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。     

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。     

湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应

以NREL 5 MW近海风力机为研究对象,基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风,同时采用Matlock模型计算动态冰力,模拟风力机所受冰激振动,研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明:冰激振动极大地加剧塔顶各向振动;频域上,冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率,且相应峰值与冰厚呈正相关关系;受冰激振动作用,塔架各向剪切力明显增加,且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。     

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。     

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。     

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。     

考虑SSI效应的风力机塔架地震动力响应时频特性分析

为分析风-震共同作用下风力机塔架的动力响应,基于Wolf方法建立了土-构耦合模型,通过开源软件Fast预留数据接口开发了地震载荷模块,研究了在不同土质下塔架的振动特性和响应幅值。结果表明:地震载荷极大地加剧了塔架振动,尤其是塔架一阶固有频率和二阶固有频率的振动幅值明显增大;设防烈度为8度时,塔顶振动的主要激励为地震载荷,气动载荷对塔顶振动的影响很小,可忽略不计;由于阻尼和地震反应谱特征周期不同,在不同土质下塔架的响应幅值和振动特性差异较大;与无地震相比,在额定风况下硬黏土、岩土和软土3种不同场地土质发生地震时,塔顶侧向位移分别增大了316%、242%和265%。     

基于ABAQUS地震激励下风力机结构损伤分析

高耸的风力机塔架结构属于典型的顶部附有大集中质量的细长柔性体的力学结构,相比传统建筑结构差异性较大,极易受到地震载荷影响。基于有限元分析软件ABAQUS建立风力机塔架、基础平台和土体模型,通过FAST导出风轮非定常推力,作用在塔顶机舱,土体底部施加地震加速度时间序列,进行风力机结构模态分析、稳定性分析和动力学响应分析。研究表明：塔架主要的运动形式为摇摆运动和弯曲振动;塔架一阶固有频率为0.290 Hz,大于风轮的额定旋转频率0.202 Hz,因此叶片旋转不会引起风力机塔架发生共振;风载荷作用下,塔架发生横向屈曲,屈曲位置位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,屈曲因子较大;地震载荷作用下,塔架发生纵向屈曲,屈曲位置同样位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,较风载荷发生屈曲区域相对更大,屈曲因子相对较小。     

风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

海冰作用下近海桩柱式风力机动力学响应研究

高纬度低温海域海平面存在大量运动状态的海冰,位于此处的近海桩柱式风力机容易受到不规则的海冰载荷作用,风力机平台、塔架和叶片等结构部件的动力学响应均受其影响.为定性及定量分析海冰载荷对叶片和塔架的结构动力学响应的影响程度,以NREL5 MW近海4桩柱式风力机为研究对象,耦合风载荷、波浪载荷及海冰载荷,通过Kane方法建立风力机动力学模型,其中海冰载荷通过冰力函数定义.对比分析了在IEC Lock in冰力函数、Mttnen海冰模型和无海冰作用三种工况下叶片和塔架的结构动力学响应,结果表明:海冰载荷使塔顶位移增加,在Mttnen海冰模型作用下塔顶位移增加了24.1%,在IEC Lock in模型作用下则增加了16%;两种海冰模型均不同程度地使叶片挥舞振动的频率增大,其中在Mttnen海冰模型中变化更加剧烈,这极大地增加了叶片的疲劳载荷.     

Effects of seismic and aerodynamic load interaction on structural dynamic response of multi-megawatt utility scale horizontal axis wind turbines

Horizontal axis wind turbines can experience significant time varying aerodynamic loads that has the potential to cause adverse effects on structural, mechanical, and power production. The progress in the wind industry has caused the construction of wind farms in areas prone to high seismic activity. With the advances in computational tools, a more realistic representation of the behavior of wind turbines should be performed. One of the simulation platforms was developed using the 5 MW NREL utility scale reference turbine model. The performed simulations will be used to evaluate the effects of aerodynamic and seismic load coupling on the power generation and structural dynamics behavior of this structure. Different turbine operational scenarios such as (i) normal operational condition with no earthquake, (ii) idling condition with the presence of seismic loads, (iii) normal operational condition with earthquake, and (iv) earthquake-induced emergency shutdown will be simulated with various loading conditions to show the differences in generated power and dynamic response. The results of this paper provide formulations for calculating generated power and design deriving parameters by considering different intensity measures. Moreover, the effects of aerodynamic damping and pitch control system are presented to shows reduction in the resulting design demand loads.     

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。     

基于粘滞阻尼器的单桩式海上风力机结构振动控制

为探究湍流风与地震联合作用下单桩式海上风力机的结构动力学响应与振动控制,以单桩式NREL 5 MW海上风力机为研究对象,采用有限元法建立三维壳模型并基于二次开发将体等效线性模型集成于ABAQUS中,通过附加粘滞阻尼器对地震诱导风力机振动进行控制。结果表明:粘滞阻尼器能够大幅降低地震导致的风力机塔顶振动,但对湍流风引起的塔顶振动控制效果并不明显;粘滞阻尼器也能缓解因地震造成的支撑结构上Von-Mises应力集中现象且在粘滞阻尼器安装位置效果最好;粘滞阻尼器能够显著降低风力机桩基部分所受剪力最大值,而对弯矩的控制效果则在风力机支撑结构部分效果最明显。     

主余震序列作用下近海风力机动力特性研究

为研究主余震序列作用下近海单桩式风力机动力响应特性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,构建地震-湍流风-波浪多物理场计算模型,并通过重复法及衰减法构造主余震序列,研究主余震序列对风力机动力特性的影响。结果表明：当地震正向冲击时,环境载荷主要影响塔顶前后向振动,地震载荷为塔顶侧向振动的决定载荷,可在一定程度上缓解环境载荷所造成的塔顶振动。主余震序列作用时相较仅主震或余震序列作用,风力机塔顶振动明显增强,塔架最大等效应力变大,应变能集聚现象更为明显。余震较强时,风力机余震阶段塔顶振动、最大等效应力及应变能集聚现象强于主震阶段。     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

Dynamic response analysis of wind turbines under blade pitch system fault,grid loss,and shutdown events

This study focuses on the dynamic responses of land‐based and floating wind turbines under blade pitch system fault and emergency shutdown conditions. The NREL 5 MW turbine is studied. A hydraulic pitch system is considered, and the faults under study are events with a seized blade or a blade running out of control. Emergency shutdown is defined as a fast pitch‐to‐feather maneuver of the blades. Load cases with power production and grid fault with ensuing shutdown are also analysed for comparison. The fault scenarios and the blades' fast pitching activity are simulated using HAWC2 through external Dynamic Link Libraries. On the basis of the time‐domain simulations, the response characteristics of the land‐based and the floating turbines in the four design load cases are compared. The load effects from the fault conditions are compared with the operational cases. Strong system dynamics and resonant responses, such as the tower elastic mode and the yaw resonant response, are elicited during shutdown. If the pitch system has a fault and one blade is hindered from normal pitching, the uneven load distribution of the blades leads to large structural and motion responses. For both turbines, the response maxima vary cyclically with the instantaneous azimuth when the blades start pitching to feather. For the floating wind turbine, the interaction of waves and wind also affects the results. The effect of the pitch rate during shutdown is analysed. The responses of the land‐based turbine in grid loss and shutdown conditions are proportional to the pitch rate, whereas decreased sensitivity is found in the cases with pitch system faults. For the floating turbine, the effect of the pitch rate is small, and reduced pitch and yaw motion extremes are observed as the pitch rate increases. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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...     

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。     

基于流固耦合的风力机塔筒动态特性分析

塔筒动态特性分析对风力发电机的振动设计起着关键作用。文章以1.5 MW风力发电机塔筒为研究对象,将叶片旋转和随机风载荷作为载荷输入条件,建立风力机塔筒叶片旋转载荷模型、流固耦合风载荷模型、结构动力学方程,分析计算得到随机载荷下叶片旋转和风载共同作用时,风力机塔筒动态特性评估方法。