东海某风场4 MW风机塔筒结构疲劳特性

海上风机塔筒长期受到风荷载等外部动力荷载作用,其应力响应相当不规则,容易发生疲劳破坏。由于每个风速工况出现的概率不同,而且塔筒在各工况下的响应也存在差异,因此有必要划分风速工况来编制疲劳应力谱。本文以东海某海上风电项目为例,建立塔筒结构三维精细化有限元模型,结合风速威布尔分布模型、雨流计数法和线性疲劳累积损伤法则,采用名义应力法计算塔筒的疲劳寿命,并与简化塔筒模型的计算结果进行对比分析,以期为风力机结构疲劳研究提供思路和参考。计算结果表明：通过划分风速工况来编制疲劳应力谱的方法是可行的;塔筒结构容易发生疲劳破坏的部位在塔筒中下部筒节之间的连接处及附近;在分析塔筒疲劳特性时采用壁厚随高度均匀变化的简化塔筒模型与精细化模型结果相差较大,会带来较大误差,因此建议建立精细化模型以合理预估风机塔筒疲劳寿命。     

基于波导理论与ATP-EMTP对雷击风机系统仿真及防护

风机雷电过电压防护是风机安全运行的重要保障。为了研究风机因遭受雷电过电压损坏的规律,通过分析雷电电磁波导理论与风机内部运行结构,建立塔筒(门)空腔试验缩比模型与风机线网结构雷电过电压分布仿真模型。基于实验室测试与ATP-EMTP软件仿真计算,采取相对偏差计算方法对部分结果进行验证,进而分析雷击风机系统的影响。研究结果表明:雷电电磁脉冲在塔筒(门)空腔导线中可产生峰值约为数百伏阻尼震荡损害波,风机塔筒门的接口部分需进行较好的密封屏蔽;风机雷电过电压系统仿真中,不同部位形成的雷电电压波峰值间具有较大的倍数差。可根据各部位RLC值的变化安装适配SPD;风机雷电过电压系统仿真中,参考点峰值电压值随着接地电阻值增大而增大,越靠近风机塔筒基础部分,电压峰值变化越明显。从1～10Ω改变接地电阻值,并不能有效改善塔筒以上部分过电压峰值。研究结果可为进一步系统研究雷击风机与雷击风机附近对风机造成的侵害特性提供依据。     

海上风力机随机风场模拟及风振响应分析

为研究海上风力机的风振特性,进行风力发电塔-轮系统的随机风场模拟和风振动力响应计算。采用谐波叠加法模拟塔架和风轮的来流风速时程,进而基于改进的叶素-动量理论(MBEM)模拟考虑风轮和塔架相干效应、风轮旋转效应的风轮脉动风速时程。结合已提出的柔性结构风振精细化频域计算方法"一致耦合法",对海上风力发电系统结构进行风振动力响应和风振系数计算。研究结果表明:海上风力发电塔-轮系统的风振动力响应以共振效应为主,但背景响应和耦合项不能忽略,风振呈现多模态耦合和多振型响应2个显著特征;系统风振系数的分布差异较大,其中风轮尖部最大(2.35),塔架中下部位最小(1.40)。     

基于风力机整机气弹稳定性的塔筒结构优化

基于风力机整机的稳定性,提出了一种研究风力机塔筒结构优化的新方法。该方法以减小系统振动为目标函数,塔筒的直径和壁厚为优化参数,通过强度、变形量及质量等作为约束条件建立优化模型,利用内点惩罚函数法求解此优化问题,最后运用坎贝尔图(Campbell图)对叶片与塔筒耦合的风力机整机系统的稳定性进行分析。应用此方法对某2 MW水平轴风力机塔筒结构进行优化,整机的稳定性能得到很大改善,塔筒质量减少13%,具有一定的理论和工程实用价值。     

上风向水平轴风力机塔影效应数值模拟

风力机塔架和叶片之间的相互作用是影响风力机气动性能的主要因素之一,本文以美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)的5MW风力机为研究对象,使用雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS)方程和剪切应力输运(Shear-Stress Transport,SST)k-ω湍流模型,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对三叶片上风向水平轴风力机开展了塔影效应的分析研究.为了得到更加精确的模拟结果,在模拟计算之前开展了网格无关性验证以及模型验证.模拟过程中使用了两种模型:带有塔架的风力机模型以及没有塔架的风轮模型,通过对两种模型的模拟研究得到了塔影效应对风力机气动特性的影响.同时,本文也开展了基于动量叶素理论的方法对塔影效应的研究,并且比较了这两种研究方法.结果表明:上风向水平轴风力机的塔影效应是非常明显的;塔影效应的存在使风力机气动荷载出现突变,对风力机叶片和塔架都会产生不利影响;塔影效应的存在对风力机气动荷载的平均值影响较小,使风轮的平均推力值下降0.46%、平均功率值下降0.87%.本文为进一步研究塔影效应对风力机气动特性的影响提供了一些参考.     

漂浮式海上风电机组动力学仿真分析

通过计算机仿真技术,分析深海漂浮式风力发电机组的动力学特性.首先分别建立海上浮式平台的水动力学模型和基于动态入流理论的风轮空气动力学数值模型,然后将其施加到由“风轮-机舱-塔筒-系泊系统”组成的多柔体系统动力学模型上,并由Fortran语言编程计算,将分析模型和结果导入到ADAMS进行可视化及后处理,最后,以美国NREL基本型5MW风电机组数据为基础,对漂浮式风力机系统和近海的定桩式风力机系统进行动力学分析对比,研究结果表明:漂浮式海上风电机组在运行过程中,其浮式平台承受水动力而产生摇荡运动,气动载荷与水动力相互耦合对整机结构动力响应及功率波动有着明显影响.     

基于时域法的不同塔架风力机抗台风分析

为探讨不同塔架形式风力机的抗台风性能,基于Abaqus有限元软件建立4种不同塔架形式的风力机一体化模型,用自回归(AR)法对脉动风时程进行模拟,分别进行了模态分析和台风时程分析.结果表明,风轮和机舱对风力机自振频率的影响较大;钢筋混凝土锥筒塔架的最大顺风向位移随台风风速的增加呈平缓线性增加趋势,而其他3种塔架的位移随风速的增加表现为非线性增加.钢管格构式塔架为轻型柔性结构,其风载响应最为显著,钢锥筒塔架次之,而钢筋混凝土塔架因具有较大的自重和刚度,其位移响应最小,抗风性能较好.     

基于速度势面元法的风力机风轮三维气动性能预估

大型风力机风轮气动设计和性能分析需要更加准确、快速的预估方法。风力机风轮三维流场具有低Mach数、高Reynolds数的特点,该文把风轮流场简化为有势流场,将叶片表面和尾迹视为有势流场的边界,采用速度势方程作为流动控制方程,使用面元法进行求解,建立了风力机风轮三维气动性能数值计算的模型,并编制了计算程序。同时,还建立了适用于水平轴风力机的尾迹迭代求解方法,考虑了表面摩擦阻力对风轮转矩和推力的影响,提高了计算精度。与实验结果对比证明,该方法具有很好的计算准确性,为进一步研究常规运行工况下的风力机风轮气动性能,特别是大型变速变桨风力机气动性能提供了一个准确、快速的预估方法。     

考虑耦合效应的水平轴风力机有限元建模与变形行为分析

为实现对风力机结构变形的实时求解、分析风力机控制过程对结构的影响,构建了考虑风力机气弹耦合效应的有限元模型.模型充分考虑了风力机诸如主轴倾角、风轮预装锥角以及变桨和偏航机构的结构特点.本文分析了离心软化,应力刚化以及风力机控制过程对风力机结构的影响,并对风力机结构问题的求解方法进行了对比研究.结果表明:应使用LDLt方法求解由风力机塔根与叶尖刚度巨大差异所引起的病态问题;应力刚化效应对风力机叶尖变形量及拍打模态的频率有较大影响;本文模型很好地模拟了风力机受阶跃载荷时的旋转动态非线性变形,并模拟了变桨过程引起的风力机叶片拍打方向的刚度增大.     

不同约束条件下风机塔筒扭转自由振动特性分析

针对风力发电机组(以下简称风机)的自由扭转振动,建立了非均质变截面风机塔筒模型。采用微分求积法计算了风机塔筒扭转振动在不同边界下的无量纲固有频率,求解并分析了弹性地基对风机塔筒扭转无量纲固有频率的影响,同时给出了弹性地基上风机塔筒扭转振动前六阶振型。引入并分析了质量变化系数、切变模量变化系数和截面变化系数对风机扭转振动无量纲固有频率的影响。结果表明微分求积法求解精度较高,计算量小;风机塔筒扭转无量纲固有频率随质量变化系数增大而增大、随切变模量变化系数增大而减小,且质量变化系数和切变模量变化系数均对高阶频率影响较大,对前二阶频率影响较小;截面变化系数仅影响风机塔筒扭转前二阶无量纲固有频率,对高阶固有频率影响甚微。     

水平轴风力发电机塔架模态影响因素分析

 以某个大型水平轴风力发电塔架为例,采用四因素三水平试验对影响水平轴风力发电机塔架模态的因素进行分析;运用矩阵分析法对塔架进行模态计算,并利用大型有限元软件ABAQUS完成了塔架的数学建模和模态分析,分别考虑了塔架底部门洞、风轮(含轮毂)和机舱的质量、风轮(含轮毂)及机舱的整体偏心、塔架的壁厚及直径对塔架模态的影响。结果表明,风轮(含轮毂)及机舱的整体质量、塔架的壁厚以及直径对塔架的模态影响最为显著,而塔架底部的门洞对塔架模态的影响很小,可以忽略;塔架顶部风轮(含轮毂)及机舱的整体偏心对塔架模态的影响情况由风轮(含轮毂)及机舱的整体偏心程度决定,偏心越大受影响的程度越大。     

传递矩阵法在风力机塔架动力学分析中的应用

根据风力机圆筒型塔架和基础的结构特点,将塔筒简化为无质量梁单元和集中质量单元的组合,并将塔架基础简化为平动弹簧阻尼系统和扭簧扭阻系统的组合。使用传递矩阵法构建了风力机塔架及其基础的动力学分析模型。对某滩涂型风力机塔架进行了自振频率及振型分析,分析结果同测试结果和有线元结果基本相同。传递矩阵法相对于模态分析法和有限元法具有建模容易,计算速度快等优点,非常适合风力机塔架的结构动力学分析。     

兆瓦级风电机组传动链动态特性分析

由于风力发电机组安装在柔性支撑塔架上,传动链承受着变风向、变载等恶劣工况,其故障率一直较高,成为风电发展的瓶颈。研究考虑风机塔筒摆动与传动链扭转振动的耦合效应,利用集中参数法建立基于柔性支撑的兆瓦级风机传动链耦合动力学分析模型,开展兆瓦级风电机组传动链动态特性研究,揭示其动态特征及变化规律,利用坎贝尔图对潜在共振点进行分析,得到切入转速与传动链之间潜在共振频率。基于Simpack有限元法对传动链动态特性进行分析,验证分析方法的正确性。     

风力发电结构有限元建模及其地震响应分析

为研究不同精细程度的风力发电结构有限元模型在不同分析目的下的适用性,基于2MW三桨叶水平轴风力发电机,采用有限元软件ANSYS建立七种不同精细程度的风力发电结构有限元模型,以风力发电结构地震响应分析为例,得到各模型的响应结果,分别从变形、内力、应力以及应力集中四个方面分析各个模型的计算结果.研究结果表明:在计算风力发电结构的变形时,由于上部机舱及叶片对其影响较小,采用低阶单元即可得到较好的模拟结果;在计算塔底截面剪力和截面弯矩时,考虑机舱及叶片的有限元模型得到的结果较为精确,单元选择时需采用高阶实体单元;不考虑叶片、轮毂以及机舱得到的塔筒截面应力离散性较大,采用壳单元可较好地模拟塔筒截面应力;叶片、机舱等上部结构对门洞局部产生的应力集中影响较大,在计算时建议应用塔筒采用壳单元、门洞局部采用实体单元的多尺度模型进行模拟.     

大型风力机塔架在脉动风下的动力响应特性研究

采用Kaimal脉动风功率谱,考虑脉动风的空间相关性,采用AR模型模拟风电场脉动风速时程,并验证脉动风速谱与目标谱的一致性;通过有限元方法计算风力机塔架结构在风载荷作用下的动力响应特性。计算结果表明:AR模型对实际风场风速进行有效模拟,考虑脉动风的影响,塔架的风振响应显著增加;随着风速的增加,塔架的振动也随之增加,这为风力机塔架的风致响应分析和抗风研究提供了实用方法。     

基于向量式有限元法的风力发电机组一体化仿真分析

大型风电机组为强非线性刚柔耦合的周期时变多体系统,传统有限元方法不能解决叶片转动过程中由于刚体位移而导致的刚度矩阵奇异问题,向量式有限元法可有效考虑叶片的几何非线性和大变形运动、塔架的弹性变形、气动载荷等因素.基于MATLAB平台编制空间梁系结构求解程序,选取悬臂梁受端部集中动荷载和欧拉梁绕定轴转动两个典型算例验证程序的正确性.建立包含机舱、轮毂、叶片和塔架在内的风电机组一体化仿真分析模型,根据机组静止状态下自由振动响应,用模态参数识别方法提取了机组的自振频率,计算结果与传统有限元法吻合.采用谐波叠加法和本征正交分解法相结合的方式,运用B样条曲面插值策略,模拟生成风电机组在正常运行状态下的风速时程.采用向量式有限元法对正常运行状态下的风电机组进行风振响应分析,较好地反映了重力对叶片内力周期性变化的影响以及叶片与塔架的共同作用.     

风力发电高塔系统抗风动力可靠度分析

介绍一种基于广义概率密度演化理论的动力可靠度分析方法.结合随机脉动风场物理模型和"桨叶-机舱-塔体-基础"一体化有限元模型,分别分析1.25 MW风力发电钢塔和钢筋混凝土风力发电高塔的抗风动力可靠度.研究表明,广义概率密度演化方法可以有效地分析风力发电高塔系统抗风动力可靠度.相比风力发电钢塔,钢筋混凝土风力发电高塔具有更高的可靠度.     

运转工况下风电塔抗震分析

为了研究运转工况下风电塔的地震响应及倒塔模式,使用风电塔设计软件FAST建立风电塔模型,比较停机和运转不同工况下的结构响应,并在运转工况下通过改变地震动输入方向研究不同风震组合角对结构响应的影响,得到最不利工况;使用ABAQUS建立风电塔的精细化有限元模型,将FAST计算的塔顶风荷载导入ABAQUS开展分析计算.将基于叶素理论计算的塔顶荷载与FAST计算结果进行对比,并进一步将弹性阶段ABAQUS与FAST模拟的塔顶位移进行对比,校验分析方法的合理性.利用ABAQUS模型将地震动调幅,开展倒塔模拟.研究结果表明运转工况下最不利风震组合角是90°,强震下塑性铰在塔身下部出现并向中上部发展,最终该风电塔在中上部发生破坏.