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塔架是风力发电机的主要支撑结构,将风轮抬升到工作高度获得驱动发电机的能量。塔架重达百余吨,随着风力发电机功率的不断提高,塔架的重量也在随之增加。有关资料显示,风力发电机塔架的制造成本至少占总成本的18％。近年来,我国加大了风力发电的投入,年装机容量不断提高,作为风力发电大国,在保证塔架安全性能的前提下,优化塔架结构,降低塔架制造成本,对降低风力发电成本具有重要意义。 本文以国内主流1.5MW水平轴风力发电机传统圆锥式塔架及在圆锥式塔架设置预应力拉索的索塔式塔架为研究对象,采用大型有限元分析软件ANSYS对圆锥式塔架及索塔式塔架进行静力强度及稳定性分析,动力特性分析,地震时程分析,并将两塔架的相关指标进行对比,为索塔式塔架的进一步优化提供依据。 1)静力强度分析与对比。对两塔架在三种工况下进行静力分析,得到两者的应力及位移指标,同一工况下拉索的设置有效的限制了塔架的水平位移,索塔式塔架的最大等效应力小于圆锥式塔架,但同样由于拉索竖向分力的存在,使塔架基础的等效应力大于圆锥式塔架基础。 2)屈曲稳定性分析与对比。在静力分析的基础上对两塔架进行屈曲稳定性分析,得到相应的屈曲模态及振型,两塔架的安全系数均大于1,满足稳定性要求,同一工况下,索塔式塔架的安全系数大于同阶的圆锥式塔架,说明索塔式塔架的稳定性得到很大提升。 3)动力特性分析与对比。分别对索塔式塔架和圆锥式塔架进行动力特性分析,确定两塔架的固有频率及其模态振型,索塔式塔架的各阶固有频率均大于同阶的圆锥式塔架,但两者均满足风力发电机塔架结构对频率设计的要求。 4)地震时程分析与对比。选用两条经典地震波及一条人工合成地震波对两塔架进行时程分析,确定两塔架在地震作用下的应力和位移分布,索塔式塔架的顶端最大位移小于圆锥式塔架的顶端最大位移,塔架在地震作用下的位移较在风荷载下的位移小得多。索塔式塔架的最大应力大于圆锥式塔架的最大应力,索塔式塔架的最大应力出现在拉索与塔架的连接处,圆锥式塔架的最大应力出现在塔架顶端,但两塔架的对大应力均远小于材料许用应力。 由于本文的索塔式塔架仍采用原有圆锥式塔架的体型和参数,结构的安全裕度较大,为寻求索塔式塔架的进一步优化提供了较大的空间。