水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。     

大型水平轴风力机塔筒焊缝强度分析

为实现某大型水平轴风力机塔筒截面焊缝强度设计,介绍了DIN18800-4应力计算的工程算法,针对2.0 MW直驱型风力机塔筒某一截面进行极限强度校核。根据疲劳载荷分类,提出等效疲劳损伤和时序疲劳损伤两种不同计算方法。推导了等效疲劳载荷、等效疲劳应力与等效疲劳损伤的计算公式。针对某一截面对等效疲劳损伤和时序疲劳损伤进行分析计算和结果对比,给出两者等价性条件与适用条件。结果表明,被校核的截面焊缝满足强度设计要求。提出的方法在大型水平轴风力机塔筒截面焊缝极限强度与疲劳强度分析上具有可行性和有效性。     

大型水平轴风力机塔筒顶部焊缝强度研究

为实现某大型水平轴风力机塔筒顶部焊缝的抗极限与疲劳强度设计,建立塔筒顶部的有限元模型。模型充分考虑螺栓预紧力、轴承刚度、部件间接触等非线性因素,考察了极限工况下焊缝的结构强度。基于非线性有限元模型,施加不同幅值大小、方向的弯矩,采用线性插值方法获取焊缝的时序应力值。通过雨流计数计算得到焊缝的累积损伤,并确定最大累计损伤部位。考察不同壁厚下焊缝的极限与疲劳强度,并给出结构优化方案。结果证明了所提出方法的可行性和有效性。     

风力机塔筒门洞焊缝多轴疲劳寿命预测

提出一种基于临界平面法的塔筒门洞焊缝多轴疲劳寿命预测方法,在其满足极限强度的前提下,以临界面上的最大主应力为基础,结合多轴计数法和Miner线性累积损伤理论,应用FESAFE多轴疲劳算法对门洞焊缝进行疲劳寿命分析。结果表明:塔筒结构满足设计要求,塔筒门洞的最危险位置位于门洞内壁焊趾处,与实际情况相符;验证了该方法的可行性和有效性。     

大型水平轴风力机塔筒门洞的强度研究

为了实现某大型水平轴风力机塔筒底部门洞的抗极限与疲劳强度设计,基于热点应力法,建立塔筒门洞的有限元模型,并应用疲劳分析软件,分析计算得到门洞焊趾处的极限与疲劳强度。在此基础上,考察门洞结构参数如门框宽度、门框长度、塔筒壁厚对焊趾疲劳损伤的影响,并给出相应的结构优化方案。结果表明,所提出的方法在大型水平轴风力机塔筒门洞设计上具有可行性和有效性。     

大型水平轴风力机柔性传动与振动分析

鉴于风力机传动轴和齿轮箱在非常规风况下易遭损坏,传动链的动态载荷和转矩波动的减少在设计过程起重要作用。考虑传动轴及齿轮箱支撑的柔性,建立十二体动力学模型。应用数字仿真,研究风力机在不同运行阶段及在不同的气动载荷和电磁转矩下的振动特性,并用遗传算法对传动系统的柔性参数优化求解。仿真结果表明柔性传动可有效抑制传动链的扭转振动。     

大型水平轴风力机塔影效应特性研究

为了研究塔影效应对大型水平轴风力机的影响,选取NREL 5MW风力机作为研究对象,利用Fluent软件对单台风力机的不同工况进行数值模拟。结果表明:塔影效应的影响主要发生在叶片方位角为140°~210°的时域内;当叶片扫掠过塔筒时,其不同周向位置的转矩和轴向推力出现大幅波动,转矩的相对波动幅度随来流风速的减小而减小,叶片所受轴向推力的相对波动幅度随来流风速的减小而增大;由于叶片尖部周向线速度较大,在研究塔影效应时需考虑叶轮旋转效应的影响;对于风力机尾迹流场,旋转半径越大处,塔筒造成的尾迹越明显,其长度约为叶轮直径的2倍。     

大型水平轴风力发电机组塔筒非线性屈曲分析

以某大型水平轴风力发电机组塔筒为研究对象,通过理论计算和有限元数值模拟的方法,对该塔筒临界屈曲载荷进行计算和分析。研究结果表明经典工程计算屈曲临界值往往偏高,而基于有限元的非线性屈曲分析能够考虑几何非线性和材料非线性等因素,其结果可作为对工程算法的修正,为工程实际提供参考,为塔筒结构屈曲优化提供优化方向和初始参数。     

水平轴风力机锥形塔筒的静动态特性研究

根据叶素动量理论,考虑三维紊流风场、Beddoes-Leishman动态失速模型、惯性载荷及重力载荷计算了风力机的整机载荷,进而得到塔架动态载荷的极限工况,针对塔架的结构特点,再应用有限元理论,对水平轴风力发电机组塔架的静态(强度)、动态(屈曲、模态)特性进行了研究。以一台1.5MW水平轴风力发电机组为例,计算了塔架在不同极限工况下的载荷,并对塔筒进行了强度、屈曲和模态分析,得到了具有较大工程实用价值的塔筒静动态分析方法。     

水平轴风力机塔筒近尾迹流场PIV实验研究

应用PIV粒子图像测速技术,在风洞中测量水平轴风力机模型塔筒的近尾迹流场。通过对模型风力机在不同运行尖速比下、不同叶高平面内的塔筒近尾迹速度场和涡量场的分析,得到了塔筒近尾迹流场的结构特征,为水平轴风力机气动设计、性能预测及CFD数值模拟提供了依据。实验结果表明,受到风轮旋转效应的影响,在水平轴风力机塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹在水平面内向一侧明显偏转,近尾迹流场相对塔筒中心轴面呈非对称分布。随着尖速比的减小,塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹涡流宽度逐渐增大,且尾迹向一侧偏转的程度也越大。风力机叶片对塔筒近尾迹涡流的影响,在叶根部位高度平面内尤为显著,随着叶片高度的增加,叶片对塔筒近尾迹涡流的影响逐渐减弱。     

大型水平轴风力机塔架的风诱发振动响应

分析了大型水平轴风力机塔架在地面风作用下的受力情况，给出定态风和非定态风诱发的塔架振动响应的计算方法，对一实际塔架进行计算和仿真结果表明，该计算方法在工程应用中是合理的。     

低风速型风电机组高柔塔筒涡激振动疲劳损伤评估

为实现低风速型风电机组高柔塔筒抗疲劳设计,以某140 m柔塔机组为研究对象,采用欧盟标准EN 1991-1-4推荐的有效相关长度法和频谱模型法,开展涡激振动疲劳损伤评估。基于有限元法建模获取结构固有模态属性;由疲劳应力-寿命（S-N）曲线、风速瑞利分布和Miner法则推导塔筒疲劳应力范围和损伤规则;对比分析柔塔与刚塔两类机型临界风速分布和焊缝疲劳损伤分布。结果表明：柔塔更易激发二阶涡激振动,二阶涡激载荷显著增大,其损伤对不同风场条件（年平均风速、风切变）极为敏感;在6.5 m/s设计风速下,45%～85%塔筒高度处疲劳损伤均超过IEC 61400-6塔架与基础设计要求20年损伤限值0.1,存在疲劳破坏风险,须考虑加阻措施或优化结构设计。     

大型水平轴风力机模型分析及鲁棒控制

本文利用系统辨识的方法分析了水平轴风力机的模型。采用分解的方法将风速分解成平均分量和脉动分量两个部分，平均分量的作用归入名义模型，脉动分量的影响归入模型的不确定部分，并在此基础上设计出相应的鲁棒控制器。     

大型风力机筒式塔架涡致振动的数值分析

应用有限元数值分析方法分析了1.5MW变速变桨距风电机组圆筒型塔架在非定常气动力作用下的动力学响应.数值计算了塔架的动力特性,考察了风轮及机舱重量对塔架固有频率的影响;研究了作用在圆筒型塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;根据作用在塔架上的气动力,计算了塔顶处横向和顺风向在过临界和超临界条件下的动态位移.计算结果表明:非定常气动力是引起塔架振动的重要原因,研究塔架的动态问题比静态问题更重要.该文的工作也为风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

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 Harto...     

水平轴风力机筒型塔架动态响应分析

为获得水平轴风力机塔架在时变载荷作用下的动态响应,将塔架简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,分析了塔架弯曲振动固有动力特性。在建立塔架结构动力学运动方程、计算塔架所受时变载荷的基础上,运用线性加速度法和模态叠加原理对风力机塔架的动态响应进行计算,编制了相应的计算机程序。以某1.0MW风力机塔架为例,获得了风力机在湍流风运行条件下塔架在仿真时间内的位移、速度和加速度,并与"GHBladed"软件的计算结果进行了比较,表明计算模型是可行的。     

大型水平轴风力机噪声的测量

阐述了风力机噪声的传播、衰减和针对噪声的评估准则,以及风力机噪声的测量原理。针对风力机噪声测量测点布置进行了优化,给出了风力机噪声的测量实验方案和装置,并且采用自由声场法对风力机噪声进行了测量,得出了风力机噪声和周围环境噪声之间的合成声压级。     

大型水平轴风力机风轮模型风洞试验

以1.5 MW风力机风轮模型为研究对象,利用自行设计建造的测试平台在北京航空航天大学D4风洞开展风轮气动性能测量试验。试验结果表明:启动风速约为4 m/s,启动力矩为0.034 Nm(试验条件);额定状态下的风能利用系数为0.41,最大风能利用系数为0.42。在5~20 m/s实验风速范围内,风轮气动性能良好。