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。     

考虑土―结构相互作用的运转状态风电塔抗震分析

针对某陆上风电场1.5 MW风电塔结构,建立了"塔筒―基础―地基"整体三维精细有限元模型,研究土―结构相互作用对风机运转状态下风电塔结构地震动力响应的影响规律.在风机运转状态下,使用FAST程序把风速时程转化为风荷载时程输入模型,并使用EERA程序进行土层地震反应分析得到模型土层底部的地震波,作为地震激励进行输入,对风电塔进行模态分析并计算风电塔地震动力响应.研究表明,考虑土―结构相互作用效应会引起风电塔体系自振频率降低,并显著增加风电塔的结构动力响应.     

基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析

风力发电塔作为一类特殊的高柔结构,顶部支撑的风机在工作状态下对塔身产生动态激励,目前的风电塔振动实测通常采用接触式传感器.为发展风电塔现场非接触测试技术,本文对激光遥测方法进行阐述,利用加速度计和激光遥测设备对某1.5 MW风电塔进行环境脉动激励下的动力实测,对两种仪器的现场使用及测试结果进行对比,分析遥测方法的优势.利用得到的多组实测信号,分别采用峰值拾取法和随机子空间识别法进行分析处理,获得该风电塔的自振频率.     

地震与波浪作用下近海风电结构响应及倒塌模式

极端地震作用下近海风电结构反应的数值模拟涉及几方面问题:塔筒-基础-地基-边界系统有限元模型建立的合理与便利性;地震作用联合波浪力作用;不同地震波对风电结构体系不同作用特点.首先,开发了塔筒-复合筒型基础-地基-透射边界的可视化智能建模程序TJU.WPS(Wind Power Structure).然后,计算分析大震和波浪联合作用的风电结构动力响应,研究结构体系的地震反应对波浪力和不同地震波的敏感性;最后,分析超大震作用下风电结构的倒塌破坏模式.结果表明,(1)开发的TJU.WPS程序界面友好方便、快捷、实用可靠;(2)分析并解释了天津波、迁安波和Taft波3种典型地震动及与波浪力共同作用时风机结构振动的频谱特性,强调了波浪力的不容忽视性:与单独输入地震波相比,波浪力能够显著改变结构动力响应功率谱中能量的分布;(3)论述了3种典型地震动作用下风机结构的破坏模式相同点及其区别:超大震作用下风机结构都将脱开地基向上运动,最终回落到地基,但是风机结构脱开地基所需的不同地震波的最小峰值及脱开时刻不同.     

海上风电散热器结构设计、腐蚀失效及防腐研究

双碳战略提出以来,我国海上风电发展持续加速,由于海洋风机所处环境为高腐蚀环境,防腐问题尤为重要,从基础结构到塔筒、从叶轮到机舱,从发电机组内部机械零件到电器元器件的防腐均有较多研究,但海上风电的散热器腐蚀防腐研究较少.本文就海上风电散热器结构设计、腐蚀分析以及防腐研究进行介绍,提出了散热器防腐堵漏措施,并对今后的发展方向提出展望.     

磁流变调谐质量阻尼器在海上风机振动控制中的应用

针对近海风机在风、波浪和地震3种载荷作用下的振动控制问题,提出了基于磁流变弹性体(magnetorheological elastomer, MRE)调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)的海上风机半主动控制方法。首先,介绍了MRE的变刚度磁致力学特性及面向海上减振需求的MRE-TMD结构设计原理;其次,建立了海上风机-TMD动力学模型,计算了风、波浪及地震激励载荷;再次,应用半主动控制算法跟踪识别风机塔筒顶端响应的频率,实时调节MRE-TMD的刚度,进而对海上风机进行振动控制。通过分析导管架式近海风机在多种载荷作用下的动力响应可知,采用基于MRE-TMD的控制方法能够有效衰减导管架式海上风机在多种载荷作用下的振动响应。与被动TMD相比,MRE-TMD具有较好的减振效果,为海上风机振动控制提供了一种新的解决思路。     

抗强风的索塔型风机可行性研究

为提高台风多发地区风电结构的安全性和经济性,提出预应力拉索与塔架结合的索塔型风机结构.基于非线性振动理论推导了索塔结构的动力平衡方程;采用预应力悬链线单元、实体单元和壳单元,建立某风电场65m高塔架型风机和索塔型风机的有限元模型;计算了2种风机结构的自振特性及其在50年一遇极端工作阵风作用下的动力响应.结果表明:索塔型风机前2阶自振频率约比塔架型风机高11.3%,3至10阶自振频率无明显差异;除最不利单桩轴力最大值外,索塔型风机轮毂处的水平大位移区、塔架底面迎风点等效应力最大值及高应力区、迎风面最不利单桩轴力变化幅值等指标均明显小于塔架型风机.总体而言,强风条件下索塔型风机的受力性能优于现有塔架型风机.     

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。     

基于易损性分析的雷达塔自振频率调整

为防止共振，进而造成雷达的失真和结构的损坏，雷达塔的自振频率不能和雷达的工作频率相遇合。采用结构分析软件Ansys对五种不同工况计算模型进行分析比较，计算结果表明，合理的增加斜撑是最有效的提高结构自振频率的方法。     

不同分析方法对风力机塔筒动力特性的研究

以云南某风场的风力发电机为例,分别采用解析法与有限元法对风机塔筒进行模态分析,得到结构的动力特性。在对比不同计算方法计算结果差异的基础上,对塔筒刚性与风轮旋转诱发的塔筒共振进行了研究。结果表明:有限元模型简化少,且计算结果丰富;结构基本对称的柔性风机塔筒在启动过程中必然出现2次瞬态共振现象;正常运营阶段,风力机风轮不会诱发柔性塔筒产生共振现象。研究为风力机塔筒的设计提供了理论依据。     

水平轴风力发电机塔架的振动模态分析

根据多自由度模态分析理论,对水平轴风力发电机塔架的振动模态进行数学建模和仿真.运用次空间迭代法对模型进行数值计算,分析塔架在自由振动时的力学特性,获取塔架的固有频率和振型.结果表明,塔架的一阶固有频率高于叶片通过频率,属于刚性塔,不会因风轮激励而产生共振;依据振动理论,塔架振动过程的能量主要集中于一、二阶频率处,而一、二阶振型均为摆振,因此摆振是塔架的主要振动方式,是引起塔架疲劳破坏的主要原因.     

海上浮式风机载荷计算与动力学分析研究综述

海上浮式风机是目前最具开发潜力的新型风电技术,能为蕴藏丰富的深海风能开发提供有效的解决方案.由于浮式基础的大幅度运动、缆索的非线性大变形、叶片和塔架的大柔性及叶片承受的巨大运行风载荷,使得风浪流载荷作用下海上浮式风机系统耦合动力学分析面临着巨大的挑战.考虑到海上浮式风机特有的运动和体型特征,论述了海上浮式风机水动力学、气动力学、锚泊系统动力学和刚柔耦合动力学分析等方面的研究进展,阐明了现有载荷计算和动力学分析方法存在的局限性和可能的解决方法,指出未来应从全局系统出发研究水动力学、气动力学和结构动力学耦合问题,从而发展并形成海上浮式风机的专业分析方法与工具.     

浮冰作用下单桩海上风机动力响应分析

随着海上风电在环渤海地区不断发展，冰激振动响应为当前环渤海地区海上风机面临的重要问题 .基于海上风机一体化数值分析软件，对浮冰作用下单桩海上风机动力学响应展开研究 .重点探究单桩风机塔基以及泥面线处载荷动力响应变化规律，研究不同冰载数值模型、冰厚以及冰速对单桩海上风机动力响应影响，开展抗冰锥结构下单桩海上风机动力响应影响规律.结果表明：不同冰载数值计算模型下的计算结果差别较大，采用Matlock双齿模型计算出的塔基载荷以及泥面线载荷最大，分别为无浮冰作用的 2.2倍与 1.3倍；单桩海上风机动力响应随冰厚增加而增加，冰速变化对单桩海上风机结构荷载影响不明显；采用抗冰锥措施后，作用于单桩海上风机的冰荷载显著降低，极大降低单桩风机塔基以及泥面线位置处的剪力与弯矩，塔基位置处剪力与弯矩的最大值分别为无抗冰锥结构的82%与95%.同时抗冰锥结构可极大降低作用结构上的冰荷载，其冰载最大值与标准差分别为不采用抗冰锥结构的5%与7%.     

海上风电工程结构与地基的关键力学问题

作为一种新型清洁能源,海上风力发电受到人们的广泛关注,近十年发展迅猛．海上风电结构既不同于陆上风电结构,也区别于传统的海洋平台,既要考虑风对风机、塔架的作用,也要考虑波、浪、流、冰对水下支撑结构和地基的作用,还要考虑高倾覆力矩作用下地基的变形和承载力．然而,与之相关的水动力学、土力学、结构动力学及流．固一土耦合力学等的现有理论,还远不能满足工程设计和建设的需求,亟待发展．本文在阐述海上风电工程发展现状、结构形式与特征的基础上,重点阐述有关海上风电结构（包括固定式和浮式）的耦合水动力载荷与响应、地基的动力响应与承载特性的研究发展趋势,从水动力学、土力学和结构动力学的角度,凝练其中亟待开展深入研究的关键科学问题,包括：近海复杂海洋环境条件、海上风机系统的耦合水动力载荷、支撑结构和地基的动力响应等,并据此提出近期研究的发展方向,为从事海上风电工程研究和建设的科技人员提供参考．     

叶片覆冰对支撑结构抗冰性能的影响分析

海上风能资源作为清洁能源具有较大发展潜力。在我国黄渤海地区,风力机叶片表面在寒冷潮湿环境下易出现覆冰现象,覆冰不均匀可能会改变风机支撑结构的整体力学性能。在结冰海域,海冰会造成风电基础结构强烈的冰激振动。叶片覆冰后不仅会降低风电机组的发电效率,还会影响支撑结构的冰振特性。本文首先通过FENSAP-ICE对叶片覆冰过程进行研究,明确了不同环境条件下的风机叶片覆冰特性;其次,采用增加质量和改变质心位置的等效质量分布方法,建立风机叶片覆冰后支撑结构的冰振响应分析方法。最后,选取某单桩式海上风电基础结构,对不同的风机叶片覆冰情况下支撑结构的力学性能进行分析,并讨论叶片覆冰对支撑结构的抗冰性能影响。     

风力机叶片与整机的预应力振动模态分析

为了研究10 kW水平轴风力机叶片及整机的振动情况,通过建立其模态分析计算模型和预应力模态分析计算模型的方法,对旋转叶片施加风载荷和旋转离心力,在完成网格划分、载荷与约束条件的添加后,进行了预应力下的振动模态分析,并将几种工况下的固有频率进行了对比并得出结论.结果表明：仅有风载荷工况时,叶片和整机的固有频率基本没有变化;当同时有风载荷和旋转离心力时,随着风速的增加,固有频率有比较明显的增加,但当风速达到一定程度时,不再发生变化.