复杂工况下大型风力机动响应计算方法研究

为了获得水平轴风力机在时变载荷作用下的动态响应,提出一种基于模态叠加法的复杂工况下风力机整机动态响应分析计算流程。在动响应计算中,采用叶素动量定理计算风力机叶片在各个运行工况下的时变载荷,并建立风力机整机结构有限元模型;以叶片动载荷为激励,运用模态叠加法对风力机的动态响应进行分析。搭建实验室规模的风力机动响应测试平台,通过测试结果与数值分析结果的对比分析,表明该文分析流程的正确性。以陆地2 MW大型风力机为研究对象,运用该文所提出的计算方法对风力机系统的动态响应进行分析,得到不同风况下轮毂的位移动响应时域历程,对激励中各频率成分对结构动响应的影响进行分析。结果表明,在湍流风的作用下风力机的横向位移会产生大幅波动;在强阵风作用下风力机轮毂振动加剧,振幅最大增加179.52%,在风力机结构设计时应给予一定重视。     

波浪对海上大型风力机筒形塔架的影响

文章利用梁单元对海上风力机筒形塔架进行有限元建模,并建立了塔架动力学运动方程。阐述了海上风力机塔架所受Kaimal湍流风模型和Pierson-Moskowitz波浪谱模型,并对风载荷、波浪载荷和海流载荷进行了详细分析。基于某6.0 MW海上大型风力机塔架的动力响应计算,分析了极限和疲劳工况下波浪对塔架顶端振动位移和塔底载荷的影响程度,为海上风力机筒形塔架设计提供了参考。     

风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析

研究了海上风力机圆筒型塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法;建立了基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的混泥土塔架安全寿命估计方法.应用线性波理论仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒型塔架上的波浪载荷.通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,建立了波浪力的分析计算模型;用有限元数值分析方法,求解了塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等;用雨流计数法统计循环参量,将工作循环应力水平等寿命转换成对称循环下疲劳载荷谱,分析了变幅载荷谱下塔架的疲劳损伤及疲劳寿命.算例表明:该文的工作为海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

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。     

水平轴风力机结构动力响应分析

考虑水平轴风力机叶片和塔架的结构柔性,基于模态分析方法,建立了风力机叶片和塔架的耦合动力学模型来模拟整个系统的动态行为.应用线性加速方法,实现了结构动力响应的数值解法.利用分析模型对一台1.25MW风力机在稳态风作用下的结构动力响应进行了计算,计算结果显示所建立的模型能正确反映外部激励对结构变形及载荷的影响.此外,从计算结果可看出大型风力机的柔性结构在工作过程中变形很大;在进行载荷计算时考虑前二阶模态可得到较合理的计算结果.     

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。     

地震载荷对15 MW海上风力机动态响应的影响

为研究地震载荷对15 MW海上风力机动态响应的影响,基于模态加速度法计算了15 MW海上风力机在风-浪-震耦合工况下的支撑结构载荷、塔顶加速度和气动性能,并与无地震工况下的计算结果进行比较.结果 表明:地震载荷对侧向剪切力和横摇弯矩影响显著,而纵向剪切力及俯仰弯矩主要受到湍流风作用;地震发生后塔顶最大加速度增幅可达44...     

海上风力机在风波联合作用下的动力响应分析

为分析海上风力机运行时的复杂工作环境,需研究海上风力机整机系统在气动载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。应用线性波理论模拟非规则的波浪及计算水质点在不同深度位置的速度、加速度;应用MORISON波浪力方程建立作用于塔架支撑基础的波浪力计算模型,分析作用在圆筒形支撑基础上的波浪载荷。基于计算多体系统动力学建模方法,通过有限的自由度来反映海上风力机柔性构件的非线性弹性变形。结合气动载荷模型、波浪载荷模型和高效的数值求解方法,建立了海上风力机系统的动力学模型,实现对其动力响应数值分析。以一台5 MW海上风力机为例进行动力响应分析,仿真试验表明气动载荷和波浪载荷对海上风力机的结构设计和稳定性有着重要的影响。该研究为海上风力机系统的振动分析、疲劳分析等提供了一种有效分析方法。     

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。     

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。     

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.     

风浪入射角对漂浮式风力机动态响应影响研究

采用开源软件FAST并结合多体动力学方法,以驳船式(ITI Energy Barge)平台5 MW海上漂浮式风力机为研究对象,研究海上漂浮式风力机塔架与平台结构在风浪不同入射角下6个自由度大小与幅值变化,并分析风力机塔架与塔基在风浪入射角度不一致工况下的动态响应;将模拟所得数据在Matlab语言编辑的Mlife程序中运行,进而得到风力机等效疲劳载荷(DEL)。结果表明:平台6个自由度中,纵荡和纵摇随来流风速的变化最为显著;海上风力机的DEL不仅与风浪载荷大小有关,与其方向也有着密切关联;来流风、浪载荷之间的夹角较小时,风力机塔架和塔基的DEL相应较大。研究结果对海上Barge平台结构的设计与安装具有一定的参考价值。     

大型风力机风轮气动不平衡的特性研究与验证

为了研究和探索风轮气动不平衡的物理特性,以某2.0 MW三叶片水平轴风力机为研究对象,采用计算机仿真及试验相结合的方法,研究风轮气动不平衡对机组动力学特性、气动性能及气动载荷的影响研究。通过气动特性分析和动力学分析表明,随着风轮叶片安装角的不平衡度增大,其机组性能逐渐下降,塔顶的载荷波动逐渐增大,叶片的挥舞载荷出现明显差异,机舱振动加速度变大。对塔顶振动加速度进行快速傅里叶变换分析,出现明显特征变化。研究过程表明,监测机舱振动加速度和机组功率曲线能有效识别机组气动不平衡程度。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。     

风电机组载荷计算的外部风速条件模拟研究

针对大型风力发电机组设计中的风速条件进行了模拟研究,利用Bladed软件进行了仿真和载荷计算,研究内容包括风切变、塔影、上风向尾流、三维湍流、瞬时风速等建模问题.结合沈阳工业大学承担"863"项目--SUT-1000 MW级变速恒频风电机组的研制,进行了IEC标准下各级负载级别的载荷计算.     

基于BEDDOES-LEISHMAN动态失速模型的水平轴风力机动态气动载荷计算方法

从对附着流和分离流的建模两方面阐述了Beddoes-Leishman动态失速模型.基于Beddoes-Leishman模型开发了动态失速数值计算程序,并将其集成到了现有的风力机气动载荷分析软件中.利用所开发的程序,计算了NACA 63-418翼型的动态失速特性,分析了平均攻角、衰减频率和马赫数的变化对动态失速特性的影响.仿真了一台1.5MW变速恒频风电机组的发电工况,结果表明,动态失速对风力机的动态气动载荷有极大影响,在进行动态载荷仿真时必须予以充分考虑.     

海上浮式水平轴风力机气动特性研究

以NREL-5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论,考虑动态失速、风剪切及塔影效应等气动修正模型,开发Matlab非定常气动载荷计算程序,研究浮式水平轴风力机气动特性。结果表明:为保证风力机气动载荷模拟的正确性,气动修正模型必不可少;基础运动对风力机气动性能有显著影响,基础运动使风力机输出功率增大,但同时存在较大的振荡幅度,导致功率输出不稳定;叶片变桨失效导致功率输出更加不稳定。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。