塔筒的設計方面，可以據(jù)此為塔筒的設計提供更高效的數(shù)據(jù)支撐，以此形成對于塔筒優(yōu)化設計的目的。這一功能是借助Pro/Toolkit API對于Pro/E5.0軟件系統(tǒng)進行交互集成從而實現(xiàn)的[2]。

2.1.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)的存儲層是實現(xiàn)塔筒設計以及運行數(shù)據(jù)進行收集整理的層級，一般可以分為：（1）參數(shù)庫，包括塔筒設計參數(shù)、風電機組技術(shù)參數(shù)、塔架材料參數(shù)、零部件幾何參數(shù)、優(yōu)化參數(shù)等;（2）規(guī)則庫，以固定的格式存儲，是一種對于塔筒的設計與運行，利用規(guī)則進行約束的系統(tǒng);（3）實例庫，包括風電機組塔筒的配置以及零部件信息;（4）模板庫，以模板的形式對于塔筒的基本框架設計進行存儲，以此提升塔筒的整體優(yōu)化設計效率。

2.2設計系統(tǒng)功能的優(yōu)化

2.2.1結(jié)構(gòu)配置模塊

借助結(jié)構(gòu)配置模板，設計人員可以對整體的塔筒設計進行初步設定，在滿足相應要求的基礎(chǔ)上，以此為前提再進行相應零部件的選擇，形成固定的結(jié)構(gòu)模板以及設計標準。此外，還要保證依據(jù)實際情況對于設計進行適當?shù)恼{(diào)整，并對調(diào)整數(shù)據(jù)進行再次的存儲。

2.2.2分析優(yōu)化模塊

這一模板可以實現(xiàn)對于塔筒整天設計進行優(yōu)化分析，并將分析的結(jié)果以方案的形式提出，以此進行可行性的判斷。在實際操作中，設計人員間結(jié)構(gòu)模板中相應的數(shù)據(jù)進行提取，并借助分析軟件建立有限元分析模型，對于靜態(tài)強度以及擬態(tài)方面的計算，從而形成優(yōu)化方案。

2.2.3參數(shù)化設計模塊

參數(shù)設計模塊可以對整體設計中相應的設計參數(shù)以及分析以及零件建模，并與對整體的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行分析。在此基礎(chǔ)上，運用Pro/E二次開發(fā)接口將所得參數(shù)層輸送到參數(shù)化程序中，以此對于整體結(jié)構(gòu)以及部件形成計算分析以及參數(shù)化，為科學的設計與構(gòu)造提供參考依據(jù)。

2.2.4設計輸出模塊

設計輸出模塊在整體設計中，起到將確定整體設計塔架的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成二維工程圖進行輸出的作用，在輸出時，一般還會附帶總體的結(jié)構(gòu)圖以及部分的零件圖，以及相關(guān)部分的尺寸以及材料說明方面，從而在塔架設計的優(yōu)化方面實現(xiàn)技術(shù)性的提升與支撐。

結(jié)論：綜上所述，為實現(xiàn)風電機的高效、穩(wěn)定運行，需要提升塔筒設計的科學性，并對其進行合理的優(yōu)化。在設計與優(yōu)化的過程中需要較高的技術(shù)能力以及設計能力，設計人員要深入研究，進一步掌握專業(yè)知識，在提升自身技術(shù)水平與專業(yè)優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)風電機的安全運行，與應有效能的有效發(fā)揮。

參考文獻：

[1]張國偉，李鋼強，趙登利，焦守雷，陳江平，王子月.基于頻率控制的風電機組雙曲線型塔筒優(yōu)化分析[J].風能，2020（04）：60-67.

[2]韓丹.大型風電機組塔筒新型法蘭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方法[D].華北電力大學（北京），2019.