考虑叶片旋转和离心力效应风力机塔架风振分析

为分析叶片旋转和离心力效应对风力机塔架风振反应的影响,建立考虑叶片离心力效应的风力机塔-轮整体有限元模型分析系统动力特性,采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论模拟考虑旋转效应的叶片和塔架脉动风速时程,结合笔者提出的风振精细化频域计算方法分析塔架与叶片在脉动风作用下的动力反应。研究表明:旋转效应会增大叶片的气动载荷和塔架的动力响应及风振系数,离心力效应增大了风力机系统频率并减小了塔架的风振反应及风振系数。     

高速强湍流风况下的风力机结构动力学响应

为研究大型风力机在高速强湍流风况下的结构动力学特性,基于NWTCUP风谱模型建立平均风速为25m/s的极限湍流三维风场,比例缩放Kelvin-Helmholtz不稳定流的数值模拟结果作为相干结构,将其加入普通湍流风场表示湍流度更强的风况,在FAST软件中分别计算加入相干结构前、后风力机的动力学特性,并仿真偏航30°、紧急顺桨停机和一直顺桨停机3种偏工况,得到各个工况下叶片和塔架载荷的动态响应.结果表明:加入相干结构后,风速在空间及时域的变化均更加剧烈,相干湍动能更大,可表示湍流强度更高的风况;加入相干结构后,风力机动力学响应加剧,其中塔基弯矩影响最大,响应幅值波动变化范围增大了1.96倍;叶片载荷主要刺激频率为风轮旋转频率,塔架响应为塔架一阶侧向振动频率;相干结构对偏工况的影响较大,在偏航和紧急停机等非稳定运行过程中,塔尖弯矩非平稳过程明显.     

极端台风下停机姿态对海上风力机叶片气动载荷影响

基于计算流体力学(CFD)方法,选取美国可再生能源实验室(NREL)5 MW风力机叶片主要设计参数,重点研究台风风速大于切出风速(风力机停机)时,不同台风入射风向及不同叶片停机桨矩角对风力机叶片气动载荷的影响特征,揭示最不利叶片停机姿态及对应风载系数;进一步对比分析可能出现的最不利叶片变桨故障停机工况与正常顺桨矩停机工况下的风力机气动载荷的特征,提出2种停机姿态下海上风力机最大安全设计风速的对应建议值。     

5MW风力机地震工况塔架动力学响应研究

基于FAST开源软件和Wolf土-构耦合(SSI)模型建立了风力机地震工况动力学仿真模型,并计算了5种不同平均风速的气动载荷与101种不同强度的地震载荷联合作用下风力机的动力学响应.结果表明:在额定风速下,气动载荷与地震载荷之间为非线性耦合,评估风力机地震动力学响应时,必须充分考虑风-震耦合效应;风速相同时,塔基最大弯矩先保持不变,再以线性增长的趋势变化;在低强度地震时,塔架不同高度处的最大弯矩与塔架高度之间为线性关系;随着地震强度的逐渐增大,塔架最大弯矩与塔架高度之间的关系逐渐变为非线性,且额定风速下塔架最大弯矩最大.     

风切变和塔影效应对风力机变桨距控制的影响分析

随着单台风力机功率的不断增大,变桨距控制对于风力机起动、制动性能的改善和对输出功率的稳定作用不断显现。单台风力机功率的不断增大也导致了塔架的增高和风轮直径的增大,风切变和塔影效应对风轮旋转平面风速分布产生的差异也不断变大。为了验证风速差异对变桨距控制的影响,建立了考虑风切变、塔影效应的风速模型以及基于叶素理论的风力机模型。采用1.5 MW风力机的数据进行研究,仿真验证表明,在集中变桨时,即使参考风速稳定,风速分布的差异也会使实际的风轮输出转矩产生脉动,桨距角产生周期性脉动,从而导致输出功率产生脉动,影响电能质量,同时叶片上产生不平衡的弯矩,增加了叶片的疲劳载荷,缩短了叶片的寿命。大型风力机应采用独立变桨技术来解决这些问题。     

大型水平轴风力机塔影效应特性研究

为了研究塔影效应对大型水平轴风力机的影响,选取NREL 5MW风力机作为研究对象,利用Fluent软件对单台风力机的不同工况进行数值模拟。结果表明:塔影效应的影响主要发生在叶片方位角为140°~210°的时域内;当叶片扫掠过塔筒时,其不同周向位置的转矩和轴向推力出现大幅波动,转矩的相对波动幅度随来流风速的减小而减小,叶片所受轴向推力的相对波动幅度随来流风速的减小而增大;由于叶片尖部周向线速度较大,在研究塔影效应时需考虑叶轮旋转效应的影响;对于风力机尾迹流场,旋转半径越大处,塔筒造成的尾迹越明显,其长度约为叶轮直径的2倍。     

风力机塔架的结构动力分析

阐述了风力机塔架的固有和固有振型、顺风向下塔架的风效应和位移响应，横风向塔架在尾涡激励下的风效应和位移响应以及由风轮旋转而引起的位移响应，给出了计算实例，为风力机塔架结构动力设计提供了有效方法。     

考虑变桨效应大型风力机塔架-叶片体系气动性能精细化分析

以某5 MW风力机为研究对象,基于大涡模拟方法,考虑不同叶片桨距角大型风力机体系表面流场信息和气动力分布模式进行模拟,并与规范及实测结果进行对比验证大涡模拟的有效性。在此基础上,对比分析不同叶片桨距角下风力机塔架及叶片表面平均和脉动风压、升力与阻力系数、绕流及尾流特性的分布模式,总结叶片桨距角和干扰对风力机体系气动性能的影响规律。研究表明:随着叶片桨距角的增大,叶片迎风面正压分布区域逐渐减小,塔架显著干扰区段迎风面0°和侧风面90°处的平均风压、极值风压逐渐增大,而脉动风压逐渐减小,层升力系数减小,阻力系数增大。塔架未干扰区段平均风压、脉动风压、极值风压和层阻力系数均未呈现明显变化,在桨距角较大(70°～90°)时,叶片尾迹对塔架绕流影响逐渐减弱,塔架气动力分布与未受叶片变桨和干扰时较为接近。综合分析表明,叶片桨距角为0°时,叶片和塔架之间的相互干涉作用最为明显,风力机体系气动性能最为不利。     

随机风载荷下大型风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学分析

由于风力机叶片所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,大型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。利用MATLAB/Simulink对随机风速进行了模拟,通过柔性多体动力学方法建立了符合实际的风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学方程。在随机风载荷下对目前国内1.5 MW主流风力机的叶片、塔架的动力学行为进行了实例分析,得到了10 min时序随机风载下的叶片挥舞位移、速度历程和塔架的位移、速度历程。分析结果表明,在随机风载下,风力机启动时叶片、塔架振动较为剧烈,随时间的增加叶片、塔架振动幅度逐渐减小,振动速度也呈减小趋势。该研究结果为我国风力机设计理论的完善和工程实践奠定了一定的基础。     

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。     

基于土-结构耦合作用的风力机塔架地震动力学响应分析

风力机塔架在地震激励下的动力学响应研究对保证风力机安全运行具有重要意义。基于有限元软件ANSYS和Wolf土-构耦合理论对Vestas1.65 MW风力机建立较高精度有限元模型,对是否考虑土-结构耦合(Soil-Structure Interaction,SSI)效应两种条件下进行瞬态动力学分析。选用摩根希尔(Morgan Hill)地震运动,土体选用软土物性参数。结果表明:考虑SSI效应会降低风力机塔架自振频率,塔架在地震激励下的塔顶位移响应、塔顶加速度响应、塔架Mises等效应力响应和塔架剪应力响应频率有较明显下降,塔顶加速度峰值减小6.7%,塔基承受剪应力增加73.5 MPa,增幅98.9%。因此,研究风力机结构抗震设计应考虑SSI效应。     

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。     

大型风力机地震动力响应研究

为研究地震载荷与风载荷联合作用下的大型风力机结构动力学响应,本文研究分别以Wind PACT 1.5 MW和NREL 5 MW风力机为研究对象,采用EI Centro 6.9级地震为输入激励,通过改进版的开源软件FAST(风电载荷仿真软件)计算风力机在正常运行、紧急停机和一直停机3种运行方式下的塔顶振动和塔架结构荷载情况,结果表明:地震载荷极大加剧了塔顶振动,机舱加速度峰值增大2倍以上。紧急停机操作可减小塔尖位移,一定程度上可以保护风力机结构安全。地震载荷主要增大了塔架一阶固有频率及其二倍频的振动。6.9级地震与额定风载荷联合作用下,NREL 5MW风力机塔基弯矩设计需求为159 MN·m,略大于极限风载荷作用。说明地震常发地区,塔架结构强度设计必须考虑地震载荷作用。     

10 MW张力腿平台风电机组极端条件下响应特性分析

使用FAST构建10 MW漂浮式风电机组的完全耦合非线性模型,针对极端情况,通过耦合求解器FAST对张力腿平台(TLP)式风电机组的叶片、塔架和平台等关键部件进行研究。结果表明:在最大运行工况下,TLP式风电机组风轮叶片承受更大的载荷,但在极端停机工况下,塔架承受更大的弯矩和剪切力;TLP在极端停机工况下的响应更剧烈。风轮叶片的结构校核应基于运行工况,而其他部件的结构校核要考虑极端停机工况。     

考虑塔架和叶片动力耦合的随机风载下风机结构动响应分析

考虑叶片和塔架的动力耦合作用,建立了5 MW风机整体结构的有限元模型,计算其在随机风速下的动响应。为分析叶片和塔架的动力耦合对风机结构动响应的影响,计算比较了刚性支撑的叶片、简化的风机和整体风机3种模型在风载下的动响应位移和应力。计算结果表明:由于叶片和塔架的耦合作用,叶片的位移响应最大增加约20%,但是塔架的位移响应最大降低了约60%。文章还分析了叶片旋转过程中方位角对塔架位移响应的影响。在叶片的一个旋转周期内,塔架的响应幅值会有较大的波动,最大响应幅值约为最小响应幅值的3倍。     

1.5MW风力机塔架-基础的动力特性研究

采用多种计算模型结合敏感性分析,研究了塔架及塔架-基础的动力特性,发现塔架与基础的振动有一定的耦合作用;考虑基础与塔架相互作用后,塔架各阶自振频率降低,特别是高阶自振频率降低较多;在地震液化等极端工况下,地基基础对塔架动力特性的影响更明显。总结并分析了塔架的振源,指出脉动风荷载是风力机设计中必须重视的部分;风绕塔架流动一般处于超临界或跨临界范围,在超临界范围不会出现明显的塔架涡激振动,在跨临界范围可能出现严重的振动;风轮属细长弹性体、气动特征明显,其振动响应比较复杂且易发生破坏事故。为减小柔性塔架振幅,给出了风力机起动时快速跳过瞬态共振区、增加塔架阻尼和优化塔架体型以进一步改善塔架动力特性等方面的建议。     

地震及湍流风联合作用下的大型海上风力机结构动力学响应

为研究DTU 10MW近海桩柱式风力机塔架在地震激励下的动力学响应,基于p-y曲线法建立单桩基础与土壤的耦合模型,通过有限元软件ANSYS建立风力机塔架的有限元模型,分析不同速度湍流风和不同强度地震时塔架的瞬态动力学响应。结果表明:仅风载荷作用时,额定风速作用下塔架动力学响应明显高于切出风速;地震与风联合作用时,塔顶位移动态响应剧烈,但无明显规律;塔架加速度响应最大值位置约为四分之三塔高处,塔顶剪应力响应与地震持续时间有关。     

水平轴风力机塔架的频率和振型特性实验研究

为了研究风力机塔架的振动特性,文章利用动态信号采集分析系统,对水平轴风力机塔架进行了实验模态分析和运行模态分析测试,得到了塔架静止与振动两种工况下的固有频率与模态振型,分析了塔架的振动特性。通过对风力机振动信号的频谱分析发现,风速小于10 m/s时,只能激励起塔架挥舞方向与摆振方向的二阶模态;通过对风力机塔架的模态分析发现,风力机发生振动,塔架固有频率与模态振型发生小幅度改变;随着风速和振动烈度的增大,塔架模态参数的变化幅度随之增大。该研究可以为风力机塔架优化设计提供借鉴。     

风力机叶片约束阻尼结构建模及抑颤研究

针对大型风力机叶片的颤振问题,提出将约束阻尼结构应用于叶片以增大其结构阻尼。基于能量法建立局部约束阻尼叶片的动力学模型,推导出结构损耗因子的表达式;根据模态应变能分布情况确定约束阻尼层的敷设位置,并参数化分析阻尼层与约束层厚度对模态损耗因子的影响,采用混合单元法建立某型1.5 MW风力机阻尼叶片三维有限元模型;通过Newmark直接积分法对普通叶片及阻尼叶片在额定风速和极限风速下的动力响应进行仿真对比。结果显示,与普通叶片相比,约束阻尼结构叶片在两种风速下叶尖挥舞和摆振方向的位移、加速度标准差均减小50%以上,可显著提高叶片的抑颤能力。     

新型铰接式海上风力机动力响应分析

文章针对75 m水深,开发了一种新型铰接式基础海上风力机,考虑到风浪流的联合作用,分析了其在发电海况和极限海况下的动力响应。基于叶素动量理论计算了风力机叶片气动载荷;基于经验公式计算了塔架风压载荷;基于三维势流理论计算了铰接式基础的水动力特性;考虑基础运动及波高引起的瞬时湿表面的变化及铰接点的结构阻尼,同时考虑海流力,编写程序计算风力机的时域动力响应特性。计算结果表明,铰接式海上风力机具有良好的运动性能,满足发电海况下正常发电的需求以及极限海况下结构自存的安全要求。