一种考虑海上风电支撑结构非零初始条件的动力响应计算方法

提出一种能够考虑海上风电支撑结构非零初始条件的动力响应计算方法。该方法创新之处在于将波浪等环境荷载用一系列极值及留数替代,从而可在Laplace域与非零初始条件影响项进行合并。分别采用海上风电单桩式和导管架式支撑结构进行验证。结果表明:除起始短暂时刻外,所提出新方法与传统时域方法计算结果基本一致。     

局部冲刷作用下海上风电机组支撑结构响应

海上风电机组支撑结构在局部冲刷作用下会形成冲刷坑,从而降低基础埋深,导致基础水平承载力的下降,影响机组正常工作运行。以某5 MW单桩式海上风电机组为模型,考虑土壤结构相互作用,应用耦合弹簧模型建立基础模型,仿真局部冲刷作用下机组结构响应。结果表明:相比仅考虑柔性基础模型,考虑局部冲刷的柔性基础模型在机组泥面处最大倾覆力矩与转角增加3.6%和37.9%,且波动性较大,支撑结构一阶前后与侧向固有频率分别降低4.1%和6.0%。     

大型风力机圆形扩展基础倾覆破坏机理分析

为研究以坡积土为持力层的风电基础在风荷载作用下的倾覆破坏机理,以2 MW装机容量的圆形扩展基础为研究对象,基于ABAQUS有限元软件对该基础的室内1∶10缩尺模型的地基土应力和基础沉降进行计算研究。同时利用该基础的缩尺模型试验结果验证数值模型的可靠性。研究表明:随机风荷载引起的地基土应力的扩大效应和不均匀沉降的扩大效应,是导致风力机基础出现倾覆破坏的主要原因;当受强风荷载作用时,迎风侧基础边缘的土体首先进入塑性区,发生屈服破坏,导致上覆土体隆起,基础倾覆破坏就会随之发生。建议在进行风电基础设计计算时,对风力机基础中轴线上的相对沉降验算点处的沉降乘以合适的沉降扩大系数,以保证基础结构安全稳定。     

考虑桩周土体的海上风电大直径单桩变径体系1阶频率研究

海上风电大直径单桩体系1阶频率对风电结构的设计和使用至关重要。为研究以上问题,以4 MW风力机为例根据场地实测土层参数,分别建立未考虑环境水体和考虑环境水体的3种有限元模型,利用激振法测出以上有限元模型的1阶频率并发现:考虑桩周土体后体系1阶频率增大,环境水体对体系1阶频率影响较小。针对以上现象提出一种考虑桩周土体的海上风电大直径单桩变径体系1阶频率量化方法。新方法计算结果与有限元方法计算结果对比表明:2种方法计算结果具有一致性,在初步设计时可利用新的量化方法。     

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。     

波浪荷载作用下海上新型潜式浮式风力机运动特性研究

以适用于中等水深(50～200 m)的新型潜式浮式风力机为研究对象,该风力机基础综合Spar式、半潜式及张力腿(TLP)3类浮式风力机基础的优点,运行时基础主体淹没在水下,具有较小的水线面(如同Spar平台),受波浪影响较小;平台通过张紧式系泊线与海床相连(如同TLP平台),具有良好的垂荡和摇摆运动特性;拖航状态下,浮式平台处于半潜状态,水线面面积大(如同半潜式平台),具有良好的浮稳性。通过分析不同波况下的潜式浮式风力机耦合动力响应得到潜式浮式基础的横荡、纵荡、垂荡及纵摇运动响应,以及发电功率、叶片根部弯矩、塔筒顶部和底部弯矩、锚链张力时程曲线。研究结果表明:波浪对于结构的纵摇运动的影响最为明显,对发电功率、叶片根部弯矩和塔筒顶部弯矩影响较小,对塔筒底部弯矩和系泊线张力影响较大。     

强非线性波作用下海上风机动力特性模型试验研究

  目的  单桩式基础是目前近海海上风电场应用最广泛的支撑结构。中国海洋环境多为浅水和中等水深,受到非线性波浪影响较为明显。与行进波相比,聚焦波可以在短时间内形成一个作用在桩柱上、比常规波浪力大的冲击力,从而影响海上风机的运行性能和疲劳寿命。文章旨在探究强非线性波浪作用下海上风机单桩基础荷载特性,掌握聚焦波与基础相互作用规律,为工程设计提供参考。  方法  文章采用水池模型试验的方法对NREL 5 MW单桩海上风机开展研究,缩尺比例为1∶80。结合我国东部沿海风电场的海洋环境条件,选取了三种典型聚焦波模型,通过浪高仪器和测力天平分别记录了不同工况下单桩周围波浪爬高和底部受力变化情况。  结果  结果表明:桩基所受的水平波浪力具有很强的瞬态性;单桩基础所受水平波浪力在聚焦波的作用下会突然增大,在波谷会受到反向冲击力。  结论  文章揭示了聚焦波引起的海上风机单桩基础荷载变化规律,证实了非线性波浪对于风机基础动力特性的重要影响,相关成果具有较高的理论和工程应用价值。     

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.     

高性能比例边界有限元场地动力模型研究

针对厂房-基础-地基动力相互作用的时域数值分析,建立有效合理的地基无限域计算模型。采用基于加速度脉冲响应函数的高性能比例边界有限元,结合真实的地基开挖参数,针对地基无限域相互作用力的求解进行了分析,并对比粘弹性人工边界模型与核电规范模型,研究了高性能比例边界有限元模型的工程适用性。结果显示该模型在保证精度的前提下,有效降低了卷积运算量,数值稳定性好,对基坑开挖的参数敏感性高,具有良好的工程实用前景。     

面向快速频率响应的混流式水轮机动态模型研究

针对大功率缺失下快速频率响应的需求,鉴于常用静态模型无法准确描述水电机组随外部参数变化而具有的动态频率特性,从水轮机工作本质出发,在全参数模型的基础上,视水轮机接力器行程按直线规律变化,且认为不同工况下混流式水轮机的流量系数以及效率相等,并以此分析建立考虑外部参数的混流式水轮机动态模型.算例表明,所建立的动态模型既能够...     

叶片失效条件下风电机组动力学响应数值模拟研究

研究叶片失效条件下风电机组整机动力学响应数值模拟方法,以NREL 5 MW机组为对象,基于Simpack软件,建立风电机组整机气-弹-控联合仿真模型,分析紧急停机措施下叶片失效机组的动力学响应特征。在此基础上,通过参数化分析揭示了叶片失效所在相位角、叶片失效长度、风速、湍流度、顺桨速率、反应时间等多种因素对于叶片失效条件下机组动力学响应的非线性影响规律。提出一种发电机扭矩随风轮转速下降的优化停机方案,通过数值模拟得到的机组动力学响应曲线验证了该方案的有效性。     

直接空冷系统风机的振动分析研究

设备动力作用下的结构振动分析是工业建筑设计中的一个关键的步骤,其首要任务是合理选择结构计算模型,通过计算分析把结构的振动分析误差控制在合理的范围内,因此采用有限元方法对直接空冷系统的支撑结构和风机桥架进行了动力分析,并对结构模型进行了对比研究。     

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。     

考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风电结构动力特性影响的研究

风力发电建设场地土特性及叶片转速变化会引起风力发电机动力特性及响应发生变化.基于西北地区某风电场的2 MW三桨叶水平轴风力发电机,利用ANSYS软件建立风力发电机整机模型,考虑叶片旋转及土-结构相互作用对风力发电机动力特性的影响,研究风力发电机在不同叶片转速、不同场地条件及两者共同作用下的动力特性变化规律,并利用坎贝尔...     

环氧树脂灌浆料在风电机组基础环式基础加固中的应用研究

针对基础环式风电机组基础常见的开裂、冒浆现象,提出采用环氧树脂灌浆料修补T型法兰附近区域裂缝并填补磨空区。采用有限元软件ABAQUS建立未损坏基础和环氧树脂灌浆料加固后基础最不利截面处局部有限元模型,通过往复加载研究了基础的耗能性能,分析结果表明,环氧树脂材料加固后基础的耗能性能较加固前有大幅的提升。建立环氧树脂和水泥基两种不同灌浆材料加固后基础整体有限元模型,通过单调加载研究基础在极限荷载标准值和设计值下的应力应变分布,分析结果表明,和水泥基灌浆材料加固后的基础相比,环氧树脂材料灌浆加固后T型法兰和基础混凝土接触面的压应力分布更均匀,应力集中现象明显缓解,T型法兰上方混凝土塑性区范围明显减小。     

海上风力机多场平台构建及地震动力学研究

为研究大型海上风力机在地震、湍流风、波浪及海流等复杂环境载荷作用下的动力学响应,建立了考虑多环境载荷和土-构耦合效应的精细支撑结构有限元模型,并基于模态法验证了有限元模型的精度和考虑土-构耦合效应的必要性,同时研究了大型风力机的结构响应。结果表明：结构的动力特性受土-构耦合效应影响显著;在地震载荷作用下,结构多个自由度响应激增;由于湍流风、波浪及海流载荷作用,导致支撑结构受外载荷形成阻尼效应影响更为显著;在研究地震动力学响应时,湍流风载荷、浪流载荷不可忽略。