考虑连接段厚度影响的风力机组合塔架优化设计*

钢-混组合塔架是低风速地区风力机支撑结构的主要型式之一,连接段对结构的性能有重要影响,组合塔架结构设计直接影响风力机的安全与建设成本。为改善塔架的结构性能以及降低塔架造价,构建了以各塔段外径、壁厚、连接段厚度和混凝土段高度等关键几何尺寸为设计变量,以塔架的固有频率、应力、位移和稳定性等关键性态指标为约束条件,以塔架成本为目标函数的优化设计数学模型。利用模型对某3 MW风力机组合塔架进行优化设计。结果表明：优化方案的塔架总成本减少了15.7%,塔架的整体结构性能得到一定改善;混凝土段高度为塔架总高度的62%时总成本最低;考虑连接段厚度的优化模型能有效调整连接段的受力性能,有利于提高塔架整体优化的效果。考虑组合塔架连接段厚度的优化设计可为同类塔架的设计提供参考。     

风电预应力混凝土-钢混合塔架设计优化研究

风电预应力混凝土-钢混合塔架建设成本是结构选型的重要影响因素,该文基于改进粒子群算法与有限元方法提出一种优化方法,以2.5 MW风力机塔架为对象,取造价为目标函数,考虑上下塔段强度、刚度、稳定性、疲劳、塔顶位移以及结构自振频率等约束条件,实现了塔架截面及塔段高度优化。结果表明:风电混合塔架最不利荷载组合应取切出风速工况下水平气动力为第一可变荷载的荷载组合情况;钢塔段厚度对造价影响最大,其次为混凝土段高度与厚度;塔架的混凝土段高度约占塔架总高的75%时造价最低。     

大型风电机组柔性塔架结构改进研究

针对大型风电机组柔性塔架分段处的动态响应问题,文章利用双向流固耦合法对塔架分段处法兰进行流体与结构动力学分析,得出动力响应曲线。将考虑耦合作用与未考虑耦合作用的塔架法兰的应力、位移进行对比,经过基本应用理论分析,提出塔架结构改进措施。对比结果表明:考虑耦合作用的塔架法兰位移、应力变化幅度均比未考虑耦合作用的小;结构改进后的塔架应力、位移变化幅度相对较小。     

漂浮式风力机多频调谐质量阻尼器控制及其参数优化设计

以ITI Barge型漂浮式风力机为研究对象,在机舱和塔架中配置参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),组成多频调谐质量阻尼器(MTMD)系统。基于多岛遗传算法,对MTMD系统进行参数优化,并比较了无控制、无优化MTMD控制及优化MTMD控制下风力机的稳定性。结果表明:MTMD对塔顶纵向位移和平台横摇角有很好的抑制效果;风力机塔顶纵向位移和平台横摇角均随机舱TMD质量和塔架TMD质量的增大而减小,随TMD阻尼的增大而增大;优化MTMD控制后,风力机稳定性进一步提升,其塔顶纵向位移和平台横摇稳定性分别提升了80.4%和83.8%。     

大型风力机地震动力学响应及稳定性控制研究

为保障极端复杂环境下风力机塔架的结构安全,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于开源软件FAST预留数据接口开发地震载荷计算模块,研究气动阻尼和地震对风力机结构响应的影响,并在机舱和基础平台安装调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对塔架的振动进行控制。结果表明:塔顶响应主要受地震载荷影响,气动载荷对其影响较小,且气动阻尼在一定程度上可以抑制塔架的动力响应,风-震耦合效应不可忽略;地震诱导塔架振动,安装TMD可有效减缓塔架振动和降低塔架弯矩,保证风力机的结构安全和运行稳定。TMD与结构质量比u=0.01,阻尼系数ξ=0.1时,减振控制效果最佳。     

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。     

大型近海风力机塔架地震动力学响应分析

地震激励严重威胁风力机正常稳定运行,以丹麦科技大学(DTU)与Vestas公司联合研发的DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑海床土壤柔性,基于有限元及p-y曲线法,研究风力机塔架在3种实测地震激励作用下的瞬态动力学响应。结果表明:强震级、长时间的地震激励对塔架造成严重破坏;地震发生时塔顶位移最大、应变能集中于塔基;塔顶振动方向、形变位置、剪切应力及应变能集中区域因地震加速度的方向大小而改变。     

海冰载荷作用下海上风力机TMD减振研究

为保证桩柱式海上风力机塔架结构稳定和系统运行安全,提出安装于机舱内的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),以减弱海冰与湍流风联合作用环境下的风力机振动。基于多体动力学开源仿真软件(FAST),通过计算并分析NREL 5 MW海上风力机风-冰联合作用下塔顶振动特性,发现TMD控制对前后向的塔顶位移及塔基剪切力影响较小,但可以有效降低侧向的塔顶位移及塔基剪切力,降低幅度分别达39%与52%。同时,塔架一阶固有频率处的响应降低64%与90%,说明TMD装置能有效减弱风力机振动,保护风力机安全。     

基于TMD的半潜式风力机振动控制

针对某5 MW半潜式风力机的振动控制进行研究,以单纯形遗传算法(SCGA)分别对有无行程限制的调谐质量阻尼器(TMD)的固有频率、阻尼比进行参数优化,探讨经过优化参数后的TMD对风力机关键部位位移和载荷的影响。在SIMPACK软件中建立半潜式海上风力发电机组的多体动力学模型,在5种工况下对风力发电机进行动力学仿真分析。仿真结果表明,相较于有行程限制的TMD,施加行程限制后的TMD减振效果变差,但考虑到机舱空间的实际大小,TMD施加行程限制仍有一定的参考意义,且纵向减振效果优于横向减振效果。     

大型风电机组塔架-叶片耦合振动对风力机柔性多体系统稳定性的影响

针对大型风电机组塔架-叶片耦合振动引起的风力机柔性多体系统稳定性问题,利用刚体有限元法对塔架-叶片耦合结构进行建模,并考虑塔架的结构参数对系统稳定性产生的影响,计算系统及各部件的自然频率,对风电机组塔架-叶片耦合结构进行振动分析。采用谐波合成法产生的气动载荷,对塔架-叶片耦合结构进行风振响应分析,从而得出塔架-叶片耦合振动及结构参数对于风力机柔性多体系统的影响。结果表明,塔架截面惯性矩与系统的自然频率呈非线性关系,1阶弯曲频率曲线最大值对应的塔架截面惯性矩为21 m~4,频率为1.25 Hz;振动最大位移量为0.85 m,发生在一阶屈服频率;塔架高径比最大值为26,自然频率最大值为5 Hz。该结果说明塔架结构参数变化及塔架-叶片耦合振动位移对风力机柔性多体系统稳定性产生一定的影响,从而为大型风电机组正常运行提供一定参考价值。     

柱状漂浮式风力机结构振动控制

针对柱状漂浮式风力机的结构振动控制展开研究。首先为进行调谐质量阻尼器(TMD)参数的优化,对风力机模型进行简化,并对简化模型中的未知参数进行估计;随后,基于简化模型分别使用公式法和遗传算法对TMD参数进行优化,并通过比较塔顶前后位移的标准偏差确定最终的优化方法;最后,为评估TMD对风力机振动控制的影响,构建风力机的联合仿真模型,并在3种典型工况下进行仿真分析。仿真结果表明,所设计的TMD可以很好地降低漂浮式风力机的载荷以及位移,有效抑制塔顶振动加速度与系泊缆绳有效张力,同时可有效降低额定风速以上时电功率输出的标准偏差,使电功率输出更加稳定。     

单桩海上风力机风致振动变阻尼控制研究

风致振动是大型风力机发生破坏性事故的主要原因.为探究半主动控制在近海单桩风力机风致振动控制中的应用效果,基于ABAQUS有限元软件二次开发了风力机半主动控制模块,以单桩式NREL5 MW海上风力机为研究对象,通过磁流变阻尼器对Bang-Bang控制、改进Bang-Bang控制及Lyapunov控制3种半主动控制算法在单...     

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。     

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。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

基于SMA阻尼器控制的鼓型塔风振响应分析

以某220kV输电线路的风致振动为例,研究了基于SMA阻尼器的鼓型塔振动控制方案和控制效果。先应用有限元软件ANSYS建立鼓型塔的有限元模型,采用线性自回归滤波器法模拟随机脉动风荷载的时程样本,再应用能量法计算所需阻尼器数量,根据SMA阻尼器的工作原理和鼓型塔的结构特点,设计了3种阻尼器布置方案进行结构风致振动瞬态响应仿真,提取各方案控制点位移、加速度时间历程进行比较分析。结果表明,安装SMA阻尼器后,对塔顶位移、加速度的最大减振率分别为37.8%、75.4%,方案3为最优布置方案,可见将SMA阻尼器应用于输电塔振动控制效果较好,合理设计阻尼器布置方案能使阻尼器发挥最大耗能功能,获得最好控制效果。     

Dynamic behavior of wind turbines influenced by aerodynamic damping and earthquake intensity

In the present paper the effects of aerodynamic damping and earthquake loads on the dynamic response of flexible‐based wind turbines are studied. A numerical analysis framework (NAF) is developed and applied. NAF is based on a user‐compiled module that is developed for the purposes of the present paper and is fully coupled with an open source tool. The accuracy of the developed NAF is validated through comparisons with predictions that are calculated with the use of different numerical analysis methods and tools. The results indicate that the presence of the aerodynamic loads due to the reduction of the maximum displacement of the tower attributed to the dissipation of earthquake excitation energy in fore‐aft direction. Emergency shutdown triggered by strong earthquakes results to a rapid change of aerodynamic damping, resulting to short‐term instability of the wind turbine. After shutdown of the wind turbine, enhanced dynamic response is observed. For the case where the wind turbine is parked, the maxima displacement and acceleration of tower‐top increase linearly with the peak ground acceleration. With the use of the least‐square method a dimensionless slope of tower‐top displacements is presented representing the seismic response coefficient of tower that can be used to estimate the tower‐top acceleration demand. Moreover, on the basis of the seismic response coefficient, an improved model for the evaluation of load design demand is proposed. This model can provide accurate predictions.     

Aerodynamic loads calculation and analysis for large scale wind turbine based on combining BEM modified theory with dynamic stall model

The aerodynamic loads for MW scale horizontal-axis wind turbines are calculated and analyzed in the established coordinate systems which are used to describe the wind turbine. In this paper, the blade element momentum (BEM) theory is employed and some corrections, such as Prandtl and Buhl models, are carried out. Based on the B-L semi-empirical dynamic stall (DS) model, a new modified DS model for NACA63-4xx airfoil is adopted. Then, by combing BEM modified theory with DS model, a set of calculation method of aerodynamic loads for large scale wind turbines is proposed, in which some influence factors such as wind shear, tower, tower and blade vibration are considered. The research results show that the presented dynamic stall model is good enough for engineering purpose; the aerodynamic loads are influenced by many factors such as tower shadow, wind shear, dynamic stall, tower and blade vibration, etc, with different degree; the single blade endures periodical changing loads but the variations of the rotor shaft power caused by the total aerodynamic torque in edgewise direction are very small. The presented study approach of aerodynamic loads calculation and analysis is of the university, and helpful for thorough research of loads reduction on large scale wind turbines.     

组合式风力发电塔架静力学有限元分析

为解决常规的锥型风力发电塔筒在大型风电机组中的制作、加工和施工运输成本大幅上升的问题,提出了新型组合式风力发电塔架结构以及在组合式塔架连接处采用过渡段连接的改进方案。分析了组合式塔架的静力学特点和最佳过渡段设计方案,并与常规锥台型塔筒的力学性能进行了对比。结果表明,组合式塔架在额定工况和暴风工况下均满足强度和刚度要求;过渡段最佳厚度为255mm、高度为25m,改进后的塔架提高了组合式塔架的力学性能;暴风工况下,改进后的组合式塔架塔顶位移比锥台型塔筒约小17%,且总体上组合式塔架的用钢量明显小于锥台型塔筒,具有良好的经济适用性能。     

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,纵波相对于横波影响较小;风力机在水平方向的结构响应比竖向更剧烈,垂直方向的结构响应在结构分析时可忽略不计。叶片的结构响应主要由风载荷造成;因风载荷在来流方向的作用导致塔顶流向位移和塔架侧向弯矩受风载荷和地震载荷同时影响,塔顶侧向位移和塔架流向弯矩受地震载荷作用更显著。