风轮不平衡的风电机组机械振动信号频域特性分析北大核心CSCD

风轮的平衡性直接影响到风电机组的安全运行和发电效率。为分析风轮不平衡对风电机组振动的影响,文章在GH Bladed中搭建了3 MW风电机组模型,仿真得到了正常和不平衡工况下的机舱振动加速度信号,并引入快速傅里叶变换和小波分解的方法将原始信号转换为频域信号和频域细节信号,并对比其频域特性。对比结果显示,不平衡工况下机舱振动加速度在风轮1倍转频处的幅值明显增大,细节信号的幅值和波动程度也有所增加,而气动不平衡的影响较质量不平衡更为严重。分析结果表明,机舱振动加速度信号可作为风轮不平衡故障的判别依据。     

叶片覆冰对抗冰冻机组疲劳载荷的影响研究

风电机组叶片覆冰后叶片质量增加、翼型气动性能变化,引起风轮质量不平衡与气动不平衡。机组的载荷特性发生变化,将对关键部件的疲劳载荷产生影响,进而影响机组的安全性与可靠性。文章依据IEC标准对覆冰工况的要求,在考虑叶片覆冰后叶片质量与气动性能变化的基础上,提出两种不同的寿命周期,来研究叶片覆冰状态及覆冰时间对风电机组关键部件等效疲劳载荷的影响,结果表明叶片不均匀覆冰、覆冰时间及低温环境空气密度对机组关键部件疲劳载荷有较大影响。     

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。     

主振动与内振动联合作用下大型风电机组塔架-叶片耦合结构动力学分析

考虑大型风电机组塔架叶片耦合结构主振动与内振动联合作用,针对该结构的动力学响应,利用有限元软件Solidworks建立三维结构动力学模型,结合振动的位移-应变关系及势能理论,对其进行模态分析,重点分析在脉动风载荷作用下的动力响应情况。结果表明,大型风电机组塔架-叶片耦合结构正进动最大振幅为0.12 m,振幅随着载荷的增大而逐渐增加,反进动出现间歇性振荡。塔顶相位差没有出现急剧变化现象,均值为30 rad,能够消除同步运转带来的固定相位差。塔顶水平位移变化幅度较小,最大水平位移为0.55 m。该结果为大型风电机组运转过程中振动及脉动风载荷作用下的状态监测提供参考。     

考虑时变气动阻尼的风电机组塔筒地震响应分析

为了分析时变气动阻尼对风电机组塔筒地震响应的影响,首先分析了塔筒所承受的地震载荷和气动载荷,然后基于气动载荷和相对风速之间的导数关系推导了塔筒前后和左右方向上的时变气动阻尼计算方法,将地震加速度和时变气动阻尼引入到塔筒动力学运动方程中并进行时域求解,以某2.0MW风电机组塔筒为例进行地震响应计算,分析了影响气动阻尼大小的翼型气动特性,并着重研究了地震作用下时变气动阻尼对塔顶振动位移的影响程度,为风电机组塔筒抗震设计提供一定参考。     

实度对低风速风电机组风轮气动性能影响研究

为提高低风速地区的风能利用率,研究风轮实度对低风速风电机组气动性能的影响。考虑影响风轮实度因素（叶片数量、弦长及安装角）,设计2组不同弦长叶片与可调安装角轮毂。安装角改变时不仅会引起实度变化,还会使叶尖速比发生改变。通过车载试验验证安装角不同时对风轮气动性能的影响主要与叶尖速比相关。根据不同风轮表面压力分布数值模拟结果得出：相同风速下,弦长由叶根到叶尖逐渐增大的叶片更易启动。相同条件下,试验机组输出功率与数值模拟机组输出功率最大相差5.37%,说明数值模拟结果可信。随着风轮实度的增加,风速5 m/s时,其风能利用系数呈增大趋势,风速8 m/s时,其风能利用系数呈减小趋势,两趋势相交时实度为25.38%,得出该实度下风轮气动性能较优,即可得到适合低风速地区的风轮实度。     

10 MW漂浮式风电机组风轮叶片响应特性研究

构建DTU 10 MW风电机组全耦合非线性模型,使用开源软件FAST计算10 MW风电机组在多种工况下的动力学响应,通过时频域分析和箱线图分析对漂浮式风电机组风轮的动态响应进行研究。结果表明:风轮叶片响应主要是风载荷引起;浮动平台纵荡、纵摇运动与风轮叶片运动的附加耦合作用会增大风轮推力、叶根弯矩和叶尖挠度的波动性,波浪载荷会增大风轮叶片的疲劳载荷。     

基于泛模型的风轮不平衡载荷控制

针对大型变速变桨风电机组风轮的非线性特征和难以建立精确模型的问题,设计了一种基于泛模型的风轮不平衡载荷自适应控制器。根据传感器测量的叶根载荷,对3个叶片进行独立变桨控制,通过3个叶片的桨距角差异来减小风轮的不平衡载荷。在此基础上,以双馈变速变桨机组为对象,通过仿真对该控制器进行了测试,结果表明该方法用于减小风轮的不平衡载荷是可行且有效的。     

异步冰载荷作用下风力机动力学响应分析

为研究与结构接触表面不平整浮冰导致的冰激振动对风力机影响,建立风力机Kane多体动力学模型,采用异步Matlock模型模拟冰激振动,由Kaimal风速谱、指数风廓线模型和空间相干模型模拟来流风场,结合叶素动力学计算风力机非定常气动载荷,分析湍流风载荷和异步冰激振动模型作用下塔架动力学响应。研究结果表明：异步Matlock模型冰载荷峰值低于同步模型;塔顶前后位移受冰激振动影响较侧向更为显著,幅值和标准差均大幅提高;冰激振动导致塔顶前后位置破碎频率及其靠近叶片2阶挥舞频率倍频处幅值大幅提高,且异步Matlock增幅小于同步模型;异步Matlock模型对塔顶侧向位移影响较小。     

基于气动弹性理论的风力机叶片耦合分析

针对风力机叶片,建立其结构动力学方程,推导分析了叶片旋转所产生的振动速度及其对来流的影响。基于BEM(Blade Element Momentum)理论,在风力机空气动力学基础上,建立了风力机的气动耦合分析模型。应用该模型,对某2MW风力机进行了计算分析,得到了叶片在额定工作风速下的振动变形、速度、加速度以及叶片沿展向的变形和载荷分布。充分考虑叶片的结构振动特性与来流风速的耦合效应,使得风力机空气动力学特性模型更加准确,对于风力机的设计和分析具有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

地震作用下的风电机组振动仿真分析

应用基于多柔体动力学的联合仿真技术对地震作用下的风力发电机振动响应进行了研究。首先采用GDW理论进行风力机气动载荷计算分析,在Fortran下建立风力发电"叶轮—机舱—塔架"整机的多柔体系统动力学模型,将该系统模型转化为ADAMS分析模型。然后通过动态链接文件和根据Eurocode8编写的地震载荷谱,在ADAMS中进行地震作用下的风力机系统联合仿真。仿真数据同Bladed软件结果比较表明,该联合仿真方法可较好的模拟风力机在地震作用下的振动响应。该文为研究地震对风力发电机的影响进行了一次有益的探索。     

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。     

Dynamic behavior of wind turbines influenced by aerodynamic damping and earthquake intensity

In the present paper the effects of aerodynamic damping and earthquake loads on the dynamic response of flexible‐based wind turbines are studied. A numerical analysis framework (NAF) is developed and applied. NAF is based on a user‐compiled module that is developed for the purposes of the present paper and is fully coupled with an open source tool. The accuracy of the developed NAF is validated through comparisons with predictions that are calculated with the use of different numerical analysis methods and tools. The results indicate that the presence of the aerodynamic loads due to the reduction of the maximum displacement of the tower attributed to the dissipation of earthquake excitation energy in fore‐aft direction. Emergency shutdown triggered by strong earthquakes results to a rapid change of aerodynamic damping, resulting to short‐term instability of the wind turbine. After shutdown of the wind turbine, enhanced dynamic response is observed. For the case where the wind turbine is parked, the maxima displacement and acceleration of tower‐top increase linearly with the peak ground acceleration. With the use of the least‐square method a dimensionless slope of tower‐top displacements is presented representing the seismic response coefficient of tower that can be used to estimate the tower‐top acceleration demand. Moreover, on the basis of the seismic response coefficient, an improved model for the evaluation of load design demand is proposed. This model can provide accurate predictions.     

大型风力机齿轮传动系统机电耦合动态特性研究

针对目前风力机柔性齿轮箱动力学研究时简化电气系统的问题,以某8 MW永磁同步风力机为对象,建立包含详细电气系统和柔性传动链的风力机模型。基于该模型探究电气系统效应对风力机齿轮箱啮合刚度、动态接触应力、振动加速度等动力学特性影响。结果表明：电气系统效应使系统转速、时变啮合刚度、接触应力相位滞后且波动减小;电气系统效应抑制各级齿轮角加速度及箱体振动加速度高频成分并减小传动链振动;风速突变时,电气系统效应可减小高速级齿轮峰值啮合力,增强风力机传动链抵御冲击能力。     

基于升力线理论的大型风力机气弹响应研究

针对风力机不断向大型化发展的趋势,导致结构柔度增加,气弹耦合特性和振动增强,研究了大型风力机高效精确的气弹响应分析方法。为了更准确模拟大型风力机气流沿叶片展向的三维流动现象,采用螺旋尾涡升力线模型代替传统叶素动量理论,建立了叶片气动载荷分析模型,进而结合风力机多体系统动力学模型,构建了机组的气弹耦合动力学方程和数值求解方法。以某10 MW风力机叶片为例,研究了稳态风况下不同风速的叶片气动性能,以及有效攻角、切向力等沿叶展方向的分布特点,并与采用修正叶素动量理论的气弹分析程序（HAWC）对比,结果表明,升力线理论无需引入经验修正模型即能获得叶素动量理论经修正后的分析精度。最后,通过非稳态风况下风力机的气弹响应分析,证明本文方法对大型风力机气弹耦合分析的有效性和准确性。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性.基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比(TSR)下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布.结果表明:不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减...