风力机结构耦合振动分析

采用通用动态尾流理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/Simulink进行编程,建立了风力机传动链的数学模型。在MATLAB/Simulink中进行传动链系统的编程运算,建立了风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,并利用MATLAB/Simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真。仿真时将气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时考虑风力机的结构变形对气动性能、传动性能产生的影响。仿真最终实现了风力机系统振动性能耦合分析,其数据同实验测试数据比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的振动特性。     

风力机叶片动力学响应的数值模拟研究

针对旋转风轮的工作特性,考虑风力机叶片空气动力学载荷、惯性载荷及重力载荷的耦合效应,建立了风力机叶片交变载荷的计算模型。基于叶片的载荷模型,以结构动力学理论为基础,在研究叶片位移向量与振动变形之间关系的基础上,提出风力机叶片动力学响应的数值模拟方法。选取某5MW风力机为研究对象,分析了该风轮的空气动力学性能,数值模拟了额定风轮转速和额定风速下风力机叶片的轴向和切向载荷分布,以及该载荷特性下叶片在挥舞方向和摆振方向的振动速度和振动加速度变化规律。     

风力机总体性能分析与仿真

采用叶素动量理论对风力机进行气动力的计算分析,用VC开发计算程序,将计算的气动载荷加载到风力机AD-AMS仿真模型上,在MATLAB/Simulink下建立风力机传动系统的仿真模型;将传动系统模型同ADAMS模型进行联合,实现对风力机系统总体性能的联合仿真.仿真数据同国际有名的风力机分析软件计算数据比较,结果表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的总体性能.     

风力机系统的动力学性能分析

采用叶素动量理论对风力机进行气动力的计算分析,用VC开发计算程序,将计算的气动载荷加载到风力机ADAMS仿真模型上,在MATLAB/Simulink下建立风力机传动系统的仿真模型;将传动系统模型同ADAMS模型进行联合,实现对风力机系统总体性能的联合仿真.将仿真数据同国际风力发电专用计算软件计算数据比较,表明该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的总体性能.     

极端风速条件下风力机结构动力响应特性研究

为评估极端风速条件对风力机动力响应的影响，掌握风力机运行中的不利风速条件，以某2MW陆上风力机为例，基于FAST软件分别进行极端运行阵风、极端方向变化、垂直极端风切变和水平极端风切变四种条件下的风力机动力响应计算，并将结果与稳态风作用下的结构响应对比，分析不同极端风速条件对风力机动力响应的影响。算例结果表明，垂直极端风切变对叶根挥舞弯矩变化幅值最大；俯仰弯矩是塔底的控制载荷，在持续极端风速条件的范围内，极端运行阵风是塔底俯仰弯矩的最不利风速条件；当出现极端风向变化且未进行风力机偏航操作时，载荷与振动幅值将高于原有水平，加剧风力机结构发生疲劳破坏的风险。     

基于气弹耦合理论的风力机叶片气动与结构性能数值模拟

以动量叶素理论为基础,充分考虑叶尖损失对风轮空气动力学特性的影响,建立了新的风力机叶片气动性能分析模型。基于结构动力学原理,建立了风力机风轮旋转工作条件下叶片的结构性能分析模型。通过研究风力机叶片在其载荷特征作用下的变形对风场来流的影响,耦合叶片的气动及结构力学模型,提出了一种旋转风力机叶片的气动与结构性能分析方法,使得风力机叶片的性能参数分析更为准确。以某5MW风力机风轮为算例,数值模拟了该风轮的气动载荷及输出功率特征,对比分析了该风轮不同风速及不同时刻条件下叶片的预弯变形及振动特性,很好的验证了提出模型的可靠性。研究结果对风力机叶片的疲劳寿命预测和振动噪声预估有着重要的理论意义。     

基于TMD控制的风力机结构抗震研究

湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制,以NREL 5 MW风力机为研究对象,通过Wolf方法建立土-构耦合模型,基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块,通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明:地震载荷极大加剧了塔架侧向振动,激振频率为塔架一阶侧向固有频率;TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小,其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%,标准差减小了67%,塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低,高达90%;塔顶侧向加速度变化幅度降低4%,标准差缩小了61%,塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明,TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制,提高风力机运行稳定性。     

变载荷下风力机齿轮传动系统的动态响应分析

根据风力发电机组在随机风场中变速、变载的工作特点,基于组合风速模型,研究了由随机风速引起的时变载荷(扭矩)。综合考虑了风力机齿轮传动系统的内、外部激励,利用拉格朗日方法推导出其动力学方程,对变载荷下风力机齿轮传动系统的动力学特性进行仿真计算分析,获得了风力机各级齿轮的振动位移和各齿轮副的动态啮合力,为风力机齿轮传动系统的振动特性分析和结构优化设计奠定了基础。     

柔性支承下风力机齿轮传动系统非线性动力学分析

针对大型风力机塔架的柔性支承特性及其对风力机齿轮传动系统动态性能的影响,运用振动力学理论建立包含塔架刚度、时变啮合刚度、啮合阻尼和齿侧间隙等因素风力机齿轮传动系统的非线性动力学模型,基于4-5阶变步长龙格库塔对系统的无量纲非线性动力学进行求解,研究柔性支承下的风力机齿轮系统的振动特性。通过对目前国内1.5MW主流风力机齿轮系统进行实例分析,得到风力机在风载荷作用下塔架和风力机齿轮传动系统的二级平行轴斜齿轮传动系统的动力学特性。分析结果表明,在风载荷作用下,柔性支承下的风力机齿轮系统振动更加剧烈;竖直风力机塔架刚度减小,风力机齿轮相对扭转振动响应由倍周期分岔进入混沌运动。     

抗震风力机结构设计载荷需求研究

为研究风力机结构设计载荷需求与抗震强度之间的关系,通过Wolf方法考虑土-构耦合效应,并基于开源软件FAST建立通用的风力机地震工况动力学仿真模型。以AOC 50 k W、Wind PACT 1.5 MW和NREL 5 MW三台不同功率的风力机为研究对象,计算101种不同强度地震与湍流风联合作用下,三台风力机在不同运行方式下的结构动力学响应。结果表明:地震载荷加剧了风力机塔顶振动,在加速度峰值为2.14 m/s~2的地震作用下,NREL 5 MW风力机机舱加速度波动范围增大4.7倍。由此诱发紧急停机,叶片顺桨过程中使得气动阻尼急剧降低,从而导致结构载荷发生增幅振荡,说明地震发生时,紧急停机操作并不能有效降低塔顶振动。在高强度地震工况下,塔基弯矩最大响应值与设计地震加速度峰值之间为线性关系。提出了一种新的塔基结构强度设计需求预估模型,在不同强度地震范围均有较高的拟合度,可为抗震型风力机结构载荷设计提供较高的参考价值。