大型水平轴风力机塔筒涡激振动焊缝疲劳分析

为了实现大型水平轴风力机塔筒在涡激振动下的抗疲劳设计,提出综合GL 2010认证规范、德国标准等的校核方法。分析对比有限元法和GH Bladed软件下的塔筒动态固有特性结果。基于DIN 4133标准,分析得到涡激振动下的塔筒截面惯性力和附加弯矩。采用工程算法计算得到塔筒截面应力变程,推导涡激振动引起的疲劳损伤表达式。以某2.0 MW水平轴风力机塔筒为对象,计算不同方案下的疲劳损伤值,分析沿塔筒高度方向的损伤分布规律。为风力机塔筒涡激振动引发的疲劳损伤分析提供实用分析方法。     

风力发电机组塔筒涡致横振研究

文章应用计算流体力学(CFD)及有限元数值分析方法分析了FD82E型2MW抗台风机组的塔筒横向振动问题。根据雷诺相似准则,通过CFD方法研究了涡激振动产生的升、阻力系数及其频率同雷诺数的关系。运用有限元方法计算了塔筒的模态,分析了塔筒在涡激振动下的谐响应,并校核了激振力导致共振时塔筒结构的安全性。对机组吊装的风速条件进行论证分析,为现场吊装提供理论依据。     

SPAR型浮式风力机涡激特性研究及系缆疲劳评估

以5 MW的SPAR型基础浮式风力机为研究对象,提出一种考虑涡激运动的风力机系缆疲劳评估计算方法。应用ADINA软件,对不同流速下的圆柱二维绕流、涡激运动进行数值模拟,分析不同流速情况下风力机涡激运动的轨迹、升力阻力系数和涡激效应引起的系缆张力变化。基于FAST软件,根据南海海域风/浪的长期分布表分析风/浪联合作用下的系缆张力变化。基于雨流计数法、S-N曲线、Miner线性累积损伤理论分析SPAR风力机在风载荷、浪载荷、涡激载荷作用下的系缆张力和疲劳寿命。结果表明,对于浮式风力机而言,考虑涡激效应的系缆疲劳寿命更贴近实际情况。     

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。     

大型水平轴风力机塔筒焊缝强度分析

为实现某大型水平轴风力机塔筒截面焊缝强度设计,介绍了DIN18800-4应力计算的工程算法,针对2.0 MW直驱型风力机塔筒某一截面进行极限强度校核。根据疲劳载荷分类,提出等效疲劳损伤和时序疲劳损伤两种不同计算方法。推导了等效疲劳载荷、等效疲劳应力与等效疲劳损伤的计算公式。针对某一截面对等效疲劳损伤和时序疲劳损伤进行分析计算和结果对比,给出两者等价性条件与适用条件。结果表明,被校核的截面焊缝满足强度设计要求。提出的方法在大型水平轴风力机塔筒截面焊缝极限强度与疲劳强度分析上具有可行性和有效性。     

低风速型风电机组高柔塔筒涡激振动疲劳损伤评估

为实现低风速型风电机组高柔塔筒抗疲劳设计，以某140 m柔塔机组为研究对象，采用欧盟标准EN 1991-1-4推荐的有效相关长度法和频谱模型法，开展涡激振动疲劳损伤评估。基于有限元法建模获取结构固有模态属性；由疲劳应力-寿命（S-N）曲线、风速瑞利分布和Miner法则推导塔筒疲劳应力范围和损伤规则；对比分析柔塔与刚塔两类机型临界风速分布和焊缝疲劳损伤分布。结果表明：柔塔更易激发二阶涡激振动，二阶涡激载荷显著增大，其损伤对不同风场条件（年平均风速、风切变）极为敏感；在6.5 m/s设计风速下，45%～85%塔筒高度处疲劳损伤均超过IEC 61400-6塔架与基础设计要求20年损伤限值0.1，存在疲劳破坏风险，须考虑加阻措施或优化结构设计。     

5MW风力机塔影效应双向流固耦合分析

为了分析塔影效应对兆瓦级风力机的影响,以NREL 5 MW大型风力机为研究对象进行了风力机双向流固耦合的数值模拟。结果表明:塔筒会导致风力机叶片气动载荷的波动程度增加,叶轮受到的周向转矩与轴向推力的波动幅度是无塔筒时的3倍以上,这导致在风力机运行过程中叶轮和叶片产生的形变和应力波动加剧,且数值在总体上也有所增大,说明有塔筒时叶轮的运行状态更不稳定,塔影效应对风力机的稳定性有不利影响。     

大型水平轴风力机塔筒门洞的强度研究

为了实现某大型水平轴风力机塔筒底部门洞的抗极限与疲劳强度设计,基于热点应力法,建立塔筒门洞的有限元模型,并应用疲劳分析软件,分析计算得到门洞焊趾处的极限与疲劳强度。在此基础上,考察门洞结构参数如门框宽度、门框长度、塔筒壁厚对焊趾疲劳损伤的影响,并给出相应的结构优化方案。结果表明,所提出的方法在大型水平轴风力机塔筒门洞设计上具有可行性和有效性。     

随机风场作用下海上风力机基础结构疲劳分析

运用FAST分别建立海上风力机半整体模型与整体耦合模型,计算得到脉动风速时程作用下塔筒顶部位置的风力机荷载。首先采用SACS建立包括塔筒和基础结构的海上风力机简化有限元模型,分别施加基于半整体和整体耦合模型得到的风力机荷载时程,开展支撑结构动力响应计算;再采用海上风力机规范建议的热点应力公式确定基础结构管节点的热点应力时程,采用P-M线性累积准则完成海上风力机基础结构疲劳分析。基于半整体模型与整体耦合模型的疲劳损伤对比得出,有必要采用整体耦合模型开展海上风力机基础结构疲劳校核。     

基于流固耦合的风力机塔筒动态特性分析

塔筒动态特性分析对风力发电机的振动设计起着关键作用。文章以1.5 MW风力发电机塔筒为研究对象,将叶片旋转和随机风载荷作为载荷输入条件,建立风力机塔筒叶片旋转载荷模型、流固耦合风载荷模型、结构动力学方程,分析计算得到随机载荷下叶片旋转和风载共同作用时,风力机塔筒动态特性评估方法。     

水平轴风力机塔筒近尾迹流场PIV实验研究

应用PIV粒子图像测速技术,在风洞中测量水平轴风力机模型塔筒的近尾迹流场。通过对模型风力机在不同运行尖速比下、不同叶高平面内的塔筒近尾迹速度场和涡量场的分析,得到了塔筒近尾迹流场的结构特征,为水平轴风力机气动设计、性能预测及CFD数值模拟提供了依据。实验结果表明,受到风轮旋转效应的影响,在水平轴风力机塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹在水平面内向一侧明显偏转,近尾迹流场相对塔筒中心轴面呈非对称分布。随着尖速比的减小,塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹涡流宽度逐渐增大,且尾迹向一侧偏转的程度也越大。风力机叶片对塔筒近尾迹涡流的影响,在叶根部位高度平面内尤为显著,随着叶片高度的增加,叶片对塔筒近尾迹涡流的影响逐渐减弱。     

风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接疲劳性能研究

提出一种矩形钢管混凝土束风力机塔筒结构，并对该塔筒结构双盖板穿芯螺栓连接节点进行高周疲劳试验和有限元分析，得到节点的疲劳破坏模式和疲劳寿命。结果表明：矩形钢管混凝土束风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接节点疲劳破坏模式为高强螺栓受剪破坏，破坏集中在钢板连接处。螺栓在钢砼连接面和螺帽处产生疲劳裂纹，在剪切疲劳作用下，穿芯螺栓断裂为3段。有限元分析表明，螺栓规格对试件疲劳性能影响较大，增加螺栓直径，能提高节点的疲劳寿命，但疲劳极限值会减小；盖板厚度对疲劳性能影响不明显。     

基于致动线和大涡模拟的不同入流风况下的风力机尾流特性研究

风力机的尾流效应是风电场规划与设计中需要考虑的重要因素之一,准确评估风电场的尾流效应对于风电场微观选址、保障机组运行安全、提高风电场经济效益有着重要的意义。文章以NREL 5 MW风力机为对象,基于致动线和大涡模拟方法,研究其在均匀入流和切变入流等不同风况下风力机的尾流特性,入流风况分别为在不同风速下的均匀大气入流和在不同地表粗糙度情况下的切变大气入流。研究结果表明:入流风速增大,尾流区螺旋状叶尖涡的涡间距增大,尾流速度恢复的距离越长;地表粗糙度长度增加,在塔筒竖直方向内相同高度对应的风速减小,导致塔筒产生的阻力减小,风力机塔筒形成的涡更容易发生脱落和破裂,进而导致脱落涡的涡量值增加。研究结果有助于准确地理解风力机尾流发展变化规律,为风电场微观选址、风力机功率预测等工作提供理论支持。     

大型垂直轴风力机的塔影效应分析

塔影效应对大型垂直轴风力机的流场有显著影响,研究大型垂直轴风力机的塔影效应具有重要应用价值。采用雷诺时均(RANS)方法,在剪切流大气环境下,计算分析5 MW大型垂直轴风力机的功率、转矩、切向力、法向力和表面压力,揭示了塔筒对大型垂直轴风力机的塔影效应。计算结果显示:塔影效应会明显降低垂直轴风力机的平均功率系数,在270～280°相位角附近显著降低叶片前缘的负压强度和负压范围;随着塔筒直径的减小,叶片前缘的负压强度和负压区范围增大,转矩系数的波动幅度减小,单叶片转矩系数增大,叶片空气动力性能改善,发电效率提高。相关结论对大型垂直轴风力机的设计具有一定参考价值。     

半潜式海上风力机涡激运动试验研究

采用水槽模型试验的方法测试半潜式海上风力机在不同流向角下的涡激运动特征,并从响应幅值、运动频率等角度对其涡激运动的关键特征进行分析研究。结果表明:在不同来流方向情况下,半潜式海上风力机均未发生明显的频率锁定现象,但可根据质心运动轨迹等现象界定传统意义上锁定区域范围;根据运动频率特征可把半潜式海上风力机基础结构的涡激运动过程大体分为3个阶段,且各流向角情况下风力机运动频率规律类似,而响应幅值出现明显区别:流向角为0°或15°时,结构的响应幅值随约化速度的增大近似呈线性增大的趋势;流向角为30°或45°时,结构在锁定区域内的运动响应则出现明显的共振现象。艏摇运动固有频率对风力机涡激运动基本无影响,艏摇运动频率与横荡运动基本保持一致。15°流向角的多个约化速度下观察到“自激”现象,并对此现象做出初步解释。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

风力机叶片两点激励疲劳试验系统设计与特性分析

基于电驱惯性式激振装置,采用能量法计算能耗及动力参数,匹配叶片试验弯矩载荷,设计出一种两点激励共振型风力机叶片疲劳试验系统。建立两点激励加载试验系统的动力学模型,并结合三相永磁同步电机的在d-q坐标系下的状态方程,联合构建系统的机电耦合方程,利用Matlab软件建立仿真模型进行数值仿真分析,得到系统耦合振动过程基本规律。构建两点激振惯性加载系统进行兆瓦级风力机叶片加载试验,验证数学模型及仿真分析的结果,为叶片疲劳试验系统及控制算法设计提供指导。     

风力机叶片摆锤共振疲劳加载系统及控制研究

分析疲劳加载过程中摆锤受叶片振动影响的运动规律,利用能量法进行系统动力参数匹配计算,设计一套摆锤共振型大型风力机叶片疲劳加载系统。利用激光测距传感器获取加载点振幅为控制参数,以振幅偏差为偏差变化率输入,加载频率为输出建立模糊控制系统,控制器对振幅变化数据进行采集、存储与分析,并搜索跟踪共振频率,驱动变频电机实现叶片等幅稳定振动。现场试验结果表明,叶片加载载荷更均匀,控制过程稳定可靠,共振时叶片加载点振幅误差保持在±5%之内,为风力机叶片疲劳加载提供了理论基础与试验依据。     

风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

波浪对海上大型风力机筒形塔架的影响

文章利用梁单元对海上风力机筒形塔架进行有限元建模,并建立了塔架动力学运动方程。阐述了海上风力机塔架所受Kaimal湍流风模型和Pierson-Moskowitz波浪谱模型,并对风载荷、波浪载荷和海流载荷进行了详细分析。基于某6.0 MW海上大型风力机塔架的动力响应计算,分析了极限和疲劳工况下波浪对塔架顶端振动位移和塔底载荷的影响程度,为海上风力机筒形塔架设计提供了参考。