柔性支承风力机齿轮箱轴承受力变形游隙分析

风力发电机运行环境恶劣,受到风的随机性和不稳定性的影响,塔架-机舱-叶轮存在着强烈的耦合作用,使得齿轮传动系统中的齿轮啮合面承受着不稳定的变载荷和极端载荷,进而使滚动轴承的受力也变得复杂。论文以新安装的大型风力机齿轮箱轴-滚动轴承系统为例,研究基于柔性支承下风力发电机齿轮箱轴承由于受力变形造成的工作游隙与轴承复杂受力的关系,对我国国内1.5 MW主流风力机行星齿轮系统实例分析,采用了包括经验计算值在内的四组阻尼值,得到了100 s时序随机风载下的齿轮箱低速轴轴承的不同工作游隙值。结果表明:轴承阻尼数值的不同,对于在复杂工况下的轴承受力有较大影响,同时也间接影响了轴承工作游隙的大小。在随机风载下,工作游隙偶尔有较大波动,但基本处于一个稳定的状态。为以后研究风力机轴承的磨损和振动监测提供了一定的理论计算方法和数据。     

海浪作用下的风力发电机组总体性能仿真

为研究海上风力发电机组在复杂多变且环境恶劣影响下整机的工作性能,使用仿真技术进行模拟分析.采用GDW动态入流理论进行风力机气动载荷计算分析,Airy线性波理论进行波浪载荷计算分析,建立风力机传动系统的MATLAB/simulink数学模型及ADAMS多柔体动力学模型,并将MATLAB/simulink控制系统模型同ADAMS进行风力机系统总体性能的联合仿真.对某厂家5 MW海上风力发电机的仿真数据同Bladed软件结果比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的总体性能.     

基于流固耦合的风力发电机结构特性分析

风力机结构尺寸的增大会导致气动载荷效应的作用更加明显,因此,采用流固耦合分析技术来研究气动载荷效应对风力发电机结构的影响。采用ANSYS Workbench软件搭建了流固耦合分析系统,经过流固耦合分析得到了不同风速下风力机周围气流分布规律、风力机表面压力分布规律、风力机变形和应力分布规律、风速与风力机叶片应力和变形之间的波动规律;仿真分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合两种情况下风力机的模态振型,为风力发电机的结构设计提供一定的理论参考。     

覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性及其影响因素分析

为探究覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性,分析温度、湿度、风速、运行时间四个因素对覆冰叶片振动特性的影响,以1:12.5建立的实体风力机模型为研究对象,搭建旋转风力机叶片覆冰振动测试试验台,设计四因素三水平正交试验,采用环境激励(风激励)和多点拾振的方法进行模态测试。试验研究了不同覆冰状态下旋转风力机叶片的振动特性及其变化规律;以最大振动频率为评价指标,分析四个因素对覆冰风力机叶片振动特性的影响。结果表明:相同覆冰条件下,覆冰厚度不变,旋转风力机叶片振动频率由叶尖至叶根逐渐减小;覆冰位置不变,覆冰厚度增加,旋转风力机叶片振动频率逐渐降低;旋转风力机叶片运行环境温度和湿度变化对其振动频率的影响较大。为进一步分析覆冰条件下旋转风力机叶片的位移响应和振型变化,建立了风力机三维模型,利用ANSYS软件对其进行谐响应分析,分析结果显示不同覆冰状态下叶片振型变化无明显差异,覆冰厚度增加,叶片位移响应值明显增大。研究结果可为覆冰条件下风力机运维策略选择及叶片覆冰安全监测提供理论参考。     

变载荷下风力发电机行星齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学特性

根据风力发电机传动系统在随机风场中复杂变工况的工作特点,建立了最小二乘支持向量机风场随机风速模型,获得了由随机风速引起的时变风载荷。采用集中质量参数法建立了风力发电机行星齿轮传动系统中齿轮滚动轴承耦合动力学模型,考虑了风力发电机行星齿轮传动的变风载输入、齿轮时变啮合刚度和滚动轴承时变刚度等影响因素,对变风速下1.5 MW半直驱风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性进行了仿真计算分析,求得了变风速下行星齿轮传动系统的振动位移、各齿轮副的动态啮合力和非线性动态轴承力,为风力发电机传动系统的动态性能优化和可靠性设计奠定了基础。     

用BP网进行变速风力发电机组控制分析

传统的控制需要精确的风力发电机的数学模型,而因为空气动力学的不确定性和电力电子的复杂性,使风力机系统精确模型难以建立,特别是在风速突变以及有扰动存在时,风力机的控制和分析很复杂;为了克服这一困难,用神经网对变速风力发电机组进行控制;设计功率系数曲线的BP网模型及最佳桨距角的BP网模型,在低风速时跟随风速获得最大功率系数,高风速时保持功率最大并在允许范围内.在MATLAB环境下给出了用BP网对变速风力发电机控制的仿真模型和仿真结果,显示采用神经网控制器控制有很好的抗风速突然波动的作用,能有效地抑制扰动.     

基于GDW理论的风力发电机整机性能分析

由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣,所以风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统,因此,整机性能分析是风力发电机系统设计的关键.引入了风力机的动态人流(GDW)理论,在Matlab中建立了600 kW失速型水平轴风力机的气动力,在Simulink传动系统的动力学仿真模型,模型中考虑了叶片的气弹耦合性,并在ADAMS中建立了包含柔性叶片和塔架的风力机整机虚拟样机模型,将三者联系起来建立了联合仿真模型.分析了风力机的功率系数、额定功率以及叶片与塔架的变形.与Bladed的分析计算结果相比较,结果证明了仿真方法及仿真模型的正确性.     

双馈风力机转子动能在系统频率跌落时的响应能力分析

针对转子动能参与调频的研究主要集中于控制策略上,并未详细、定量研究不同工况下转子释放动能的问题,以1.5MW某双馈风力发电机为原型、采用Matlab/Simulink软件建立了简化的风力机动态模型,并以1.5 MW风力发电机的实时运行数据验证了该模型的正确性;同时,提出了转子释能持续时间的概念,并在所建的风力机动态模型下得到中低风速(6~8m/s)下机组转子释放动能的能力随着风速的变化,继而设计了转子惯性响应控制器,研究了不同风速下风力机在系统频率跌落时的响应能力,得到转速及功率输出的响应曲线。研究结果表明:所提模型具有普遍的适用性;在相应研究条件下,风力机转子释能时间可达15s,风力机输出可增加约15%的有功功率;风速在6~8m/s下,风电机组转子释放动能的能力随着风速的增加而降低。该结果可为双馈感应风力发电机参与电网调频的研究提供参考。     

风力机组关键部件运动学与动力学仿真研究

以风力发电机组为研究对象,采用动量叶素理论计算叶片在不同风速下的气动载荷,在三维软件Solidworks中建立了叶片、轮毂、机舱和塔架等关键功能部件的三维模型,在Ansys中对叶片和塔架进行柔性化处理,生成叶片和塔架的MNF文件,建立了风力机组关键功能部件的ADAMS刚柔耦合多体系统动力学模型.将计算的载荷均匀加载到风力机组的叶片上,对风力机在风速由5 m/s变化到25 m/s的过程进行仿真,得到叶片和塔架的振动变形特性曲线.该仿真能够很好地模拟风力机的振动变形特性,为风力机的虚拟样机仿真提供了一种可行的方法.     

结冰对风力机载荷的影响

针对风力机叶片结冰问题,以NREL Phase VI风力机为研究对象,采用Fluent和气动弹性程序FAST,研究了不对称结冰(只有1个叶片结冰)和对称结冰(2个叶片都结一致的冰)对风力机载荷的影响.结果表明:结冰会导致叶片气动性能下降,从而导致风轮转矩减小;对称结冰可使风轮转矩减小量达34.99%;不对称结冰会引起低速轴剪切力不平衡,增加低速轴疲劳载荷;对称结冰可使风轮轴向推力、叶根力矩和塔基力矩减小量分别达6.07%,40.32%和37.32%.     

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%.     

基于概率密度演化的风机基础疲劳可靠度计算

风机底部基础在风荷载作用下会产生疲劳破坏.为了研究风荷载作用下风机的疲劳可靠性,将随机脉动风荷载进行正交展开,用数论选点法和概率密度演化方法将展开的风荷载模型用于风机塔身的疲劳可靠度计算.采用推力系数法计算风荷载作用下风机基础较危险部位的应力时程,然后用雨流计数法统计该点的疲劳损伤,将其代入概率密度演化方程并通过差分计算可求得疲劳损伤的概率密度函数.通过累计疲劳损伤小于1的概率可求得危险部位的疲劳可靠度,也就是整个基础的疲劳可靠度.以一3 MW风机作为算例验证了本文方法的有效性,应用概率密度演化方法,可以精确地给出基础在风荷载作用下的疲劳可靠度,本文成果对于近似工况的风机基础疲劳可靠度的计算具有借鉴意义.     

基础环式风机基础周期荷载损伤特征分析

基础环式风机基础的损伤累积破坏影响风力机系统的安全运行。针对基础环式风机运行过程中基础混凝土损伤问题,以内蒙古某49.5MW风电场为例,利用ABAQUS有限元软件建立风机基础混凝土损伤模型,对比分析了静力荷载工况与周期性荷载工况下基础混凝土损伤变化规律。结果表明：静力荷载工况下,基础主要产生拉伸损伤,受压性能稳定,钢筋骨架未达到极限状态;相较于静力荷载,在周期性荷载作用下,拉伸损伤区域增大3倍,竖向扩展增加3倍,压缩损伤面积扩展2倍,位移量增加1.6倍,钢筋应力增大0.5倍,有助于解释周期性荷载作用下基础的损伤行为。     

风力发电结构在风沙荷载激励下的动力响应分析

为研究风沙荷载对风力发电结构的危害,对风力发电结构进行风沙荷载作用下的动力响应分析.基于某2 MW风力发电机,建立不考虑风机叶片、考虑叶片旋转以及考虑土-结构相互作用的三种有限元模型.采用Dav-enport风速谱和谐波叠加法模拟脉动风速时程,利用动量守恒定律和风沙流密度建立风沙荷载力学计算模型.通过ANSYS分别模拟...     

猫头型输电塔在覆冰与风荷载下的动力稳定

利用增量动力分析法和弧长法有限元分析了猫头型输电塔的动力稳定,对比了输电塔静力与动力失稳前、后的受力特征,分析了覆冰厚度和风向角对输电塔动力失稳的影响。通过静力失稳与动力失稳塔顶侧移比相等原则得到了不同覆冰厚度及风向角下,输电塔动力失稳临界平均风速。结果表明:杆塔失稳主要由塔身底部主材屈服、斜材面外变形增大引起;随着覆冰厚度的增加,杆塔静力失稳与动力失稳的差别加大,杆塔在风力动载下的塔顶侧移显著增加,动力失稳临界平均分风速显著减小。输电塔在风荷载作用下的整体稳定性应考虑动力效应及覆冰条件的不利影响。     

基础冲刷对海上风电场塔架支撑系统动力特性的影响分析

针对海上风力机塔柱支撑结构受到土基、海洋流体的复杂作用的特点,建立三维有限元数值模型,开展不同海床冲刷深度条件下支撑系统结构的动态特性,探讨其变化规律,为海上风力机支撑系统的动力稳定设计提供科学依据。     

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。     

寒区海上风电基础锥体动冰荷载

为了明确有冰海域加锥风电基础结构的动冰荷载模型,通过寒区风电基础锥体结构现场观测得到的海冰破碎特征数据,研究了随机动冰荷载模型在风电基础结构上的适用性;基于现场观测数据发现冰力周期和冰力幅值均服从正态分布。通过对海上风电结构及油气平台等不同尺寸锥体上测量数据的分析,建立了平均冰力周期和冰厚、冰速参数之间的关系式,对比实测周期,两者基本吻合。同时确立了平均冰力幅值与极值静冰力之间的关系,建立了锥体随机动冰荷载模型。结合此风电基础现场实测的海冰数据,模拟动冰荷载并施加到有限元模型中,对比数值分析结果与实测的结构响应加速度,结果表明两者在时域和频域上均吻合较好。可见构建的随机动冰荷载模型能够用于分析加锥风电结构抗冰性能。     

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.     

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.