風力機塔筒結構仿生設計及動態特性研究
摘 要
作為一種豐富潔凈可再生能源的風電產業正在迅猛發展。塔筒是風電機組支撐的關鍵部件，對于具有高聳化薄壁結構的塔筒在隨機變向變載荷風力作用以及強陣風的瞬時沖擊下工作以外，同時其頂端還有大質量、大剛度的旋轉風輪與機艙。塔筒一旦損壞，對整臺風力機的安全和壽命造成嚴重威脅，故塔筒承載能力及其結構穩定性面臨挑戰。本研究在國家自然科學基金項目“西北典型風資源環境下變剛度風電機組葉片結構性能退化機理研究(No.51965034)”資助下，以風力機塔筒為研究對象，利用有限元數值法對塔筒開展靜態及動態特性研究，針對靜態特性響應研究中塔筒結構表現出剛度不足的問題，考慮到塔筒和竹子具備較高相似度，將竹節分布規律應用至塔筒結構仿生設計中，得到仿生塔筒結構。采用靜態特性響應研究、模態分析及屈曲穩定性研究驗證仿生塔筒結構合理性。在此基礎上，將正常發電、啟動、緊急停機工況下時變載荷作為外部激勵對原塔筒和仿生塔筒開展動態特性研究，以此表明仿生塔筒在時變載荷環境中穩定性優于原塔筒，且其結構更安全。主要研究內容如下：
(1) 塔筒結構靜態及動態特性研究。根據塔筒結構參數建立其有限元模型，依據GB/T 18451.1-2022 風力發電機組 設計要求選取極端湍流工況(DLC1.3)、極端風切變工況(DLC1.5)、極端陣風工況(DLC3.2)、極端風速工況(DLC6.1)四種極端工況載荷。通過有限元平臺，對塔筒進行極端工況靜態特性研究，結果表明極端湍流工況、極端風切變工況、極端陣風工況下、極端風速工況下塔筒均滿足剛度和強度許用規范。極端風速工況下塔筒的最大位移為755.85mm，占其總高度0.96%，接近GB50135-2019 高聳結構設計標準要求的1.0%剛度許用規范，該工況下塔筒結構剛度不足，對風電機組穩定運行造成威脅。通過塔筒模態分析知，其第一階固有頻率數值上高出風輪轉速頻率區間上限11.4%，其第二階固有頻率數值上低于葉片通過頻率區間下限19.72%，滿足設計規范，故塔筒和風電機組不發生共振。同時塔筒在四種極端工況下屈曲安全系數均小于1，其屈曲穩定性符合設計要求。
(2) 基于竹節分布特征的塔筒結構仿生設計研究。以自然界中竹子作為生物原型對塔筒開展結構仿生設計，應用層次分析法對塔筒和竹子在結構、載荷、約束和功能四個方面進行相似度定量研究，并計算塔筒和竹子相似度為0.716，接近于1，表明塔筒和竹子存在較高相似度，故以竹子作為塔筒結構仿生生物原型。利用等強度懸臂梁理論計算仿生塔筒法蘭數量為6(包含頂部法蘭)，參照竹子竹節分布規律，確定仿生塔筒法蘭間距，利用法蘭間距裁定仿生塔筒每段錐形鋼筒高度，4段式3法蘭結構特征的原塔筒通過結構仿生設計可得到6段式5法蘭結構特征的仿生塔筒。為驗證仿生塔筒結構合理性，對仿生塔筒開展靜態、動態特性研究。結果表明，極端風速工況下仿生塔筒最大應力、最大位移較原塔筒分別減少6.87%、10%，仿生塔筒結構強度和剛度優于原塔筒。同時仿生塔筒與原塔筒振型相同，其第一階、第二階固有頻率數值上分別大于原塔筒1.90%、2.01%，且遠離其共振帶。此外，仿生塔筒屈曲穩定性優于原塔筒，其結構更加安全。
(3) 時變載荷下原塔筒及仿生塔筒動態特性研究。為得到正常發電、啟動、緊急停機三種典型工況的時變載荷，采用改進VonKarman風模型，根據安全等級ⅢA風力機要求，利用塔筒載荷計算環境實現三種載荷設計工況。應用塔筒載荷計算理論，得到正常發電、啟動、緊急關機工況下時變載荷力、載荷力矩。將時變載荷分別加載至原塔筒和仿生塔筒。結果表明，強度方面：原塔筒及仿生塔筒在時變載荷環境下均滿足強度許用條件，且仿生塔筒的強度優于原塔筒。剛度方面：正常發電、啟動工況下原塔筒及仿生塔筒均滿足剛度許用條件，且仿生塔筒剛度優于原塔筒。緊急停機工況下原塔筒最大位移時變響應曲線的最高峰值為836.33mm，占其總高度1.06%，超過GB 50135-2019 高聳結構設計標準要求的1.0%剛度許用規范，原塔筒在該工況存在安全隱患，緊急停機工況下仿生塔筒最大位移時變響應曲線的最高峰值為729.82mm，占其總高度的0.92%，符合剛度許用條件，表明仿生塔筒結構更穩定。
關鍵詞：風力機塔筒；結構仿生設計；時變載荷；動態特性響應
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