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。     

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。     

考虑停机位置风力机塔架-叶片耦合体系风致稳定性能分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能。以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用CFD方法对叶片单个旋转周期间8个停机位置下风力机塔架-叶片体系的流场进行数值模拟,并与规范曲线进行对比验证数值方法的有效性。此外,结合有限元方法计算不同停机位置下风力机体系动力特性、静风响应、屈曲稳定性能和极限承载力。在此基础上,提炼出停机状态下叶片位置对风力机体系风致响应和稳定性能的演化规律,归纳总结出此类风力机体系风致失稳破坏的最不利控制工况。研究表明:在风力机叶片的1个旋转周期内,当叶片与塔架完全重合(即工况1)时,体系气动性能最差但静风响应较小;随着叶片顺时针旋转,其风致稳定性能呈现先增大后减小的规律,在工况3处其临界失稳风速达到最大,在工况6处临界失稳风速最小。同时研究发现:风力机塔架与叶片的耦合效应会产生一种能显著提高体系极限承载能力的"逆向效应",并且随着叶片对塔架遮挡面积的减小,该"逆向效应"愈加显著。     

基于粒子群优化算法的风力机塔架结构优化设计

为了降低风力机塔架成本以及提高塔架的结构性能,编制粒子群优化算法程序,在算法程序中嵌入有限元方法,选取塔架壁厚、塔底直径及塔顶直径为设计变量,以强度、刚度、振动性能及稳定性为约束条件,建立了以质量最轻为目标函数的塔架优化数学模型,对某1.5 MW风力机塔架结构进行了优化设计。结果表明,优化后塔架的结构性能得到了改善,塔架变形对壁厚变化较为敏感,塔架质量减少了16.3%,说明了计算模型的有效性,可为同类塔架的设计提供参考。     

近海风力机组塔架塔基载荷研究

综合考虑风、海浪、海流对近海风力机的作用和影响,建立了机组塔架塔基的负载模型.通过空气动力学、流体力学和结构力学相关理论对模型中风对风轮和海浪海流对塔架塔基的作用力的计算方法进行详细分析.结合我国海上风场情况,以1.5MW变桨距近海风力机为例进行极限负载计算,最终结果与用风力机设计软件BIAEDED仿真的数据相似,从而表明了所研究得到的负载模型和计算方法是科学可行的.     

海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法

  目的  国内海上风电项目的业主在招主机标时,对风机厂商提供的基础顶载荷和塔架质量提出要求,在招设计标时很少对设计院提供的基础质量提出要求;详细设计阶段时风机厂商和设计院分别对塔架和基础进行设计,因此通常难以得到塔架和基础总质量最小的全局最优设计。  方法  提出了海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法,通过对某海上风电项目进行试验设计得到多个不同塔架构型、塔底和单桩直径的设计方案,并通过载荷计算、塔架和单桩设计迭代优化得到相应的基础顶载荷、塔架质量和单桩质量等结果。  结果  研究表明:基础顶载荷或塔架质量最小的方案不是塔架和单桩总质量最小的方案。通过试验设计方法可以给出单桩和塔架总质量最小的最优设计。  结论  研究成果表明,在设计中采用一体化试验设计方法寻找塔架和单桩总质量最小的全局最优设计是降低海上风电度电成本的有效方法。业主将制定塔架和基础总造价最小的招标规则,要求采用一体化试验设计方案找到全局最优设计。     

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。     

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。     

ZOND Z—40风力格塔架的模态分析

对由美国引进的ZOND Z－40风力机塔架我们自己设计的塔架的固有振动特性进行了计算,通过模态分析,结果表明,用国产的风力机塔架可以替代进口塔架。     

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。     

海上风电机组塔架基础一体化设计

  [目的]  随着国家对于海上风电竞价上网指导意见的出台,降低开发成本的需求越来越迫切,急需通过技术创新降低成本。而海上塔架和基础的成本,显著影响着海上风电的平准化度电成本LCoE(Levelized Cost of Energy),直接决定着海上风电项目的竞争力。  [方法]  为了有效降低塔架基础的成本,文章提出了基于数字化云平台iDO(integrated Design Offshore)的一体化设计方法,对极端极限状态ULS工况下结构的静强度、疲劳极限状态FLS工况下结构的疲劳损伤进行了数值计算分析。为验证一体化设计方法在降低海上风电塔架基础成本的效果,文章针对两个实际工程项目,基于iDO云平台和传统分步迭代法SIA(Sequentially Iterated Approach)进行设计分析,对比ULS工况和FLS工况下的结构安全衡准指标。  [结果]  计算结果表明:ULS和FLS工况下,基于iDO云平台的一体化设计方法比SIA在结构强度、变形、疲劳损伤等指标有较大幅度下降,可显著优化塔架基础结构,降低结构重量,减小整个支撑结构成本,降低海上风电的LCoE。  [结论]  在实际海上风电工程项目应用中,基于iDO云平台的一体化设计方法可有效降低塔架基础结构成本,从而提高海上风电项目的竞争力,同时可对未来海上风电支撑结构优化设计提供借鉴。     

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。     

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。     

风力机筒形塔架结构静动态特性的有限元分析

讨论了水平轴风力机筒形塔架机构的静动态分析建模和有限单元类型的选取及计算方法，并以２００ｋＷ风力机的六棱锥筒形塔架为例，计算并给出了静动态特性。     

兆瓦级风力机结构系统可靠性分析的样本分数阶矩最大熵方法

以兆瓦级风力机塔架和叶片极限载荷的概率外推模型为基础,结合载荷动态响应峰值的独立同分布假设和三参数威布尔模型,外推获取了正常湍流和极端湍流强度条件下风力机关键部件长期服役载荷概率分布;进一步通过无量纲极值统计量定义系统失效的结构可靠性状态函数,结合样本分数阶矩和最大熵理论提出兆瓦级风力机关键部件结构可靠性分析的数值方法,对比湍流模型对兆瓦级风力机关键部件结构失效概率的影响。计算结果表明：样本分数阶矩最大熵方法能有效重构结构可靠性状态函数的概率分布;基于无量纲极值统计量的系统可靠性建模方法能有效表征风力机关键部件耦合相关失效问题,结合该文方法可获得系统失效概率的准确预测结果;湍流模型对风力机结构失效概率影响较大,难以预先判定何种模型将得到结构失效概率的保守预估结果,需结合IEC 61400-1标准中的设计载荷工况细致分析后才能确定。     

新型铰接式海上风力机动力响应分析

文章针对75 m水深,开发了一种新型铰接式基础海上风力机,考虑到风浪流的联合作用,分析了其在发电海况和极限海况下的动力响应。基于叶素动量理论计算了风力机叶片气动载荷;基于经验公式计算了塔架风压载荷;基于三维势流理论计算了铰接式基础的水动力特性;考虑基础运动及波高引起的瞬时湿表面的变化及铰接点的结构阻尼,同时考虑海流力,编写程序计算风力机的时域动力响应特性。计算结果表明,铰接式海上风力机具有良好的运动性能,满足发电海况下正常发电的需求以及极限海况下结构自存的安全要求。     

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。     

大型风力发电场选址与风力发电机优化匹配

从风能利用和风电成本两个角度出发,推导出风电场选址与风力机优化选型的目标函数,提出将风力机容量系数作为风电场选址与风力机选型的判据,同时给出了基于风速分布特性的风力机容量系数计算方法。通过我国云南省的13个实际风速观测点和国内外25种风力机代表机型的计算,给出了这些观测点的开发顺序及优化配置的风力机机型,并简要分析了影响风力机容量系数的主要因素。实践表明,这种方法物理意义明确,计算快捷方便,节省设计时间和设计工作量。