文 献 综 述

在如今资源日益匮乏的现状下，风电这一新能源产业的兴起是必然的趋势，放眼世界，整个风电领域的规模已是十分庞大的。这源于风能的清洁与可再生利用，风蕴藏的可开发能源储备量是十分可观的。我国幅员辽阔，陆疆总长达2w多km，还有18000多km的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源十分丰富^[1]。陆上风能资源丰富的地区主要分布在我国的东北，华北，西北地区，海上风能资源丰富的地区主要分布在江苏、上海、山东、浙江和福建等东南沿海及附近岛屿。

我国陆上离地面50m高度达到3级以上风能资源的开发量约为23.8亿kw，我国海上5-25m水深线以内近海区域、海平面以上50m高度的技术可开发可装机容量约为2亿kw,我国风能资源累计将近26亿kw^[2]。储量虽大，开发利用却不易，目前我国风电发展面临的主要问题有风电设备质量有待提高、风电并网面临瓶颈、风电开发成本偏高、国家扶持政策及配套体系有待完善等^[3]。

风场的选址有宏观和微观两个方面，沿海的风要比内陆大得多^[4]，但相较于内陆地区的风机建设，沿海地区因海洋水文、气候条件和海底地质条件都非常复杂，建设起来是更加困难的，仅造价方面就要比内陆地区高出2-3倍^[5]。而我国沿海风电资源丰富，滩涂广阔，发展沿海滩涂风电场潜力巨大，非常值得我们去对此进行研究摸索以更进一步的开发利用。针对此现状，我将完成3MW沿海地区风电机组塔架设计。

风电机组塔架起着支撑机舱和风轮的作用，目前绝大多数塔架是管式结构，分段制造，两端带有法兰^[6]。塔架与基础相连，承受各种载荷，因此要有足够的强度和刚度^[7][8]。风机塔架主要受到的载荷有：（1）风在塔架上产生的轴向推力，（2）塔架顶端风轮哈机舱对塔架产生的重力，（3）塔架本身的重力，（4）垂直玉塔架方向的风压^[9][10]。管式塔架呈锥形筒状结构，结构形式比较规则，虽然易于设计，但由于零部件较多，工作量大且繁琐。因此，有必要对风机塔架进行参数优化设计，以实现风机塔架自动化^[11]。

对于风机塔架塔筒的优化设计，可以运用的软件有很多，例如Matlab软件^[12]、VB软件ANSYS软件^[13]、Bladed软件、Solidworks软件等等。可以相互配合工作，譬如借助ANSYS自身的参数化语言APDL,将参数化的思想引进到有限元的分析过程中^[14]。可用的软件有很多，优化设计的优点在于通过优化分析可以达到在满足结构性能要求的条件下减轻塔架重量、降低成本的目的^[15]。但设计时还应考虑塔架是否会与叶片发生共振^[16]。

风机塔架很大，但每一个细小零件的组装都容不得马虎。风机塔架的连接主要是靠螺栓、法兰和焊接工艺，一般多为塔筒分成多段组装，锥形结构塔筒配合L或T型法兰装配^[17]。其中比较重要的有高强度螺栓的选用、法兰与塔筒的焊接等细节处理。螺栓的承受的扭矩T主要与螺栓的扭矩系数K有关，T=KDF.其中D为螺栓公称直径，F为轴向力。K的确定十分重要，可以通过涂抹润滑剂来控制K,目前风电行业普遍的方案是只涂螺栓的啮合部位或者涂啮合部位和支承面^[18]。法兰可以选用长颈对焊法兰，对设备安全性起着十分重要的作用，垫圈对法兰螺栓的密封性能起着重要的作用^[19]，选型时要注意法兰材料，工作温度，最大允许工作压力，更要注意法兰与筒体对接结构尺寸工艺设计。焊缝质量用射线或超声波检测^[20]。

对于沿海地区来说，常年有风，风速大且趋于稳定，海风中携有海水蒸汽，更易对塔架造成腐蚀。由于海陆热力性质差异，沿海地区白天和夜晚温差很大，对塔架的换热设备的综合性能要求要高^[21]。风机塔架所处工作环境恶劣，受力复杂，所有构件作用力全部由焊缝承担，故作为影响结构体系安全运营的焊接工序质量要求之高是显而易见的,对于沿海地区风机塔架的设计更要着重其焊接工艺与变形控制^[22]。此外海岸边地质结构较为松软，可能还要防海啸与地震等自然灾害^[23]，还应对塔架进行减振设计，可以先对塔架结构动态特性和塔架激励源动态特性进行分析研究，根据塔筒的四阶振型分析低频摆动情况，设计增加气动阻尼的减振控制方法^[24][25] 。

本次设计的预期成果是要完成3MW沿海地区风机塔架设计，要对塔架参数进行优化设计，并确保有足够的刚度和强度。