风机塔筒预应力自振频率的计算方法

963 编辑：中冶有色技术网来源：中国船舶重工集团海装风电股份有限公司

2024-05-21 17:17:18

权利要求书： 1.一种风机塔筒预应力自振频率的计算方法，其特征在于，包括：S1：将实际塔筒空间结构简化为垂直于地面的塔筒平面结构，以塔筒底面中心点为原点、主风向为x轴以及竖直方向为z轴，构建单自由度体系力学模型；

S2：设定所述塔筒平面结构的弯曲刚度EI(z)及质量密度m(z)，其中，所述弯曲刚度EI(z)及质量密度m(z)均沿竖直方向呈线性变化；

S3：将塔筒顶部的发动机及轮毂简化为集中质量M，其对塔筒的预应力为集中质量自重产生的竖直方向压力N＝Mg；

S4：根据Rayleigh能量法，求出风力机塔筒结构一阶预应力固有频率值。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述S4之前，还包括：S41：构造风机简化模型在水平向特定荷载下的变形形状函数ψ(z)：式中，z∈[0,H]，H为塔筒在竖直状态下的高度。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述S4之前，还包括：*

S42：求出风机塔筒简化模型的广义质量m：式中，ρ为材料密度，t为筒壁的加权平均厚度，D为塔筒底部的中直径，d为塔筒顶部的中直径，m′为法兰盘和顶部机舱、发动机及螺栓质量总和，H为塔筒在竖直状态下的高度。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述S4之前，还包括：S43：求出风机塔筒简化模型的广义弯曲刚度k*：式中，E为材料的弹性模量，H为塔筒在竖直状态下的高度，为塔筒截面的平均等效惯性矩；

其中，塔筒截面的平均等效惯性矩

式中，D为塔筒底部的中直径，d为塔筒顶部的中直径，t为筒壁的加权平均厚度。

5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述S4之前，还包括：S44：求出风机塔筒简化模型的广义几何刚度

6.根据权利要求5所述的计算方法，其特征在于，所述S4之前，还包括：S45：求出风机塔筒简化模型的联合广义刚度

7.根据权利要求1-6任一项所述的计算方法，其特征在于，所述一阶预应力固有频率值f：式中，ρ为材料密度，t为筒壁的加权平均厚度，D为塔筒底部的中直径，d为塔筒顶部的中直径，m′为法兰盘和顶部机舱、发动机及螺栓质量总和，E为材料的弹性模量，H为塔筒高度，为塔筒截面的平均等效惯性矩。

说明书：风机塔筒预应力自振频率的计算方法技术领域[0001] 本发明涉及的是风力发电机结构技术领域，具体涉及一种风机塔筒预应力自振频率的计算方法。

背景技术[0002] 因风能具有可再生、无污染、广分布、低成本等突出优势，近年来，风力发电在各国得到了持续关注和重点发展。从上世纪90年代起，锥台型的钢管塔筒由于安装及维护简单、刚度大、登塔安全等特点，逐渐成为当前风力机的主流塔架结构形式。

[0003] 风力机塔筒由数段钢制锥筒组成，各段通过螺栓和法兰连接，其质量主要集中于塔筒顶部，以一阶振型控制为主。塔筒在长期服役过程中，一方面，风荷载、波浪荷载会使塔架一直处于小振状态；另一方面，飓风、地震等作用可引发塔架剧烈颤振变形，可能出现整

个风力机组损毁的灾难性事故。因此，掌握塔筒的动力特性对保障其服役期安全至关重要。

[0004] 由于锥台型塔筒由数段钢制锥筒组成，每段锥筒的直径、壁厚并不一致，除此之外，对于质量主要集中于塔筒顶部的风力发电机来讲，机头载荷作用下会产生应力和预变

形，导致塔筒刚度变化，进而影响塔筒模态频率与振型。

[0005] 由于风力发电机塔筒固有频率受多重因素的影响，目前没有可套用的风力发电机塔筒预应力固有频率的计算方法，对掌握塔筒的动力特性带来难度。

[0006] 因此，如何实现对风机塔筒预应力自振频率的计算，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容[0007] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种风机塔筒预应力自振频率的计算方法，可以实现对风机塔筒预应力自振频率的计算。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0009] 一种风机塔筒预应力自振频率的计算方法，包括：[0010] S1：将实际塔筒空间结构简化为垂直于地面的塔筒平面结构，以塔筒底面中心点为原点、主风向为x轴以及竖直方向为z轴，构建单自由度体系力学模型；

[0011] S2：设定所述塔筒平面结构的弯曲刚度EI(z)及质量密度m(z)，其中，所述弯曲刚度EI(z)及质量密度m(z)均沿竖直方向呈线性变化；

[0012] S3：将塔筒顶部的发动机及轮毂简化为集中质量M，其对塔筒的预应力为集中质量自重产生的竖直方向压力N＝Mg；

[0013] S4：根据Rayleigh能量法，求出风力机塔筒结构一阶预应力固有频率值。[0014] 优选地，所述S4之前，还包括：[0015] S41：构造风机简化模型在水平向特定荷载下的变形形状函数ψ(z)：[0016][0017] 式中，z∈[0,H]，H为塔筒在竖直状态下的高度。[0018] 优选地，所述S4之前，还包括：[0019] S42：求出风机塔筒简化模型的广义质量m*：[0020][0021] 式中，ρ为材料密度，t为筒壁的加权平均厚度，D为塔筒底部的中直径，d为塔筒顶部的中直径，m′为法兰盘和顶部机舱、发动机及螺栓质量总和，H为塔筒在竖直状态下的高

度。

[0022] 优选地，所述S4之前，还包括：[0023] S43：求出风机塔筒简化模型的广义弯曲刚度k*：[0024][0025] 式中，E为材料的弹性模量，H为塔筒在竖直状态下的高度，为塔筒截面的平均等效惯性矩；

[0026] 其中，塔筒截面的平均等效惯性矩[0027][0028] 式中，D为塔筒底部的中直径，d为塔筒顶部的中直径，t为筒壁的加权平均厚度。[0029] 优选地，所述S4之前，还包括：[0030] S44：求出风机塔筒简化模型的广义几何刚度[0031][0032] 优选地，所述S4之前，还包括：[0033] S45：求出风机塔筒简化模型的联合广义刚度[0034][0035] 优选地，所述一阶预应力固有频率值f：[0036][0037] 式中，ρ为材料密度，t为筒壁的加权平均厚度，D为塔筒底部的中直径，d为塔筒顶部的中直径，m′为法兰盘和顶部机舱、发动机及螺栓质量总和，E为材料的弹性模量，H为塔筒高度，为塔筒截面的平均等效惯性矩。

[0038] 本发明提供的风机塔筒预应力自振频率的计算方法，可以实现对风机塔筒预应力自振频率的计算，能够便于掌握塔筒的动力特性。

附图说明[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本

发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据

提供的附图获得其他的附图。

[0040] 图1为本发明所提供计算方法的总流程图；[0041] 图2为本发明中简化实际塔筒结构为广义分布柔性单自由度体系的模型示意图；[0042] 图3为本发明构造风机简化模型在水平向特定荷载下的变形形状函数的原理示意图；

[0043] 图4为本发明所提供计算方法所应用的3.2MW的风力发电机结构示意图。具体实施方式[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于

本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他

实施例，都属于本发明保护的范围。

[0045] 本发明的核心是提供一种风机塔筒预应力自振频率的计算方法，可以实现对风机塔筒预应力自振频率的计算。

[0046] 本发明所提供风机塔筒预应力自振频率的计算方法的一种具体实施例中，包括以下步骤：

[0047] S1：将实际塔筒空间结构简化为垂直于地面的塔筒平面结构，以塔筒底部为原点、水平方向为x轴以及竖直方向为z轴，构建单自由度体系力学模型。

[0048] 其中，真实风力机塔架结构属于无限自由度的结构体系，按照广义分布柔性的力学原理，可将其简化为单自由度体系。如图2所示，塔筒平面结构为z轴-x轴平面坐标系中的

二维平面结构。取塔筒底面中心点为坐标原点，沿竖直方向为z轴，沿主风向为x轴，主风向

具体可以为水平方向。

[0049] S2：设定所述塔筒平面结构的弯曲刚度EI(z)及质量密度m(z)。[0050] 其中，弯曲刚度EI(z)和质量密度m(z)均沿塔筒高度方向具有变化，高度方向即竖直方向。

[0051] S3：将塔筒顶部的发动机及轮毂简化为集中质量M，其对塔筒的预应力为集中质量自重产生的竖直方向压力N＝Mg。

[0052] 其中，塔顶在T时刻、x向位移为X(T)，而在在T时刻、高度为z处塔筒x向位移为v(z，T)。[0053] S4：根据Rayleigh能量法，求出风力机塔筒结构一阶预应力固有频率值。[0054] 基于以上S1至S3的假定，为Rayleigh能量法的使用提供基础，进而可以求出风力机塔筒结构一阶预应力固有频率值，能够求解目前没有系统给出风机塔筒结构的一阶预应

力固有频率的工程解析解。该方法具体可以应用于陆上风力发电机或海上风力发电机。

[0055] 进一步地，在S4之前，还包括：[0056] S41：构造风机简化模型在水平向特定荷载下的变形形状函数ψ(z)，其中，风机塔筒结构被简化为悬臂柱，由材料力学可知，在水平均布荷载q作用下，悬臂柱自由端产生的

挠曲线如图3所示，其形状函数为ψ(z)：

[0057][0058] 其中，ZH(T)为塔筒在T时刻、高度H处的x向位移，[0059] 式中，z∈[0，H]，H为塔筒在竖直状态下的高度，即不被吹弯时的高度。[0060] 进一步地，在S4之前，还包括：[0061] S42：求出风机塔筒简化模型的广义质量m*：[0062][0063] 式中，ρ为材料密度，t为筒壁的加权平均厚度，D为塔筒底部的中直径，d为塔筒顶部的中直径，m′为法兰盘和顶部机舱、发动机及螺栓质量总和；

[0064] 其中，筒壁的加权平均厚度t：[0065][0066] 其中，n为正整数，具体可以根据实际情况进行选取。[0067] 进一步地，所述S4之前，还包括：[0068] S43：求出风机塔筒简化模型的广义弯曲刚度k*：[0069][0070] 式中，E为材料的弹性模量，H为塔筒高度，为塔筒截面的平均等效惯性矩；[0071] 其中，塔筒截面的平均等效惯性矩[0072][0073] 进一步地，所述S4之前，还包括：[0074] S44：求出风机塔筒简化模型的广义几何刚度[0075][0076] 式中，N为集中质量M对塔筒的预应力，其表达式为N＝Mg。[0077] 进一步地，所述S4之前，还包括：[0078] S45：求出风机塔筒简化模型的联合广义刚度[0079][0080] 进一步地，一阶预应力固有频率值f具体为：[0081][0082] 本实施例中，对于给定的风力发电机塔筒结构，可任意改变塔筒的高度、截面尺寸、筒壁厚度、分段材料参数、塔筒机头预压力参数等，利用以上公式能够快速得到风力机

塔筒弯曲振动的一阶预应力固有频率值，解决了目前对给定不同高度、截面尺寸、机头预压

力及不同分段材料参数的风机塔筒没有可以套用的一阶预应力固有频率的计算公式或方

法的问题。

[0083] 上述实施例中提供计算方法的一种具体应用过程如下：[0084] 以图4所示的3.2MW的风力发电机为例，给出其广义质量、广义弯曲刚度、广义几何刚度、联合广义刚度，并通过Rayleigh能量法得到风力机塔筒结构一阶预应力固有频率值

的计算，该方法适用于不同分段长度、不同截面尺寸及不同筒壁厚度、机头预压力的风力机

塔筒结构。

[0085] 海装3.2MW陆上风机塔筒为变截面变壁厚薄壁钢结构，高96.7m，分为5段。风机风轮的质量为96.51t，机舱的重量为126.75t，总重为223.26t，法兰盘及塔筒重量为250.76t。

[0086] 底座第1节段，高11.2m。该节段底部中直径为4.244m，顶部中直径为4.240m，底部壁厚55mm，上部壁厚35mm。

[0087] 中间2节段，高15.7m。该节段底部中直径为4.240m，顶部中直径为4.205m，底部壁厚35mm，上部壁厚26mm。

[0088] 中间3节段，高22.2m。该节段底部中直径为4.205m，顶部中直径为4.140m；底部壁厚26mm，上部壁厚19mm。

[0089] 中间4节段，高22.1m。该节段底部中直径为4.140m，顶部中直径为4.040m；底部壁厚19mm，上部壁厚14mm。

[0090] 顶部5节段，高23.9m。该节段底部中直径为4.040m，顶部中直径为3.943m，底部壁厚14mm，上部壁厚11mm。

[0091] 在各分节段之间，采用法兰盘进行连接，第1、2节之间的法兰盘厚度为150mm，螺孔数量为126个，2、3节之间的法兰盘厚度为125mm，螺孔数量为92个，3、4节之间的法兰盘厚度为90mm，螺孔数量为96个，4、5节之间的法兰盘厚度为75mm，螺孔数量为88个。

[0092] 在各分节段之间，采用法兰盘进行连接，第1、2节之间的法兰盘厚度为150mm，螺孔数量为126个，2、3节之间的法兰盘厚度为125mm，螺孔数量为92个，3、4节之间的法兰盘厚度为90mm，螺孔数量为96个，4、5节之间的法兰盘厚度为75mm，螺孔数量为88个。

[0093] 表1：海装3.2MW陆上风机塔筒的质量统计[0094][0095] 表2：塔筒的相关材料参数[0096][0097] 计算塔筒的加权平均厚度：[0098][0099] 计算塔筒的等效惯性矩：[0100][0101] 计算塔筒的广义质量：[0102][0103] 计算塔筒的联合广义刚度：[0104][0105] 计算风力机塔筒结构一阶预应力固有频率值：[0106][0107] 采用ANSYS软件建立有限元模型进行风力机塔筒结构一阶预应力固有频率数值解：

[0108] 表3：解析法与数值法一阶预应力固有频率对比[0109][0110] 需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和

操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，相同字母符号定义相同。

[0111] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具

体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

[0112] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0113] 以上对本发明所提供的风机塔筒预应力自振频率的计算方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于

帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在

不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落

入本发明权利要求的保护范围内。