摘 要

近年来风能作为清洁的一次能而源备受关注，风力发电逐渐成为电力行业的重要组成部分。大型水平轴风力发电机作为主要的发电设备而受到研究学者的关注，其中支撑结构作为风力发电的重要结构对于大型风电机组的建造和降低风电场建设成本方面具有重要意义。

本文介绍了风力发电的发展情况、风电机组的支撑结构形式、国内外研究支撑结构的现状以及桁架式支撑结构的应用。详细介绍风电机组所受风载荷、工作载荷和环境载荷的计算方法，使用CATIA建立三维模型后导入有限元软件ANSYS对10MW水平轴风力发电机设计桁架式支撑结构进行静力分析，然后优化设计进行模态分析。结果表明优化后的支撑结构保证了风机运行的稳定性，故而桁架式支撑结构对风电机组的建造具有一定意义。

关键字：大型风力发电机 支撑结构 桁架式 ANSYS CATIA 有限元

Abstract

In recent years, wind energy has attracted much attention as a clean primary energy. wind power generation has gradually become an important part of the power industry.

Large horizontal axis wind turbine as the main power generation equipment has attracted the attention of scholars. As an important structure of wind power generation, support structure is of great significance to the construction of large wind turbines and the reduction of the cost of wind farm construction.

This paper introduces the development of wind power generation, the support structure form of wind turbines, the status quo of research on support structure at home and abroad, and the application of truss support structure. The calculation methods of wind loads, working loads and environmental loads on wind turbines are introduced in detail. The three-dimensional model of wind turbines is established by CATIA and then the finite element software ANSYS is introduced to analyze the strength, stiffness and modal analysis of the truss support structure for 10 MW horizontal axis wind turbines. Finally, the optimal design is carried out. The results show that the optimized support structure guarantees the stability, so the truss support structure has a certain significance for the construction of wind turbines.

Key words: large wind turbines; support structure; truss; ANSYS ; CATIA ; finite element optimization

目录

摘要 I

Abstract 1

目录 2

第一章 绪论 4

1.1研究背景与选题意义 4

1.1.1风力发电现状 4

1.1.2风力发电机支撑结构类型 6

1.2国内外发电机组支撑结构研究现状 7

1.2.1部件连接 8

1.2.2风力发电机支撑结构未来发展趋势 8

第二章 风力发电机桁架式塔架载荷计算 9

2.1载荷分析 9

2.1.1风轮风载荷 10

2.1.2 其他载荷 11

2.2工作载荷 12

第三章 风力发电机支撑结构分析 14

3.1塔架稳定性分析 14

3.2塔架腹杆结构分析 15

第四章 风力发电机支撑结构设计 17

4.1结构设计 17

4.1.1高度、外形设计 17

4.1.2 CATIA建模 18

4.1.3静力分析 18

4.1.4 交叉式模型静力分析 19

4.1.5 变截面交叉式模型静力分析 21

4.1.6 人字式模型静力分析 22

4.2模态分析 23

第五章 经济性分析 27

5.1经济效益的重要性 27

5.1.1塔架成本预估 27

5.1.2风电收益预估 27

5.2环境效益 27

5.2.1二氧化碳减排量计算 28

5.2.2电网维稳成本计算 28

第六章 总结与展望 29

6.1总结 29

6.2展望 29

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1研究背景与选题意义

近年来中国的可再生能源事业快速发展，预计在未来的五年时间里以中国为首的亚洲仍是风电增长的主要地区。由于陆地资源逐渐稀少，而海上具有风能资源丰富、风场距离海岸较远，不会对人的视野造成遮挡，风电场还可以建设成一道美丽的风景线。所以海上环境允许机组朝着大型化建设，从而可以提高单位面积的总装机容量。表1-1展示了我国部分省份风能资源数据。

表1-1 我国部分省份风能资源表

风力发电机组塔架是机组的主要承载部件，将风力发电机组支撑到需要的高度，其稳定安全性对整个系统来说十分重要，一旦发生事故将会造成毁灭性的破坏和巨大的经济损失。海上风力发电机组塔架受到海浪、海流、海冰、台风等特殊动载荷作用，且有风轮运行、调节和静止等不同运行工况，使得结构静力和动变形特别复杂，在以上综合的情况下使得结构的内力超过系统结构的承受力后造成风力发电机组结构破坏或塔架产生线性、非线性静动力屈曲，最后结构失去稳定。塔架中最为经济的是低频式（柔性塔），随着机组容量越来越大，塔架多为柔性塔，因而桁架形式的塔架再次成为研究对象。

1.1.1风力发电现状

能源是国家经济快速发展的命脉所在，然而随着重视经济发展而忽略环境污染问题日益严重，传统能源中常用的煤、石油等化石能源逐渐减少，使用清洁能源、节约资源、降低碳排放、大力调整能源结构已成为各国迫在眉睫的任务。可再生能源的创新型开发与利用是全球研究的重点。其中，发展研究最为迅速的水电、太阳能、风能、地热能等取得了一系列成果。

风能作为新能源的一种，具有清洁、经济的特点，利用风能发电的历史可追溯至上19世纪晚期。近年来，随着能源危机的发生，更多的科学家投身于风力发电领域，风力发电技术日趋成熟，机组容量朝着大型化发展。各国针对优质风资源地区建设大型风力发电场有利于储能和并网，风电提高了在国家电力供应中所占的比例。

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