计算实例：1.5MW风力发电机组塔架的优化设计

本文以某S级1.5MW变速恒频风力发电机组塔架为例对塔架进行计算。原始数据如下：风密度ρ=1.225Kg/m³，机舱及风轮重心高度Z_hub=64.876m，机舱重心位置（相对于塔架底部中心）：X=-0.61m，Y=0.0366m，Z=64.876m。塔架高度Z_t=63.1m，顶部直径d₁=2.56m，底部直径d₂=4.26m，塔筒的投影面积A_t=215.17m²。取暴风时最大风速v_e50=50m/s，基本风压ω₀=0.55，风轮直径D=70.5m，叶片的投影面积207m²，机舱顺风向迎风面积修正系数K₁=0.91，机舱顺风向迎风面积S₁=12.17×K₁=11.07m²，机舱侧风向迎风面积修正系数K₂=0.95，机舱侧风向迎风面积S₂=28×K₂=26.6m²。

1.在暴风风速时塔筒载荷

塔筒为圆锥体，可近似看作一个剖面形状为圆的二维柱体，筒体绕流阻力系数C_D=0.7，载荷集中作用于塔筒高度中心。

2.暴风时机舱气动载荷计算

风为顺风向时，机舱可近似视为一个三维的立方体，阻力系数取C_D=1.0，作用点位置为机舱外形顺风向投影的形状的形心。

风为侧向流时，机舱可近似看作一个剖面形状为正方形的二维柱体，阻力系数取C_D=2.0，作用点位置（相对于塔架底部中心）：X=1.3m，Y=0，Z=64.876m。

3.风轮产生的载荷

风力发电机正常工作时，切出风速ν_out=25m/s，则作用在风轮上的面载荷与风速、风的密度、风压高度变化系数、风载荷体型系数和风振系数有关。按《载荷规范》规定，垂直于结构表面上的风载荷标准值，应按下述公式计算

式中 ω_k——风载荷标准值，单位为kN/m²；

μ_s——风载荷体型系数；

μ_z——风压高度变化系数；

β_z——z高度处的风振系数；

C_T——推力系数，C_T=β_zμ_sμ_z；

ρ——为空气质点密度，单位为t/m³；

v——为风速，单位为m/s。

风能利用系数C_p在理论上的最大值为0.593，这个数值称为贝兹极限。传统风车的风能利用系数不到20％，低速风力机约30％，新式的高速风力机可达40％左右，目前最先进的风机的利用系数可达到0.45，风轮的迎风面积S=πD²/4，则作用在风轮上的风力标准值为

在暴风作用下，风轮已停止转动，此时作用在风轮上的风压力按1984年丹麦风电专家彼得森推荐的公式。其中推力系数取C_T=1.6，叶片的投影面积A_b，叶片数N_b取3，则

式中 C_T——推力系数，取1.6；(www.xing528.com)

A_b——单个叶片的投影面积；

N_b——叶片数，一般为3；

γ_s——风载分项系数，取1.4；

v_e50——50年一遇最大风速；

ρ——叶轮中心处的空气密度。

4.风轮机舱自重

F_r=G₁+G₂=170×9.8=1666kN

5.塔架静力验算

F_xr=F_S+F_顺=955.9+16.95=972.85kN

塔架底部的水平剪力

F_x=F_ts+F_顺+F_s=230.635+16.95+955.9=1203.48kN

塔架底部的弯矩

代入公式

塔架的材料为Q345钢材，采用的安全系数为1.1，则许用应力为282MPa。满足要求。塔架的最大位移为

塔架的许用挠度[w]控制在（0.5％～0.8％）H，最大位移为0.112m，满足要求。塔架的最大倾角为

塔架的许用挠度[w]控制在（0.5％～0.8％）H范围内，进行倾角换算后叶片的倾角范围为（0.24％～0.38％）H弧度，本例的最大转角限制为0.217rad，满足要求。