风力发电机传动系统随机风速下的载荷特性研究

根据随机风速模拟方法、风力机气动载荷计算方法、发电机矢量控制方法和风力发电机传动系统的机电耦合模型,建立了风力发电机传动系统在随机风速下的载荷模型,利用该模型对风力发电机进行实例计算,得到了风力发电机传动系统随机载荷的有效样本。随机风速序列和随机载荷序列的对比分析表明,随机载荷序列与随机风速序列有相同的变化趋势和较好的相关性,并有类似的频谱特性,从而为进一步研究风力发电机传动系统在复杂工况下的载荷变化规律及进行载荷谱的编制奠定了基础。     

随机风作用下风力发电机齿轮传动系统动载荷计算及统计分析

针对风力发电机齿轮传动系统在随机风作用下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立考虑外部随机风载及内部齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度及综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力。结合有限单元法和赫兹接触理论,得到关键零部件的应力时间历程,采用雨流计数法对应力时间历程进行统计分析,得到传动系统各关键零部件承受载荷的应力谱及概率分布函数。研究结果为风力发电机齿轮传动系统的动态可靠性分析和疲劳寿命预测奠定基础。     

风力机结构动力学新模型与动态响应求解计算

由于风力机所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,风力机在随机风载荷下的动力学行为分析一直是风电行业急需解决的难题之一。采用刚体有限元法,将柔性塔架与叶片通过刚体单元与弹性阻尼节点进行离散,建立了风力发电机结构动力学新模型,利用模态叠加原理与Newmark法对动态特性进行了求解计算,编制相应的MATLAB仿真程序。以某型NERL 1.5MW风力发电机组为例,研究了固有频率及振型,湍流风条件下的位移、速度响应。计算结果同风力机软件GH-Bladed数据对比。结果表明:刚体有限元法建立的动力学模型准确可靠,适用于风力发电机的动力学分析计算。     

随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统动态可靠性分析

运用最小二乘支持向量机(Sparse least squares support vector machines,SLS-SVM)机器学习方法建立风场随机风速模型,根据随机风速模型和空气动力学理论得到随机风引起的系统外部载荷激励,建立考虑齿轮时变啮合刚度和滚动轴承时变刚度的风力发电机行星齿轮传动系统齿轮—轴承耦合动力学模型,并对动力学模型进行仿真计算,分别得到各齿轮副的动态啮合力和滚动轴承动态接触力。以此为基础,将载荷作用过程视为随机过程,推导出随机载荷作用下的等效载荷累计分布函数。根据应力—强度干涉理论建立风力发电机齿轮传动系统各齿轮和轴承的动态可靠性模型,利用二阶矩和摄动方法求出各齿轮、轴承的动态可靠性指标,并计算出动态可靠度,研究各齿轮、轴承和传动系统的动态可靠度随时间的变化规律,为风力发电机齿轮传动系统动态可靠性设计奠定了基础。     

水平轴风力发电机主要载荷的确定方法

水平轴风力发电机（下称风力机）运行在复杂的自然环境中,所受载荷情况非常复杂。根据风力机系统的结构形式、运动特点和计算需要,建立了坐标系系统。在这个坐标系系统下,讨论了风力机主要载荷的确定方法。     

地震及多风况下风力机塔架动力响应

为分析不同风速的湍流风与地震联合作用下大型风力机塔架动力学响应,以美国可再生能源实验室(NREL) 5 MW风力机为研究对象,基于考虑土-构耦合效应的Wolf理论,利用动态入流理论及Prandtl理论修正的叶素动量理论计算气动力,基于FAST软件预留数据接口开发了地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震联合作用下的风力机仿真模型;计算了5组风速与30种强度地震耦合共150种工况下的风力机塔架动力学响应。结果显示：额定风速下,塔顶位移响应受地震激励影响明显;低风速下地震作用对塔架加速度响应影响较大,高风速的湍流风会加剧塔架剪切力和弯矩响应;湍流风与地震联合作用时,塔顶位移及剪切力和塔基剪切力及弯矩的临界地面加速度峰值随风速的增大先增大再减小,塔顶加速度的临界地面加速度峰值在高风速下随风速增大而增大。     

风力机塔筒在风-地震耦合作用下的非线性时程分析

为了研究一个典型的风力机塔筒在风-地震耦合作用下的结构性能。通过有限元软件ABAQUS建立塔筒的精细模型，并对其进行非线性时程分析。其中，风载荷基于IECKaimal谱，根据叶素动量理论(BEM)，由风力机载荷计算软件Ashes输出叶片载荷；且将运行状态分为正常运行与故障运行。同时，为了研究不同周期地震波作用下塔筒的结构响应以及失效形式，将地震运动分为两组，一组为短周期地震，另一组为长周期地震。研究发现在风-地震耦合作用下塑性铰首先出现在风力机塔分段连接处，这与风单独作用时失效位置相同；且在短周期地震作用下一旦形成塑性铰将很快导致塔筒整体倒塌；当地震波峰值加速度(PGA)相近时，长周期地震对运行中风力机塔的结构性能影响较大。     

变风载下2.5MW风力发电机行星齿轮传动系统动力学特性分析

根据2.5 MW风力发电机行星齿轮传动系统在随机风场中复杂变工况的工作特点,利用双参数威布尔分布模型描述随机风速的分布,获得由随机风速引起的时变风载。采用集中参数法建立风力发电机行星齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学模型。综合考虑风力发电机行星齿轮传动系统的轴承支撑刚度、齿轮副时变啮合刚度等内部激励对传系统的影响,对变风载下2.5 MW行星齿轮传动系统的动力学特性进行仿真计算分析,求得在外部风载作用下各构件的位移响应与速度响应,为风力发电机行星齿轮传动系统的故障诊断和优化设计奠定了良好的理论基础。     

基于动力学的风力发电机齿轮传动系统模糊可靠性评估

针对风力发电机齿轮传动系统在变风速工况下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立考虑外部随机风载及内部轮齿时变啮合刚度、轴承时变刚度及综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮)轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力。在此基础上,利用有限单元法、赫兹接触理论和数理统计理论得到了传动系统各齿轮和各支承轴承的动态接触力的概率分布,基于应力)强度干涉理论建立风力发电机齿轮传动系统关键零部件的模糊可靠性模型,并计算了关键零部件及系统的模糊可靠度。     

永磁力轴承在水平轴小型风力发电机中的应用

对水平轴小型风力发电机的工况进行了分析,利用贝兹理论计算了主轴载荷,给出一种用于水平轴小型风力发电机中主轴永磁力轴承的支承方案,完成了永磁力轴承数学模型的建立与结构的设计,并利用ANSYS软件计算得出永磁力轴承径向力与轴向偏心位移之间的关系曲线.     

水平轴风力机气动性能研究

介绍当前水平轴风力机气动性能计算的主要方法,对基于动量-叶素理论的水平轴风力机气动性能的计算模型进行分析,在考虑叶尖损失、叶片三维效应、动态入流和动态失速状态前提下对计算模型进行修正,该模型可应用于水平轴风力机的气动性能计算。     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

风力机塔架模态分析及应用

以某大型风力机塔架为例,对塔架进行了动力特性计算,利用ANSYS有限元软件完成建模和模态分析,分析中考虑了塔顶上方机舱总质量、塔底基础质量及塔架基础约束刚度的影响;计算结果表明塔架与叶轮不会发生共振,为塔架安全运营和进一步研究风力机塔架的结构动力学分析提供了依据.     

基于PSAT的风机接入电网模型的研究

为了分析不同类型的风机接入电网后,能否与已有电网兼容的问题,在分析了电力系统仿真软件PSAT内置的5阶双馈风力发电机组机模型及其电压、转速和桨角的控制形式的基础上,根据某1.5 MW双馈风机的机械及电气数据,建立了风机接入电网模型及接入电网的典型接线形式,并在潮流计算模块与时域计算功能模块的基础上,编制了仿真程序,最后在阵风与湍流风模型下对风机转速、电压、功率的变化进行了动态仿真。仿真及研究结果表明,运用该方法分析所得结果与实际的风机特性一致,利用PAST内置的风机模型能很好地进行风机接入电网的兼容性分析。     

海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应数值分析

分析海上风力机塔架复杂的外界载荷工况,研究海上风力机圆筒形塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。研究作用在圆筒形塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;应用线性波理论来仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒形塔架上的波浪载荷,通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,相应地,将平面的莫里森(MORISON)波浪力系发展成空间力系,建立波浪力的分析计算模型,以适应三维空间的分析和计算;编制非规则线性波浪力分析程序。用有限元数值分析方法,将圆筒形塔架用空间梁单元建模,求解塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等。针对一台1.5 MW海上风力机塔架动力响应分析的算例表明：为整个海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供实用的分析方法。     

基于三维风模型的风力机叶片载荷计算和偏移分析

研究了风剪切、塔影效应和湍流影响下的叶片有效风速模型和气动载荷的计算方法。并以额定功率为2MW水平轴三叶片风力机为例,应用Bladed软件,分别在考虑风剪切、塔影效应和考虑风剪切、塔影效应、风湍流2种情况下,对叶素挥舞方向(即垂直于风轮平面的方向)的风速分量、摆振方向(即平行于风轮平面的方向)的风速分量,相对风速,摆振载荷和挥舞载荷,以及叶尖在摆振和挥舞方向的偏移进行计算和仿真分析。     

随机风速下风力发电机组载荷传递特性研究

选取指数律函数描述平均风速,运用基于自回归模型的线性滤波法建立的风速模型模拟自然界随机风速。根据动量矩定理和简单的弹簧-质量-阻尼模型建立风力发电机组传动系统刚性传动模型及柔性传动模型来描述系统动态特性。以5MW变速变桨距风力发电机组参数为依据,计算随机风速下两种不同传动模型对风轮叶片以及发电机转子的动态响应的影响,并对结果进行对比分析。基于柔性传动模型,研究不同主轴刚度对传动系统动态响应的影响,得出最佳主轴刚度,并利用雨流计数法描述不同主轴刚度下风力发电机组传动系统的动态响应。研究结果可为风力发电机组传动系统动态特性的研究提供载荷数据。     

恒频变速风力发电机组浆叶的动态特性分析

基于离散(矩阵法)和连续(平衡方程)两种方法分别计算桨叶的弯曲和扭转频率,比较了这两种方法对于分析恒频变速风力发电机组桨叶动态特性的优缺点;利用ANSYS大型有限元软件模拟了兆瓦级风力发电机组桨叶的模型,讨论了影响桨叶建模和动特性的主要因素,如单元类型、载荷、约束等,比较了计算值和测量值的误差,分析了桨叶的振型,从而为旋转桨叶的疲劳预测、消除共振和稳定性分析提供诊断的理论依据。