地震强度对小型风力机动力学响应影响研究

为研究地震强度与小型风力机塔架动力学响应之间的关系,以AOC 50 kW风力机为研究对象,采用Wolf理论建立土-构耦合模型,基于FAST(多体动力学仿真软件)预留数据接口,开发地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震实时耦合的动力学仿真模型。通过比例缩放ASCE(美国土木工程师协会)标准地震反应谱,得到了20种不同强度的PSA(设计加速度),从而计算不同地震与湍流风联合作用下的风力机结构动力学响应。结果表明:PSA为0.6 g(g为9.806 65 m/s~2)时,塔基弯矩增大133.3%,但地震强度对塔顶弯矩影响较小。随着地震强度的增大,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,塔架不同高度处的最大剪切力与高度之间的关系维持线性。此外,在地震载荷与风载荷共同作用下,IEC(国际电工委员会)和AWEA/ASCE(美国风能协会/美国土木工程师协会)载荷预估模型结果偏大。本文提出了一种新的高精度预估模型,可为小型风力机地震载荷预估和预防地震风险提供一定的参考。     

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。     

不同水深海上风力机塔架地震动力响应研究

开发了风力机地震仿真平台SAF(Seismic Analysis Framework),以DTU 10 MW海上风力机为研究对象,建立其地震激励下的动力仿真模型,分析4种水深(20～50 m)时20组不同强度地震、额定风速湍流风与波浪流联合作用下风力机塔架动力响应。研究表明:地震作用对横向塔顶位移及横向平面内的塔基弯矩影响较大,来流方向塔顶位移及来流平面内的塔基弯矩主要受湍流风影响;在存在地震激励时,塔架不同高度处位移、剪切力及弯矩响应均大于湍流风与波浪流作用时;地震强度较弱时,不同水深处风力机塔顶位移与弯矩差距较小,但塔基弯矩随着水深的增大而增大;地震强度较大时,水深对风力机塔顶位移与塔基弯矩影响很大,相同地震强度的响应深水大于浅水。     

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。     

伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震响应影响

为研究伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震动力特性的影响,以DTU 10 MW风力机为原型,建立考虑伺服系统的单桩式近海风力机模型,通过p-y曲线法构建分布式弹簧土-构耦合模型,并基于中国实测地震数据和风力机实际运行环境构建湍流风-波浪-地震伺服系统多物理场计算平台,研究其在不同状态下的动力特性。结果表明：无地震载荷作用时,当平均风速大于额定风速,风力机变桨伺服系统有效缓解了塔顶振动,并减弱了气动载荷对塔基弯矩的影响;地震载荷使风力机塔顶位移明显增加,平均增加71.66%,变桨伺服系统对塔顶位移的作用效果被削弱,使发电机转速发生更剧烈波动;地震及波浪载荷对塔基弯矩的影响很大,风浪震作用较仅湍流风载荷作用下风力机塔基弯矩最大值平均增加131.24%,不能忽略波浪载荷对塔基弯矩的影响。     

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。     

高风速及风突变对风力机柔性部件振动特性研究

风力机运行在复杂多变的自然环境之中,风是影响风力机气动特性和振动特性的最直接因素,高风速及风速突变将诱发风力机更强的气动载荷。为探究风力机柔性部件在高风速及突变湍流风作用下的振动特性,以NREL(美国国家能源部可再生能源实验室)实测数据为湍流风数据源,并添加相干结构描述风速突变,以NREL 1.5 MW近海桩柱式风力机为样机,建立基于Kane方法的风力机结构动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化,而后将该模型与风场和气动力模型一起组成气-弹相互耦合系统动力学模型,分别研究了风力机叶片和塔架的结构动力学响应。结果表明:相干结构的添加可使基础湍流风具有更大的风突变以及更高的湍流强度;额定风速附近,叶尖位移体现为挥舞,切出风速附近,叶尖位移同时体现为挥舞和摆振;相干结构的添加使得叶片和塔架振动加速度成倍增加。     

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%。     

3种典型海上浮动式风力机动力学特性比较分析

综合考虑海上浮动式风力机所受气动、水动载荷及控制系统的影响,建立3种典型浮动式风力机的气动-水动-控制-结构完全耦合动力学模型。以NREL 5 MW机组为基础,运用FAST程序与Aero Dyn、Hydro Dyn子程序,计算分析3种浮动式风力机在不同工况下的响应,并与相同型号的陆基定桩式风力机组在相应工况下的响应进行分析比较。研究结果表明:气动载荷和水动载荷的耦合作用对浮动式风力机动力学响应影响显著,且不同浮动风力机的响应也有明显差距;浮动风力机所受最大载荷相对陆上风力机有所增加,其中Barge和Spar-Buoy两种浮动风力机最大塔根弯矩增幅达到1.4倍以上;Barge平台和TLP平台作为海上风力机组的浮动平台具有较好的稳定性。