風力發(fā)電機塔架結構模型設計與制作

1、風力發(fā)電塔架結構風力發(fā)電塔架結構模型設計與制作模型設計與制作 風力發(fā)電塔架結構風力發(fā)電塔架結構模型設計與制作模型設計與制作 1. 風力發(fā)電塔架風力發(fā)電塔架 2. 設計方案的制定設計方案的制定 3. 計算書計算書 4. 塔架模型結構的計算簡介塔架模型結構的計算簡介 制作由汪老師介紹制作由汪老師介紹 （廖力）（廖力） 1. 風力發(fā)電塔架風力發(fā)電塔架 風能作為一種清潔的可再生能源，越來越風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為能約為2.74109MW，其中可利用的風能為，其中可利用的風能為2107MW，比地球上可開發(fā)利

2、用的水能總量，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大還要大10倍。倍。早期的風能利用早期的風能利用-風車風車主要是通過風車來抽水、磨面等主要是通過風車來抽水、磨面等人們感興趣的是如何利用風來發(fā)電。上世人們感興趣的是如何利用風來發(fā)電。上世紀三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應紀三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應用航空工業(yè)的旋翼技術，成功地研制了一用航空工業(yè)的旋翼技術，成功地研制了一些小型風力發(fā)電裝置。當時的發(fā)電量較低，些小型風力發(fā)電裝置。當時的發(fā)電量較低，大都在大都在5千瓦以下。千瓦以下。 上世紀七十年代，風力發(fā)電發(fā)展很快。上世紀七十年代，風力發(fā)電發(fā)展很快。1978年，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成年

3、，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成了了200千瓦風力發(fā)電機，其葉片直徑為千瓦風力發(fā)電機，其葉片直徑為38米。米。丹麥日德蘭半島西海岸投入運行的風力發(fā)電丹麥日德蘭半島西海岸投入運行的風力發(fā)電裝置，其發(fā)電量則達裝置，其發(fā)電量則達2000千瓦，風車高千瓦，風車高57米。米。 進進入入2121世世紀，紀，我我國國風風力力發(fā)發(fā)電電有有了了長長足足的的發(fā)發(fā)展。展。風力發(fā)電機組，風力發(fā)電機組，大體上可分轉葉大體上可分轉葉(包括尾舵包括尾舵)、發(fā)、發(fā)電機和塔架三部電機和塔架三部分。分。塔架是支承轉葉、塔架是支承轉葉、尾舵和發(fā)電機的結尾舵和發(fā)電機的結構。構。它一般修建得它一般修建得比較高，為的是獲比較高，為的是獲

4、得較大的和較均勻得較大的和較均勻的風力，又的風力，又要有足要有足夠的強度夠的強度。塔架高。塔架高度視地面障礙物對度視地面障礙物對風速影響的情況，風速影響的情況，以及轉葉的直徑大以及轉葉的直徑大小而定，一般在小而定，一般在6-20米范圍內。米范圍內。 目前的風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而目前的風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關系。率的大小與電瓶大小有更密切的關系。功率功率的大小更主要取決于風量的大小的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是，而不僅是機頭功率的大小。在內地，小的風力發(fā)電機機頭功率的大小。

5、在內地，小的風力發(fā)電機會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶動而發(fā)電，動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風更能供給較大的能量。更能供給較大的能量。一臺一臺200W風力發(fā)電風力發(fā)電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得獲得500W甚至甚至1000W乃至更大的功率輸出。乃至更大的功率輸出。 2. 設計方案的制定設計方案的制定 1、根據(jù)、根據(jù)使用要求使用要求，確定結構形式，和結，確定結構形式，和結構布局。構布局。塔架結構示意圖塔架結構示意圖 模 型 塔 架 高 度 為模 型 塔 架 高 度

6、為800mm ，平面尺寸不，平面尺寸不大于大于100mm100mm 機 艙 模 型 外 形 尺 寸 為機 艙 模 型 外 形 尺 寸 為200mm100mm95mm，重量預賽為，重量預賽為10kg, 決賽決賽為為12kg 2. 設計方案的制定設計方案的制定 1、根據(jù)、根據(jù)使用要求使用要求，確定結構形式，和結，確定結構形式，和結構布局。構布局。塔架結構示意圖塔架結構示意圖 550凹槽50100100圖2 機艙側視圖92底板92圖3 底板俯視圖 8孔洞機艙模型底部機艙模型底部設 置 一 凹 槽設 置 一 凹 槽100mm95mm5mm底板上留有四個底板上留有四個直徑為直徑為8mm的的貫穿孔洞貫穿孔

7、洞 2. 2. 設計方案的制定設計方案的制定修改設計修改設計 1、根據(jù)、根據(jù)使用要求使用要求，確定結構形式，和結，確定結構形式，和結構布局。構布局。盡量采用對稱布局。盡量采用對稱布局。初步設計：初步設計： 結構計算結構計算 3、繪制結構設計圖繪制結構設計圖 平面圖、側視圖，結構幾何尺寸，主要平面圖、側視圖，結構幾何尺寸，主要構件截面幾何尺寸。構件截面幾何尺寸。2、根據(jù)使用載荷，粗略的估算主要構件、根據(jù)使用載荷，粗略的估算主要構件截面的尺寸，進行初步設計。截面的尺寸，進行初步設計。載荷：機艙重量、風載荷載荷：機艙重量、風載荷2. 2. 設計方案的制定設計方案的制定 4、材料表包括：各種截面形式的

8、材料數(shù)、材料表包括：各種截面形式的材料數(shù)量，以及估算的模型重量。量，以及估算的模型重量。（竹材每立方厘米重約為（竹材每立方厘米重約為0.9克）克） 例：例：2號桿號桿截面截面4mm6mm長度長度200mm根數(shù)根數(shù)4 2 “結構設計競賽結構設計競賽”，強調的是，強調的是設計設計，而，而不僅僅是動手能力的比賽。不僅僅是動手能力的比賽。 計算書是結構計算、結構設計的依據(jù)計算書是結構計算、結構設計的依據(jù)，通過對通過對主要受力構件主要受力構件的計算，得出結構的的計算，得出結構的承載力和剛度承載力和剛度，解決好材料的用量與安全，解決好材料的用量與安全性間的矛盾。性間的矛盾。3. 3. 計算書計算書計算書主

9、要包括以下內容：計算書主要包括以下內容：一、結構的計算簡圖一、結構的計算簡圖二、材料的力學性能二、材料的力學性能三、主要承載構件的強度，剛度，穩(wěn)定性三、主要承載構件的強度，剛度，穩(wěn)定性 3. 3. 計算書計算書3. 3. 計算書計算書一、一、計算簡圖（計算模型）：計算簡圖（計算模型）： 結構的結構的幾何尺寸幾何尺寸，約束約束的情況，的情況，載載荷荷的大小、方向及作用位置，載荷的計的大小、方向及作用位置，載荷的計算方法等，主要受力構件（如：立柱、算方法等，主要受力構件（如：立柱、梁、板等）的梁、板等）的橫截面形狀、尺寸橫截面形狀、尺寸，所使，所使用的用的材料材料等。等。 3. 3. 計算書計算書

10、二、材料的力學性能二、材料的力學性能 根據(jù)選用的材料及其實驗資料根據(jù)選用的材料及其實驗資料（具有離散性）確定材料的許用應（具有離散性）確定材料的許用應力，彈性模量，等。力，彈性模量，等。 竹皮最大應力竹皮最大應力 =60MPa，彈性，彈性模量模量E=104MPa。 502膠水膠水三、主要承載構件的強度，剛度，穩(wěn)定性三、主要承載構件的強度，剛度，穩(wěn)定性 3. 3. 計算書計算書 強度強度：根據(jù)主要承載構件的：根據(jù)主要承載構件的內力內力，確定其確定其危險截面危險截面，根據(jù)危險截面的，根據(jù)危險截面的應應力分布力分布，確定，確定危險點危險點，根據(jù)危險點的，根據(jù)危險點的應力狀態(tài)應力狀態(tài)，確定構件的，確定

11、構件的強度強度。 剛度剛度：結構在載荷作用下，某些位置：結構在載荷作用下，某些位置和方向的和方向的位移或轉角位移或轉角代表。代表。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性：軸向受壓的桿軸向受壓的桿，要考慮穩(wěn)，要考慮穩(wěn)定性。定性。壓桿穩(wěn)定：壓桿穩(wěn)定： 臨界載荷臨界載荷Fcr FF大柔度（細長）壓桿：大柔度（細長）壓桿：22)( lEIFcr小柔度（短粗）壓桿：小柔度（短粗）壓桿：Fcr= sA, 強度控制強度控制pilAIi 中柔度壓桿（略）中柔度壓桿（略）PEP22)( lEIFcr壓桿兩端約束的影響：壓桿兩端約束的影響： 4.4.塔架模型結構塔架模型結構計算計算簡介簡介 模型計算可以是模型計算可以是比較精確的計算比較

12、精確的計算（對（對結構的力學模型的簡化較少），可以利用結構的力學模型的簡化較少），可以利用計算軟件計算。也可以通過簡化，對主要計算軟件計算。也可以通過簡化，對主要受力構件作受力構件作比較粗略的計算比較粗略的計算。4.4.塔架模型結構塔架模型結構計算計算簡介簡介以桁架設計方案為例：以桁架設計方案為例：桁架的特點：均為拉壓桿桁架的特點：均為拉壓桿受力均勻，能充分發(fā)揮材受力均勻，能充分發(fā)揮材料的作用。料的作用。機艙載荷：機艙載荷：F1風載荷：風載荷：F2北京地區(qū)基本風壓：北京地區(qū)基本風壓：q=300N/m2示意圖示意圖F1F2風機型號與參數(shù)風機型號與參數(shù)生產(chǎn)廠家：北京興華通風設備有限公司名稱：GXF

13、-B型高效低噪斜流風機型號：6-B轉速：1450r/min風量：11835m3/h全壓：556Pa功率：3kW重量：114kg間距：1m。4.4.塔架模型結構塔架模型結構計算計算簡介簡介1、空間結構、空間結構通用計算軟件：通用計算軟件：例如：例如：ANSYS 等等示意圖示意圖F1F24.4.塔架模型結構塔架模型結構計算計算簡介簡介或用小型軟件：或用小型軟件：SMSOLVER2、簡化為平面結構、簡化為平面結構F3F4立柱立柱腹桿腹桿4.4.塔架模型結構塔架模型結構計算計算簡介簡介疊加法疊加法3、簡化的計算、簡化的計算F1F2+4.4.塔架模型結構塔架模型結構計算計算簡介簡介1）只有）只有F1作用

14、作用3、簡化的計算、簡化的計算F1整個結構看成一整個結構看成一壓桿壓桿（忽略腹桿）（忽略腹桿）22)( lEIFcrpilxyAIi 壓桿的橫截面壓桿的橫截面PEP4.4.塔架模型結構塔架模型結構計算計算簡介簡介3、簡化的計算、簡化的計算F22）只有）只有F2作用作用整個結構看成一整個結構看成一懸臂梁懸臂梁（忽略腹桿）（忽略腹桿）xy梁的橫截面梁的橫截面M12 A12 AaaAM1212aAM將將1 ）與）與2）立）立柱的應力疊加柱的應力疊加3、簡化的計算、簡化的計算F1F2+顯然，高度不同，顯然，高度不同，立柱中的應力也立柱中的應力也不同。不同。計算各段立柱的計算各段立柱的軸向壓力，可按軸向壓力，可按兩端鉸支考慮穩(wěn)兩端鉸支考慮穩(wěn)定性。定性。3、簡化的計算、簡化的計算F1F2+不足之處：不足之處：腹桿的內力無法腹桿的內力無法計算。計算。對模型計算書要求對模型計算書要求 計算書在寫作上，應該盡量作到，計算書在寫作上，應該盡量作到，敘述清敘述清楚、簡明，有條理，能說明問題楚、簡明，有條理，能說明問題，作為，作為技術檔技術檔案案，是模型制作的依據(jù)，不僅要自己能看得懂，是模型制作的依據(jù)，不僅要自己能看得懂，也要別人能看得懂。也要別人能看得懂。圖圖文并茂最好。文并茂最好。切記切記：不