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。     

基于均匀设计的风力机塔架结构参数优化研究

针对大型水平轴风力机塔架结构优化过程中主要影响要素不显著问题,以塔架塔顶与机舱底座连接处为研究对象,采用均匀设计法对连接处2要素(厚度、高度)进行U*9(92)静强度试验设计并进行数值仿真模拟。研究结果表明:塔架最大变形值与最大应力值与连接处2要素(厚度、高度)呈线性与双曲抛物面函数关系,其中高度变化较厚度变化对塔架的应力值变化影响更大,优化塔顶结构参数后比原塔架最大应力值减小0.89%,最大位移值减少0.22%,质量降低0.24%,该研究为风力机塔架多目标结构优化设计提供理论依据。     

结构弹性对桨距角突变下风力机气动性能的影响

对桨距角突变情况下的风力机气动性能进行了数值模拟,着重分析了风力机叶片非对称性、叶片结构弹性及塔架结构弹性对气动性能的影响,并模拟了桨距角突变情况下风力机气动性能的过冲现象.结果表明:变桨前后主轴扭矩的波动主要是由于风力机2个叶片质量非对称引起的,而风力机叶片结构弹性加剧了风轮主轴扭矩在过冲过程的振荡;风力机叶片非对称性、叶片结构弹性及塔架结构弹性共同作用是导致轴向推力出现波动的主要原因.     

基于遗传算法的风力机塔架最优化设计方法

探讨了遗传算法在风力机塔架结构优化设计中的应用.通过对经典遗传算法进行改进,建立了存在约束条件的遗传算法优化设计模型;考虑结构受力特点,给出了塔架体系在屈曲性能约束条件下的最优化设计方法.另外,针对遗传算法容易收敛到局部最优点的缺陷,改变各变量相应初始界限值,进行两次遗传算法操作运算,使工作效率提高,且结果更为精确.最后,对某风力机塔架进行在简化荷载作用下的最优化设计,得到了较满意的结果.     

风力机塔架在偏心载荷作用下的屈曲分析

以底部开门洞的大型风力机塔架为研究对象,研究了塔架在风轮、机舱荷载和塔架自身重力作用下引起的塔架屈曲问题的工程算法和有限元数值分析方法。对一个1.5MW风力机塔架在这类偏心荷载作用下的塔架屈曲值和屈曲模态进行了计算。计算结果表明:门洞的存在对薄壁筒体塔架的屈曲临界载荷有较大影响;相关标准提出的工程算法存在一定的局限性,需要结合有限元数值分析方法进行分析。在进行风力机塔架的设计时,该文计算结果具有一定的参考作用。     

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。     

风力机混凝土塔架最小成本优化设计

讨论有粘结预应力混凝土风力机塔架的结构计算,并从提高经济性和方便施工角度,利用自动分组遗传算法(AGGA)研究混凝土塔架优化设计问题。首先根据风力机塔架受力特点,提出混凝土塔架承载力和正常使用极限状态的设计要求,并参考国内外现行规范,给出计算这些设计要求的方法。在此基础上,建立以塔架最小建造成本为目标,考虑两种极限状态下多项设计要求和反映施工复杂程度的设计变量分组要求的优化模型。AGGA求解该优化问题,获得满足要求的最小成本设计。36 m混凝土塔架算例可表明优化方法的效果。     

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。     

钢管格构式和圆筒式塔架对风力机尾流扰动特性对比研究

为了对比钢管格构式和圆筒式塔架对风力机尾流扰动特性,首先根据塔架的控制荷载,设计承载力和高度相同的直筒式塔架和钢管格构式塔架。然后在Fluent中,完成2种塔架风力机的流场计算,得出两者塔架近尾迹流场、远尾迹流场及风力机和塔架风荷载的特征。对比结果表明:1)钢管格构式塔架的顺风向风荷载和横风向风荷载的波动幅度远低于圆筒式塔架,有利于减小结构疲劳破坏风险并降低结构的风振系数;2)钢管格构塔架的尾流流速及湍流强度的恢复距离低于圆筒式塔架,有利于提高风力机的排列密度;3)钢管格构式塔架风力机的叶片阻力和功率与圆筒式塔架基本相同。     

海冰载荷作用下风力机抗冰锥体减载研究

提出了锥体抗冰结构来降低海冰对风力机结构的影响。以NREL 5 MW近海三叶片水平轴风力机为研究对象,基于Ralston算法建立冰载荷模型,采用开源多体动力学软件FAST计算塔架结构动力学响应,研究了不同锥角抗冰结构下塔顶位移和塔架载荷特性。结果表明:锥体结构能有效地缓解由海冰造成的危害,塔架剪切力、海冰载荷及塔顶位移随锥角的降低而减小,锥角由70°降至40°,海冰载荷降低55%~98%;安装锥体前后,塔架剪切力减小28.7%~58.9%,塔顶位移最多减小46%。     

风力机塔架动力学有限元分析系统

基于有限单元法,利用VC开发了ANSYS平台下的风力机塔架有限元建模和动力学分析系统.在VC程序中使用APDL语言封装ANSYS,由系统生成的APDL数据文件直接驱动ANSYS进行塔架的动力学性能分析.通过和风力机全系统载荷分析及优化设计软件的集成,实现了从风场计算、气动载荷计算到结构动力学分析的一体化.计算结果的对比分析表明,该软件的计算模型正确,能很好地用于风力机总体设计过程中对塔架结构的动力学分析.     

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。     

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。     

风力机塔架的结构动力分析

阐述了风力机塔架的固有和固有振型、顺风向下塔架的风效应和位移响应，横风向塔架在尾涡激励下的风效应和位移响应以及由风轮旋转而引起的位移响应，给出了计算实例，为风力机塔架结构动力设计提供了有效方法。     

随机风载荷下大型风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学分析

由于风力机叶片所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,大型风力机在随机风载荷下的动力学行为分析一直是风电行业急需解决的难题之一。利用MATLAB/Simulink对随机风速进行了模拟,通过柔性多体动力学方法建立了符合实际的风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学方程。在随机风载荷下对目前国内1.5 MW主流风力机的叶片、塔架的动力学行为进行了实例分析,得到了10 min时序随机风载下的叶片挥舞位移、速度历程和塔架的位移、速度历程。分析结果表明,在随机风载下,风力机启动时叶片、塔架振动较为剧烈,随时间的增加叶片、塔架振动幅度逐渐减小,振动速度也呈减小趋势。该研究结果为我国风力机设计理论的完善和工程实践奠定了一定的基础。     

1.5MW风力机塔架-基础的动力特性研究

采用多种计算模型结合敏感性分析,研究了塔架及塔架-基础的动力特性,发现塔架与基础的振动有一定的耦合作用;考虑基础与塔架相互作用后,塔架各阶自振频率降低,特别是高阶自振频率降低较多;在地震液化等极端工况下,地基基础对塔架动力特性的影响更明显。总结并分析了塔架的振源,指出脉动风荷载是风力机设计中必须重视的部分;风绕塔架流动一般处于超临界或跨临界范围,在超临界范围不会出现明显的塔架涡激振动,在跨临界范围可能出现严重的振动;风轮属细长弹性体、气动特征明显,其振动响应比较复杂且易发生破坏事故。为减小柔性塔架振幅,给出了风力机起动时快速跳过瞬态共振区、增加塔架阻尼和优化塔架体型以进一步改善塔架动力特性等方面的建议。     

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。     

串列不等直径水平轴风力机气动性能研究

为研究上游风力机叶轮直径增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响,采用计算流体力学方法对串列水平轴风力机三维流场进行模拟,以揭示上游风力机叶轮尺寸增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响规律。研究结果表明：增大上游风力机叶轮直径,会削减下游临近机组输出功率,增加机组在低频,1倍、2倍、3倍轴频推力脉动,增大机组疲劳载荷;随着风力机间距的增加,增大叶轮直径对12D范围外机组输出功率影响可忽略不计,但机组疲劳载荷在低频和1倍轴频仍有明显的增大。抬高上游机组轮毂高度,机组较近时,可使下游风力机避开一部分尾流,显著提高下游风力机的输出功率,但也会使风力机叶轮在旋转一周过程中产生较大的叶片推力脉动;当风力机间距较远时,抬高塔架高度有利于尾流恢复,进而提高下游机组输出功率,降低机组疲劳载荷。     

基于仿生学的风力机塔架结构设计及其力学性能分析

风力机塔架力学结构属典型的柔性细长弹性体,考虑到沿海一带棕榈树与近海风力机结构(同为细长柱体)所处环境的相似性,以传统筒型和仿生风力机塔架为研究对象,通过棕榈树样本参数拟合出树干外形函数,并考虑棕榈树内部维管束结构及其材料特性,分别建立了刚性、柔性和布置类维管束结构的仿生塔架3种塔架模型,进一步采用有限元方法对3种塔架进行静力学分析、模态分析与谐响应分析,并对比3种塔架的力学性能,分析仿生结构对塔架力学性能的影响。结果表明:风载荷作用下,原始塔架的最大应力主要集中在塔架底部,仿生塔架则集中在塔架底部以上;与柔性塔架相比,仿生塔架顶端位移增加了282.0%,而最大应力仅增加了18.0%,在满足塔架应力允许范围内,仿生塔架柔性更好;仿生塔架达到共振时塔顶位移响应幅值降低了22.2%,且共振频率点均偏大;与刚性塔架相比,柔性与仿生塔架的固有频率均较低,而仿生塔架的固有频率略高于柔性塔架。