地震对不同容量风力机塔架动力响应规律研究

为研究湍流风与地震联合作用下风力机塔架动力响应规律,以AOC 50 kW、WindPACT 1.5 MW和NREL 5 MW 3种不同容量风力机为研究对象,考虑土-构耦合模型效应,基于开源软件FAST预留数据接口,编译地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震激励实时耦合的动力仿真模型。基于ASCE标准地震反应谱,得到20种不同强度的地震加速度,计算了不同强度地震与湍流风联合作用下的风力机塔架动力学响应。结果表明:地面加速度峰值(Peak Ground Acceleration,PGA)为0.3g时,湍流风与地震联合作用对塔基剪切力和弯矩影响较大;随地震强度的增大,塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性;发现国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)和美国风能协会/美国土木工程师协会(American Wind Energy Association/The American Society of Civil Engineers,AWEA/ASCE)对地震载荷与风载荷共同作用下的载荷预估模型结果误差较大,并提出了新的高精度模型,可为风力机塔架载荷预估及预防地震风险提供一定的参考。     

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.     

不同水深海上风力机塔架地震动力响应研究

开发了风力机地震仿真平台SAF(Seismic Analysis Framework),以DTU 10 MW海上风力机为研究对象,建立其地震激励下的动力仿真模型,分析4种水深(20～50 m)时20组不同强度地震、额定风速湍流风与波浪流联合作用下风力机塔架动力响应。研究表明:地震作用对横向塔顶位移及横向平面内的塔基弯矩影响较大,来流方向塔顶位移及来流平面内的塔基弯矩主要受湍流风影响;在存在地震激励时,塔架不同高度处位移、剪切力及弯矩响应均大于湍流风与波浪流作用时;地震强度较弱时,不同水深处风力机塔顶位移与弯矩差距较小,但塔基弯矩随着水深的增大而增大;地震强度较大时,水深对风力机塔顶位移与塔基弯矩影响很大,相同地震强度的响应深水大于浅水。     

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。     

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。     

高风速及风突变对风力机柔性部件振动特性研究

风力机运行在复杂多变的自然环境之中,风是影响风力机气动特性和振动特性的最直接因素,高风速及风速突变将诱发风力机更强的气动载荷。为探究风力机柔性部件在高风速及突变湍流风作用下的振动特性,以NREL(美国国家能源部可再生能源实验室)实测数据为湍流风数据源,并添加相干结构描述风速突变,以NREL 1.5 MW近海桩柱式风力机为样机,建立基于Kane方法的风力机结构动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化,而后将该模型与风场和气动力模型一起组成气-弹相互耦合系统动力学模型,分别研究了风力机叶片和塔架的结构动力学响应。结果表明:相干结构的添加可使基础湍流风具有更大的风突变以及更高的湍流强度;额定风速附近,叶尖位移体现为挥舞,切出风速附近,叶尖位移同时体现为挥舞和摆振;相干结构的添加使得叶片和塔架振动加速度成倍增加。     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

基于精确桩土模型的桁架式大型海上风力机地震动力学响应分析

为更精确研究桁架式大型海上风力机在地震载荷作用下的结构动力学响应,建立桩土模型,描述土体物理性质与桩-土间的相互作用,以桁架式支撑结构的美国可再生能源实验室(NREL)5 MW海上风力机为研究对象,建立有限元模型并分析在湍流风与地震联合作用下的动力学响应。结果表明:相较于湍流风,地震作用对桁架式海上风力机动力学响应的影响更加剧烈;地震导致塔顶位移显著增大;桁架结构与塔架的连接处存在Mises应力积聚,且在地震影响下其更为严重;地震对桩基的运动状态产生显著影响,位移最大值出现在桩底。     

基于土基-结构耦合作用的风力机塔架地震时频特性分析

为研究不同土质时地震载荷对大型风力机结构动力学响应的影响,基于Wolf方法建立风力机基础平台与土体的耦合模型,通过FAST软件仿真Wind PACT 1.5 MW风力机在不同土质和不同地震强度时塔架的动力学响应。通过分析不同工况下风力机的结构动力学响应,发现地震载荷对塔顶位移和塔基弯矩的影响不可忽略,尤其是塔顶侧向位移和塔基俯仰力矩。在九级设防烈度地震作用下,相比无地震工况,软土、硬黏土和岩土地质风力机塔顶侧向位移分别增大925%、785%和771%。且由于软土阻尼最小,能量耗散小,所以地震后塔架响应降低的速率最慢。     

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。     

不同海况及伺服系统作用下10 MW单桩式风力机地震易损性研究

为探究不同海况及伺服系统下单桩式近海风力机的地震易损性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立风浪相关的地震-湍流风-波浪多物理场模型,研究其在变速变桨伺服系统下的动力特性,基于增量动力分析方法评估其地震易损性。结果表明：变速变桨伺服系统可有效缓解风力机高风速下无地震作用时的塔顶振动;当风轮在大推力下,较小的波浪载荷一定程度上可降低风力机塔顶振动及塔底弯矩;随地震动强度增加,风力机各临界损伤状态失效概率逐渐增加;风力机地震易损性主要由地震动强度决定,波浪载荷与湍流风载荷对风力机地震易损性影响较小。     

极限环境载荷诱导风力机结构振动影响分析

风力机桩基、塔架及连接部件构成的支撑结构属顶部承担较大质量的力学结构,地震对其造成的影响远大于常规建筑.针对上述问题,基于NREL开发计算平台,联合TurbSim、AeroDyn、FAST及Seismic,对变风载荷、变地震载荷(波形、强度)下的风力机动力学响应进行研究.发现:地震横波对风力机结构响应造成剧烈影响,纵波...     

基于MTMD的Barge型漂浮式风力机稳定性控制研究

为提高漂浮式风力机的稳定性,以NREL 5 MW风力机及ITI Barge平台为控制对象,在传统单个调谐质量阻尼器(STMD)基础上提出风力机机舱及塔架中配置不同动力特性调谐质量阻尼器(TMD)的新型多重调谐质量阻尼器(MTMD)控制方法,分别研究其在环境载荷作用下队海上漂浮式风力机稳定性的控制效果。研究表明:STMD及MTMD对漂浮式风力机塔顶左右位移控制效果较明显,波动范围分别减小38%和45%,稳定性分别提高41%和46%;在STMD及MTMD控制下,漂浮式风力机平台横荡和横摇降幅明显;MTMD对漂浮式风力机塔架和平台的动态响应控制效果优于STMD控制。     

Centrifuge modeling to evaluate natural frequency and seismic behavior of offshore wind turbine considering SFSI

Understanding of dynamic response of offshore wind turbine is important to reduce vibration of offshore wind turbine induced by structural and environmental loadings. Although dynamic characteristics of the offshore wind turbine such as natural frequency and seismic behavior are affected by foundation and soil conditions, there are little experimental studies about the dynamic behavior of offshore wind turbine with consideration of proper soil–foundation–structure interaction (SFSI). The goal of this research is to evaluate the natural frequency and seismic behavior of offshore wind turbine with a monopod foundation considering SFSI. Scaled model of offshore wind turbine and monopod foundation is produced for this research. Geotechnical centrifuge tests in fixed‐based and SFSI condition were performed to measure natural frequency in each case. Also, a series of seismic loadings with different intensities are applied to observe seismic behaviors of the offshore wind turbine during the earthquake and permanent changes after the earthquake. Experimental results show apparent natural frequency reduction in SFSI condition compared with the fixed‐based condition, non‐linear changes in dynamic response during a series of earthquakes and permanent changes occurred in natural frequency and rotational displacement after earthquakes. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

大型海上风力机地震冲击角动力学响应分析

为研究海上风力机在不同地震冲击角下的动力学响应,基于p-y曲线法构建土-构耦合模型,基于DTU 10 MW 单桩式近海风力机建立有限元模型,研究地震冲击角变化对大型海上风力机地震动力学响应的影响。结果表明：0°和90°地震冲击角下风力机结构受载荷响应最剧烈;当地震冲击角为锐角时,塔顶前后向和侧向位移幅值均下降,总应变能集聚现象显著缓解;地震冲击角为15°和30°时风力机等效应力均值相对其他角度有明显下降。因此,主动调整风力机叶轮朝向以调整地震冲击角可能成为风力机受地震冲击后降低损害的有效控制方式。     

地震作用下的风电机组振动仿真分析

应用基于多柔体动力学的联合仿真技术对地震作用下的风力发电机振动响应进行了研究。首先采用GDW理论进行风力机气动载荷计算分析,在Fortran下建立风力发电"叶轮—机舱—塔架"整机的多柔体系统动力学模型,将该系统模型转化为ADAMS分析模型。然后通过动态链接文件和根据Eurocode8编写的地震载荷谱,在ADAMS中进行地震作用下的风力机系统联合仿真。仿真数据同Bladed软件结果比较表明,该联合仿真方法可较好的模拟风力机在地震作用下的振动响应。该文为研究地震对风力发电机的影响进行了一次有益的探索。     

Properties of the offshore low level jet and rotor layer wind shear as measured by scanning Doppler Lidar

The atmospheric flow phenomenon known as the Low Level Jet (LLJ) is an important source of wind power production in the Great Plains. However, due to the lack of measurements with the precision and vertical resolution needed, particularly at rotor heights, it is not well‐characterized or understood in offshore regions being considered for wind‐farm development. The present paper describes the properties of LLJs and wind shear through the rotor layer of a hypothetical wind turbine, as measured from a ship‐borne Doppler lidar in the Gulf of Maine in July–August 2004. LLJs, frequently observed below 600 m, were mostly during nighttime and transitional periods, but they were also were seen during some daytime hours. The presence of a LLJ significantly modified wind profiles producing vertical wind speed shear. When the wind shear was strong, the estimates of wind power based upon wind speeds measured at hub‐height could have significant errors. Additionally, the inference of hub‐height winds from near‐surface measurements may introduce further error in the wind power estimate. The lidar dataset was used to investigate the uncertainty of the simplified power‐law relation that is often employed in engineering approaches for the extrapolation of surface winds to higher elevations. The results show diurnal and spatial variations of the shear exponent empirically found from surface and hub‐height measurements. Finally, the discrepancies between wind power estimates using lidar‐measured hub‐height winds and rotor equivalent winds are discussed. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

On wind turbine loads during the evening transition period

The late afternoon hours in the diurnal cycle precede the development of the nocturnal stable boundary layer. This “evening transition” (ET) period is often when energy demand peaks. This period also corresponds to the time of day that is a precursor to late‐afternoon downbursts, a subject of separate interest. To capture physical characteristics of wind fields in the atmospheric boundary layer (ABL) during this ET period, particularly the interplay of shear and turbulence, stochastic simulation approaches, although more tractable, are not suitable. Large‐eddy simulation (LES), on the other hand, may be used to generate high‐resolution ABL turbulent flow fields. We present a suite of idealized LES four‐dimensional flow fields that define a database representing different combinations of large‐scale atmospheric conditions (characterized by associated geostrophic winds) and surface boundary conditions (characterized by surface heat fluxes). Our objective is to evaluate the performance of wind turbines during the ET period. Accordingly, we conduct a statistical analysis of turbine‐scale wind field variables. We then employ the database of these LES‐based inflow wind fields in aeroelastic simulations of a 5‐MW wind turbine. We discuss how turbine loads change as the ET period evolves. We also discuss maximum and fatigue loads on the rotor and tower resulting from different ABL conditions. Results of this study suggest that, during the ET period, the prevailing geostrophic wind speed affects the mean and variance of longitudinal winds greatly and thus has significant influence on all loads except the yaw moment which is less sensitive to uniform and symmetric incoming flow. On the other hand, surface heat flux levels affect vertical turbulence and wind shear more and, as a result, only affect maximum blade flapwise bending and tower fore‐aft bending loads.