地震及多风况下风力机塔架动力响应

为分析不同风速的湍流风与地震联合作用下大型风力机塔架动力学响应,以美国可再生能源实验室(NREL) 5 MW风力机为研究对象,基于考虑土-构耦合效应的Wolf理论,利用动态入流理论及Prandtl理论修正的叶素动量理论计算气动力,基于FAST软件预留数据接口开发了地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震联合作用下的风力机仿真模型;计算了5组风速与30种强度地震耦合共150种工况下的风力机塔架动力学响应。结果显示：额定风速下,塔顶位移响应受地震激励影响明显;低风速下地震作用对塔架加速度响应影响较大,高风速的湍流风会加剧塔架剪切力和弯矩响应;湍流风与地震联合作用时,塔顶位移及剪切力和塔基剪切力及弯矩的临界地面加速度峰值随风速的增大先增大再减小,塔顶加速度的临界地面加速度峰值在高风速下随风速增大而增大。     

风力机结构动力学新模型与动态响应求解计算

由于风力机所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,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。采用刚体有限元法,将柔性塔架与叶片通过刚体单元与弹性阻尼节点进行离散,建立了风力发电机结构动力学新模型,利用模态叠加原理与Newmark法对动态特性进行了求解计算,编制相应的MATLAB仿真程序。以某型NERL 1.5MW风力发电机组为例,研究了固有频率及振型,湍流风条件下的位移、速度响应。计算结果同风力机软件GH-Bladed数据对比。结果表明:刚体有限元法建立的动力学模型准确可靠,适用于风力发电机的动力学分析计算。     

海上超大型风力机结构动力学响应及稳定性研究

为研究不同运行方式对湍流风及地震作用下海上风力机动力学响应及稳定性影响,以DTU 10 MW海上单桩式风力机为研究对象,采用p-y曲线描述桩基与海底土壤之间的相互作用,基于有限元软件Ansys建立风力机有限元模型,并对其进行结构模态、动力学及屈曲分析.结果 表明:塔架模态振型以扭转和弯曲振动为主,其一阶固有频率介于理想...     

系泊失效后漂浮式风力机平台动态响应研究

深海漂浮式风力机平台稳定性是保证系统安全运行的基础，其系泊在风、浪及海流等动态载荷周期性作用下引发蠕变后会加速腐蚀，从而导致系泊失效。为了研究系泊失效后风力机所受载荷对平台动态响应的影响，参考Barge平台的NREL 5 MW风力机建立了漂浮式风力机整机模型，通过对AQWA的二次开发实现了与FAST间的实时数据交换，开展了漂浮式风力机的风波耦合数值仿真。结论表明：系泊失效后漂浮式风力机平台响应增大、风力机的结构安全性降低。其中，迎风侧系泊失效对平台影响最为明显，尤其是横荡和艏摇方向受到的影响更大，失效后的最大响应幅值分别为失效前的6.3倍和9.7倍。     

极端风速条件下风力机结构动力响应特性研究

为评估极端风速条件对风力机动力响应的影响，掌握风力机运行中的不利风速条件，以某2MW陆上风力机为例，基于FAST软件分别进行极端运行阵风、极端方向变化、垂直极端风切变和水平极端风切变四种条件下的风力机动力响应计算，并将结果与稳态风作用下的结构响应对比，分析不同极端风速条件对风力机动力响应的影响。算例结果表明，垂直极端风切变对叶根挥舞弯矩变化幅值最大；俯仰弯矩是塔底的控制载荷，在持续极端风速条件的范围内，极端运行阵风是塔底俯仰弯矩的最不利风速条件；当出现极端风向变化且未进行风力机偏航操作时，载荷与振动幅值将高于原有水平，加剧风力机结构发生疲劳破坏的风险。     

考虑随机制造误差的风力机行星齿轮系统动力学特性

为研究综合传递误差的随机波动对风力发电机齿轮传动系统动力学特性的影响,考虑齿轮时变啮合刚度、综合传递误差等因素,建立风力发电机行星齿轮传动系统纯扭转动力学模型。以随机风速引起的齿轮系统转矩波动作为行星齿轮系统的外部激励,对某1.5 MW风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性进行仿真分析,得到系统各响应量时域内的统计特征和齿轮副间的动态啮合力统计特征。分析表明：行星架、行星轮和太阳轮在扭转方向上的振动特性与外部载荷相关,其振动位移与外部载荷波动有相似变化的趋势;综合传递误差随机分量的离散程度对行星齿轮系统的动态特性和齿轮副间的动态啮合力有较大影响。随着综合传递误差随机分量离散程度的增加,行星架、太阳轮和行星轮在扭转方向上的振动幅值明显增加;综合传递误差随机分量的随机性使齿轮副间动态啮合力产生随机波动,随机分量离散程度越大,动态啮合力波动越明显;当随机分量的离散程度达到某一值时,齿轮啮合过程发生脱离,引发啮合冲击。     

风力机塔架减载控制研究

采用FAST/Aerodyn和Matlab/Simulink搭建风力机气弹与控制联合仿真平台,以NREL-5MW风力机作为参考机型,实现了风力机转矩控制模型和变桨距控制模型。通过在变桨距控制器中引入塔架减载控制环,考虑了匀速风,渐变风,湍流风等风况,研究变桨距-塔架控制环对塔架动态载荷及结构动态响应的影响作用。研究结果表明变桨距-塔架减载控制环可以有效减小风力机塔架的动态载荷及变形,对风力机输出功率的影响较小;变桨距-塔架控制环增益系数G的取值过小则减载效果不明显,取值过大会引起系统震荡持续时间过长,NREL-5MW风力机的增益系数G最优值为0.2;风力机塔架减载控制技术可以有效降低风力机的运行维护成本,有良好的工程应用前景。     

柔性支承下风力机行星齿轮系统的动态特性分析

由于风力发电机齿轮箱安装在柔性支承的塔架上,在复杂的工况下风力发电机塔架将产生弯曲摆动,严重影响着风力机齿轮传动系统的动态特性。考虑了风力机塔架的摆动与行星轮传动扭转振动的耦合效应,利用集中参数法建立柔性支承下的风力机行星轮传动系统的动力学分析模型,用Matlab进行数值求解。通过对国内1.5 MW主流风力机行星齿轮系统进行实例分析,得到了16 s时序随机风载下的行星齿轮系统各部件的位移历程。结果表明:在风力机运行中塔架产生剧烈振动,风力机塔架的振动加剧了风力机行星齿轮系统各部件的振动,在风力机行星齿轮设计时必须考虑塔架的柔性特性对风力机的影响。     

风力机系统的动力学性能分析

采用叶素动量理论对风力机进行气动力的计算分析,用VC开发计算程序,将计算的气动载荷加载到风力机ADAMS仿真模型上,在MATLAB/Simulink下建立风力机传动系统的仿真模型;将传动系统模型同ADAMS模型进行联合,实现对风力机系统总体性能的联合仿真.将仿真数据同国际风力发电专用计算软件计算数据比较,表明该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的总体性能.     

应用有限元分析系统计算风力机塔架结构的动态特性

本文讨论了空间系杆钢结构风力机塔架的动态特性、建模和有限单元类型的选取及计算方法。介绍了我们在ＡＤＩＮＡ系统基础上所开发的风力机塔架结构特性分析软件。通过一个实例，计算并给出了它的动态特性，并与实测结果进行了比较和讨论。     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

不同工况下风电机组主轴轴承动态特性研究

为获得风电机组主轴轴承在不同工况下的动态特性,以某汽轮厂1.5 MW风电机组为例,对主轴进行抽象简化,根据叶素理论推导出主轴轴承所承受的轴向载荷和径向载荷。利用UG软件建立主轴轴承模型,导入Adams中建立主轴轴承多刚体动力学模型,对三种不同工况下主轴轴承滚子与内圈、外圈、保持架的之间的相互作用进行分析。结果表明:在风机紧急刹车阶段,主轴轴承滚子与内圈、外圈、保持架的之间的相互作用力最大,转速突变阶段次之,启动至平稳阶段最小。     

大型风力发电机组传动链动力学分析与试验研究

传动链是大型风力发电机组非常关键的组件,对其动力学性能进行深入的分析研究,对风机设计和风电机组产品的传动链振动控制都有重要的意义。从多体动力学(MBS)角度出发,结合转子动力学、模态理论,以SIMPACK专业动力学软件作为仿真平台,对某型2 MW风电机组传动链建立高精度动力学模型,分析系统的特征频率,评估传动链的动力学行为以及传动链的共振特性,并通过现场机组试验验证分析结果。     

风轮和塔架耦合作用和旋转效应对大型风力机动态响应的影响

通过自行编制的风剪切和Davenport脉动风谱程序建立了更加贴近实际工况的风场,以UG建立的5 MW大型风力机实体模型作为研究对象,基于单向流固耦合技术(UFSI),运用有限元软件Ansys数值模拟了不同转速下考虑风轮-塔架耦合作用的风力机结构动态响应。结果表明:叶轮与塔架耦合作用会显著增大叶片与塔架的最大位移和应力响应值;耦合作用使得叶片最大应力由相对翼展0.5处移动到0.7处且塔架出现多处应力极值;需考虑结构间耦合与旋转效应的联合作用时,才能得到风机准确的运行参数。     

变载荷下风力机齿轮传动系统的动态响应分析

根据风力发电机组在随机风场中变速、变载的工作特点,基于组合风速模型,研究了由随机风速引起的时变载荷(扭矩)。综合考虑了风力机齿轮传动系统的内、外部激励,利用拉格朗日方法推导出其动力学方程,对变载荷下风力机齿轮传动系统的动力学特性进行仿真计算分析,获得了风力机各级齿轮的振动位移和各齿轮副的动态啮合力,为风力机齿轮传动系统的振动特性分析和结构优化设计奠定了基础。     

某轻卡齿轮箱动态特性仿真与试验研究

针对齿轮箱开裂问题,为了了解齿轮箱的动态特性,通过仿真与试验相结合的研究方法对齿轮箱进行了模态分析,对比两种情况分析结果,验证了仿真分析的正确性和可靠性;同时对试验数据进行时域分析及频率分析,为齿轮箱动态响应分析及结构动力学修改提供理论依据。     

小型Savonius风力机风轮结构优化设计及数值模拟分析

为提高Savonius风机的能量转换效率,以风机的风能利用率为优化目标,风斗直径、风斗间隙和风轮高度为变量,贝兹极限和相关实验结论为约束条件,建立了风轮结构参数优化模型,并利用Matlab求解得到其最优结构尺寸。为使风能利用率更高,对风轮结构形式进行改进,建立三维模型,利用Ansys Workbench进行流固耦合分析,验证了优化、改进后风轮结构在危险风速下的可靠性。