风力发电机塔架减振装置及其设计Word格式文档下载.docx
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等效类比；
有限元分析；
动力学分析
Abstract
Alongwiththecountry'
seconomicgrowthandsocialprogress,theenergyconsumptionisbeingsustainedgrowth.Therefore,thedevelopmentofgreenenergyhasbecomeaglobalagreement,Inthelong-termenergystrategy,windpowerisconsiderofcleanandrenewableenergywhichmoreandmoreattentionsarebeingpaidbycountriesallovertheworld.Globallyspeaking,withthesituationthattherapiddevelopmentofwindpower,theUnitedStatesandmostcountriesofEuropeanUnionhaveputforwardthatTakingthedevelopmentofwindpowerasapreferredinusingnewenergy.InChina,theinstalledwindcapacityofwindpowerhasexceedtheinstalledwindcapacityofhydropower,now.Theoffshorewindpowerwhichisconsiderasthedirectionofdevelopmentinwindmarketispaymoreattentionintheworld.Alongwithchinahasestablished16nationalenergyR&
Dcenters,itwillsignificanceforchangingourenergyconsumptionpatternandensuringourenergysafety,italsogoodforrealizingthereductiontargetsin2O2O.Theconceptthatwindturbinescouldincreasingemployment,reducingtheemissionandintheaspectsofkeepingenergy-savinghasbeenacceptedgradually.Thefutureofwindwillbemorefastandmorehealthy.
Someproblems（e.g.,towercollapsed,boltedloosenessetc）hasbeenexposedintheprocessofuse,withtheexpansionofwindmarketandthewindgeneratorsweremorefrequentlyusedinourcountry.Itrestrictsthedevelopmentofourenergytargetinreducetheemission,lowcarbonandenvironmentprotection.Thewindpowerequipmentiselevatedfacilitieswhichhaveitsspecialstructure,anditisrestrictbyitsworkingcondition.Wecan'
treducethevibrationbymeasuresthatgivingitthereinforcementorsettingdampingduetotheyaredifferentwithotherelevatedfacilities.Itisverysignificancethatresearchonthesafeoperationofwindpower.
Thispaperiscombinedwiththebackgroundofwindpowerdevelopment,weanalyzethesituationofwindpowerapplicationandtheprogressthatinwindpowerintheworld,aswellassomeproblemsinapplicationofwind.Itisstartingfromthestructureofwindpoweraswellasitsworkingcondition.Tellyouthemechanismofvibration.Atthesametime,theresearchonreducingthevibrationofthewindpowerhasbeenputforward,accordingtopatentdocument"
ANewMethodOfReducingTheVibrationInWindTurbineDesign"
whichprofessorTangproposed,themathematicmodelofthetowersystemwasestablished.Thenitproposeaschemethatcouldreducedthetowervibration,byusingtheelectronicsimulationsoftwareTINA,accordingtotheequivalentanalogybetweenthemechanicalsystemsandelectronicsystems,next,wegotthemodelingbyCADsoftwareUGsoftwareformthescheme,andwegotthedesignparametersbythedynamicsanalysisandfemanalysis,andthenRenderingdrawings.Finally,doexperimentsonthedevicewhichdesignbyusandmadeinthefactory,andwhetherthedevicehaveagoodeffectonvibrationornot.
Keywords：
WindTurbine;
TheelectronicsimulationsoftwareTINA;
Theequivalentanalogy;
FemAnalysis;
DynamicsAnalysis
第1章绪论 1
1.1风力发电机减振研究的背景与意义 1
1.1.1风机减振研究背景 1
1.1.2风机减振研究意义 3
1.2风机减振的研究现状 5
1.2.1国内外研究的动态 5
1.2.2现阶段研究中存在的问题 7
1.3研究内容 8
1.3.1建模与电子仿真 8
1.3.2对建立模型进行动力学与有限元分析 9
1.3.3对机加工的缩尺模型的实验 9
第2章理论基础 10
2.1有限元理论概述 10
2.2机械动力学的有限元分析 10
2.2.1模态的有限元分析 10
2.2.2结构动力响应的有限元分析 12
2.3机电等效类比 14
第3章 系统的电子仿真分析 16
3.1建立塔架系统数学模型 16
3.2电子仿真分析 17
第4章 塔架在CAD软件中建模 21
4.1风机模型参数预设置 21
4.2在UG中建立风力发电机三维实体模型 23
第5章 塔架的动力学与有限元分析 26
5.1有限元方法的基本步骤 26
5.2塔架的静力学分析 26
5.2.1网格划分 26
5.2.2施加约束和载荷 27
5.2.3静力学分析结果 28
5.3塔架动力学分析 31
5.3.1塔架及其系统模态分析 31
5.3.2塔架系统的谐响应分析 38
5.3.3动力学分析结果 43
5.4小结 44
第6章 实验分析与数据采集 45
6.1塔架系统的安装 45
6.2塔架及减振系统的实验分析 54
6.3塔架减振评估 57
第7章 结论与展望 59
参考文献 61
致谢 64
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果 65
第1章绪论
1.1风力发电机减振研究的背景与意义1.1.1风机减振研究背景
经济的发展和社会的进步都要靠能源供应的支持。
以燃烧煤炭为基础建立的大量消耗化石燃料的消费格局1,不可避免的带来了矿产资源的高消耗与生态环境的高污染。
随人们对能源与可持续发展认识的深入，怎样在经济发展与环境保护之间建立一种平衡、和谐的发展模式显得尤为重要。
风能作为一种“绿色能源”,它具有清洁、无污染，理论上取之不尽，用之不竭的优良特性，受到世界各国的重视。
在高80米空中，风能资源总量约占700亿千瓦2。
有人做过这样的评估，我国陆地面积约960万平方公里，占世界陆地总量的6.5%,相对应的风能资源就是45.5亿千瓦。
又据中央气象局的第三次风能资源普查报告，目前我国可供开发的风能储量约44亿千瓦，这其中陆地上可开发利用的风能储量为6-10亿千瓦，近海储量为1-2亿千瓦，可以说储量相当的丰富。
世界风电发展速度之快，据全球风能理事会2010年的报道，09年整年增加的发电装机超3800万千瓦3,比08年净增1000多万千瓦，累计装机容量已超过1.58亿千瓦，同比增长超31%。
其中，中国增长速度最快，当年新增1400万千瓦，比08年增加760万千瓦，同比增长达120%o09欧盟装机容量1056万千瓦，同比增长了17%,美国增长992万千瓦，同比增长19%。
世界风电总装机容量具前十位的国家详见图1-1。
图1-12009年世界风电总装机容量前十位排行
6
风电事业得以如此迅猛的发展得益于各国政府的经济调控刺激政策。
其中欧盟政府提供了2.25亿欧元发展海上风电，美国国会批准延续了风电项目退税政策。
中国对风电的投入也是空前的扩张，上半年仅吊装400万千瓦，而下半年突然发力，完成了1000万千瓦。
据悉，09年全年世界风电总投资达到630亿美元，发电量达到3400亿千瓦时，温室气体减排2亿来吨，与此同时还为50万人创造了就业机会。
风电领域在节能减排、增加就业和确保能源安全4等方面的取得的显著成就逐渐被世人所接受。
风能在海上的开发是目前的一个热门话题。
海上有着陆地上无法比拟的优势。
海上风力较陆地上更大，发电效率所以更为人们所看好。
而且，海上相对陆地上，人们的生活生产也相对减少，风电机组噪声扰民的现象也就不存在。
风电机组的运行成本也就相对降低。
海上风电作为一种新能源的富庶之地，称为风电领域新的发展方向，越来越受到世界各国的关注。
美国谷歌等实力公司投资50亿美元，在美国建造了举世瞩目的海上风电项目一一“大西洋风能传输网”。
近些年海上风电的投资保持着快速增长，海上风电有巨大的发展潜力。
根据风能协会的预测，2030年世界海上风电装机容量将占风电总装机容量的40%。
我国是一个沿海国家，海岸线很长，发展海上风电5有着独到的自然地理优势，江苏省是我国较早利用风力发电的地区，由于海岸线较长，风能储量丰富，近海风力发电有着非常大的潜力。
风能作为一种清洁可再生资源，从某种程度上说具有重要的战略意义。
目前，风电行业形式普遍被看好，风电企业不断发展壮大，市场竞争也愈激烈。
风电发展保持如此迅猛之势，研究发现有以下一些方面的因素。
首先，由于风电领域日趋成熟的技术支持，各配套产业也越来越完善，为风电项目的快速发展扩张提供了必要条件。
在09年，各风机制造企业应市场需要,加大生产力度，使得风机市场上以往供不应求的状况得到一定的缓解。
我国的风机制造业更是势如破竹，风机产量从08年占世界比例的1/5上升到了38%,而且，金凤科技、华锐风能、东方汽轮机三家企业还进入了世界排名的前十。
其次，原材料价格下降和风电行业内竞争加剧，使得风电装备的价格下降。
“智能电网”与“非并网式风电”齐头并进，在风力发电运用上发挥了很大的作用。
投资商也非常看好风电行业发展的前景，前不久谷歌公司携手日本丸红株式会社和美国好能源公司，投资50亿美元，在美国建造了世界上最大的海上风电项目一一“大西洋风能传输网”，把大西洋海岸的风电输送到东北地区的能源市场上。
可见，企业对风电能源市场的重视不言而喻。
再次，面对日益严重的能源问题和严峻的气候问题，世界各国都对绿色能源越来越重视。
各国也就把发展风电项目作为实现节能减排的一项重要措施。
美国总统奥巴马承诺，把原来的到2020年比2005年温室气体减排17%的指标提高了3个百分点。
欧盟承诺到2020年，可再生能源的比例将大于能源结构的20%。
我们政府也提出了到2020年，使我国可再生能源比例达到15%的战略目标。
然而，对于类似风机这样矗立在空中的高架设施，由于长期暴露在恶劣的自然条件下，为避免大风、地震等外因诱发的振动和广义共振导致对高层设施结构的破坏，在有条件的情况下，都给这些高架设施安装了外部阻尼或采取了加固措施（如增加外设的拉索等），多见于高架设施周围斜拉到地面上的拉索，如石油工业、冷金工业的多级反应塔以及输电塔亦或电线杆周围的拉索，这些高架设施都是通过设置周圈拉索来增加其稳定性。
当然，此减振方案并不适用于所有的高架设施。
如现在城市中随处可见的摩天大厦等，就风力发电机来说，由于自身纵向尺寸巨大，本来就存在一个自身的稳定性问题；
而且，对于安装有发电机等核心部件的机舱，占了风力发电机的绝大部分质量，它是由高耸的塔架独立地支撑在空中，其工作环境较恶劣，特别是对于那些安装在海上亦或是安装在强风环境中的风机，由于风力的激励作用，有来自风力对发电机转动叶轮的的周期的激振力的调制作用；
此外，由于塔架叶轮的半径尺寸小于塔架本身的高度，而叶轮应该是可以绕塔架旋转以适应来自任何方向的风，故在风机周围设置拉索之类的加固措施显然会影响叶轮的安全转向，因此显然不适用。
由于风机其工作环境相对恶劣，故塔筒上的联结螺栓疲劳松动、机舱振幅过大、塔架失稳倒塌等屡见不鲜，每年都导致了巨大的经济财产损失，制约着人们对风能的开发利用，也阻碍了节能减排、低碳环保这样的能源战略目标的实现。
而且，对于风机这样的产品，公认的缺点是使用寿命短，维修难度大，维修率高,维护成本昂贵。
国外的风机一般可以做到25年以上的使用寿命，但是以国内现有的技术条件，目前达到这一水准还是有困难的。
1.1.2风机减振研究意义
近几年来，中国对新能源的开发在国家相关政策的扶持下取得长足的发展。
随着国家首批16个能源研发中心成立，标志着我国在能源方面的高科技研发将进入一个新时期。
这16个研发中心涉及风能、核能、新材等能源重点行业，对于改变以往的能源消费格局，建设能源科技强大的支撑体系以及对实现2020年的减排战略目标都具有深远的意义。
对于新能源的开发，人类无时无刻不在积极探索。
核能作为一种清洁能源，它的使用效率搞，体积小而且方便储存与运输，但是随着节能技术的发展和人们处于对核威力的震慑，对它的使用也越来月谨慎。
切尔诺贝利核电站事故后，核能的开发利用遭到了许多环保组织的反对，西欧许多国家关闭了本国核电站，核电的利用一时间受到了限制。
特别是，前不久日本福岛发生的9.0级大地震，福岛核电站发生的核泄漏事件，给当地人们带来巨大的灾难，也给世界人们带来了恐慌，同时为世界对核能的利用蒙上了一层阴影。
全世界也更倾向于对其它清洁能源的开发利用。
近些年，我国风电产业发展迅速，风电产能增加的同时也出现了一系列问题。
一方面，目前中国处在风电事业蓬勃发展的好时机，市场对风电设备的需求相当大，除了市场对风电整机需求大外，发电机、叶片等其它设备的供给也无法满足市场要求。
目前，我国大大小小的风电整机企业就有80多家，378个有关风电新开工重大项目在2010启动，项目投资高达3000亿元。
金凤科技等企业的生产研发实力也跻身世界前列。
海上风电作为电领域新的发展方向，也越来越受到世界各国的关注。
风电发展的总体形式是乐观的。
另一方面，由于风电行业受到行业追捧，越来越多的企业、机构涉足风电领域。
这其中有许多都是以前没有做过风电业务的，它们看到市场上刮起的风电热，趋之若鹫的挤到风电行业中，于是大批风电设备充斥着市场，这些风电产品没有经过质量认证6。
风电产品五花八门，产品质量参差不齐，使用时出现各种各样的突发状况。
如果不对产品质量进行认证，降低故障率，提高可靠性，后果将会直接阻碍风电产业的成长。
而且，随着风电产品的应用的推广，使用过程中也出现了一些问题。
现阶段，我国风电机组每年的装机总量都非常庞大，而在这些风机中，大部分是从国外购买的。
这些外购的风机中也不乏没有得到充分验证与质量认证的产品。
而且这些引进的机型的设计都是按国际准则设计的，它们都是以西欧或是北美等国家或地区的气候、风况等参数作为设计标准的。
而我国的气候、地理特性有它自身的属性特点。
这些外购的风机机组就不可能完全匹配我国的工作要求，适应当地的自然环境。
所以如果出现某些故障现象，就必然导致大规模的维修或是停车现象。
前些年，NEGMicon公司风机大量齿轮箱发生故障，致使一千多台齿轮箱需要更换。
最后，该公司不得不倒闭被别人收购。
随人们对风电开发力度的持续加大，对风电开发速度的的不断加快，风电领域的一些矛盾也日渐暴露出来。
纵向水平来看，尽管我国风电行业整体保持发展迅速，但是与国际先进水品还是有相当的距离。
究其原因，还是回归到了国内生产制造商的没有充分吸收消化关键技术、产能不足的问题上。
现阶段国内国内各生产制造厂商基本停留在引进吸收国外先进技术阶段，没有自己设计形成的配套生产技术，核心科技以及控制系统也是受制于人。
由于没有掌握相关技术，大部分企业都是靠到国外买图纸来实现生产经营的。
这些企业在从国外购进图纸资料后，短时间内就能实现快速生产，大量的订单给他们带来丰厚利润的同时，也使得批量生产的风机没有达到标准，出现质量问题。
对于风场大规模出现的故障问题，无论对企业还是发电场都具毁灭性的打击。
风电装备属于高架设施，矗立在风中风机，长期处于在露天环境中，风机大部分质量都集中在机舱上，而塔筒高达几十米，风机自身的稳定就是靠埋在地下的一部分支持。
而风机重心高，在使用过程中还受到叶片的不平衡力的影响，所以风机的稳定性是风机正常工作的一个前提条件。
正是由于它结构的特殊性，不能像对待其他高架设施一样，简单的通过给它外加拉索或是设置加固措施的方式实现自身的减振，故对于风机的安全运行的研究具有非常现实的意义。
本设计的意义：
所设计的减振装置7,安装于风机塔架内，它是一种"
自适应减振装置”。
相对那些主动阻尼控制器来说，此套减振装置既没有检测装置，也没有电子控制系统，不用即时检测外界对塔架的作用风向、风速，不用测量风机的振幅，它是依靠减振装置的自身的阻尼，吸收塔架的振动能量，再把它转化为热能消耗掉。
由于它结构简单，可靠性高，而且具有其它减振设计所不具备的造价优势，是一种较理想的减振方法，解决了高架设施减振的困难。
1.2风机减振的研究现状
1.2.1国内外研究的动态
风电技术装备作为风电产业的一个重要环节，是风电产业健康发展的基石与前提。
风机的设计研发、生产加工阶段应该予以重视，除了从源头上下功夫外，还应该对后续出现问题建立即时处理应对方案。
对于风力发电机的减振问题，许多人做过相关方面的研究，尽管方式方法不尽相同，但是所使用的原理简单易懂，有些方案显得还不是很成熟，也有些方案使用起来也取得了一定的效果，下面列举了一些减振的技术方案：
（-）在风机的塔架顶部，即位于风力发电机塔架顶部的塔筒内，放置大量的沙袋，预使塔架振动时沙粒之间或沙袋相互摩擦消耗振动能量，降低振动幅度。
但是实际效果却不理想，因为沙袋与支撑面做的是同步运动，而没有产生带有摩擦热的相对运动。
（二） 在风机的塔筒处人为的分离出许多个夹层，而且在这些夹层之间注满沙石，试图利用振动时沙石之间的摩擦降低塔架的振动，消耗塔架的振动能量，保障系统的安全。
但实际效果也很差，因为这些沙石随塔筒往往一起做同步运动而很难有效的转化并消耗能量。
（三） 取一个振动频率和塔架固有频率相同的球体，如图1-2所示，让其在塔架上做单摆运动，在共振频率上实现塔架振动转移来实现减振。
但在实际操作过程中，一方面，由于单摆的摆动比未加单摆时塔架本身的振幅更大，无法在空
间有限的塔架空
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