MW级风电机组偏航轴承连接螺栓的强度计算

以一个2 MW风电机组偏航轴承连接螺栓为分析对象,对其进行了极限、疲劳、滑移强度计算。首先基于极限载荷计算得到了螺栓的最小极限安全系数;然后利用ANSYS得到了螺栓的载荷-应力非线性曲线;根据该曲线将载荷-时间谱转化为应力-时间谱,利用雨流统计和P-M准则得到了螺栓的最小疲劳安全系数;最后对螺栓的滑移强度进行了计算。计算结果表明,偏航轴承连接螺栓的极限、疲劳和滑移强度满足设计要求。该方法为螺栓的结构设计与优化提供了一种实用的手段。     

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。     

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。     

大型风电机组气动响应特性分析

针对大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构气动响应问题,文章提出了在不同偏航角度下的分析方法。根据该方法的流程图,建立了大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构动力学模型。采用谐波叠加法计算气动载荷分布,考虑塔影效应与风剪切的影响,得出诱导因子时程曲线与气动响应均值。计算结果表明:轴向与切向诱导因子变化较小,尾流稳定;偏航角逐渐增大导致塔顶顺风向位移均值减小,根方差值增大。该结果为大型风电机组运行过程中监测状态参数的变化与流体动力学分析提供了参考。     

基于模态叠加法的风电机组塔架实时状态研究

振动模态是机械结构在某一自振频率下的振动型态,是多自由度系统的固有属性。在模态分析的基础之上,提出一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态与应力状态计算模型。该模型首先通过有限元法得到塔架的模态,然后通过模态叠加法根据塔架各监测点处的振动值计算得到整个塔架的振动状态及应力状态。以某风电场2.0 MW风电机组为例,通过有限元法数值模拟验证该模型计算结果的准确性。研究结果表明,该模型具有精度高和速度快的特点,能够满足实时在线计算要求。     

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。     

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。     

基于ANSYS Workbench的大型风力发电机组塔架静态分析

针对大型风力发电机组塔架事故发生率高的问题,以酒泉风电基地瓜州风电场某大型1．5MW风力发电机组塔架（锥筒式）为研究对象,利用ANSYS Workbench软件建立大型风力发电机组塔架的三维有限元模型,进行静态强度分析和剐度分析,准确计算出塔架在各种荷载下的应力及塔顶位移。计算结果表明：被分析的1．5MW风力发电机组塔架（锥筒式）整体结构满足强度和刚度要求,为塔架的优化设计提供了依据。     

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。     

防护装置对海上风力机-船舶碰撞动力响应影响的研究

建立国内某单桩柱的3 MW风力机与船舶碰撞模型,概念性地提出一种橡胶-钢结构防护装置,运用非线性动力分析方法,通过LS-DYNA模拟2 000 t船舶以不同速度撞击风力机塔架,研究防护装置对碰撞过程中塔架的动力响应特性影响并与无防护装置的塔架进行对比。结果表明:安装防护装置后对塔顶风力机的响应抑制效果明显;塔顶正负向最大位移、速度和加速度较无防护装置时分别减少了33%、50%和23.6%;塔架下端结构变形能大幅减少,塔架撞深小于无防护装置的1/10;防护装置能避免碰撞力集中施加于塔架上,使作用在塔架上的最大应力小于塔架材料的屈服强度。     

滑动式偏航系统力学建模与分析

以某型兆瓦级风电机组为实例,介绍了滑动式偏航系统的组成,并对产生偏航摩擦力矩的各摩擦片受力进行了力学分析,建立了相应的数学模型,利用MATLAB软件,模拟了风电机组运行过程中风载对各摩擦片的作用,得到了碟簧压力对偏航系统摩擦力矩的关系,建立了碟簧压力与偏航功率的关系,为研究风载对系统作用和碟簧压力对系统偏航功率的影响提供了参考。     

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。     

随机风载荷下大型风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学分析

由于风力机叶片所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,大型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。利用MATLAB/Simulink对随机风速进行了模拟,通过柔性多体动力学方法建立了符合实际的风力机叶片/机舱/塔架耦合动力学方程。在随机风载荷下对目前国内1.5 MW主流风力机的叶片、塔架的动力学行为进行了实例分析,得到了10 min时序随机风载下的叶片挥舞位移、速度历程和塔架的位移、速度历程。分析结果表明,在随机风载下,风力机启动时叶片、塔架振动较为剧烈,随时间的增加叶片、塔架振动幅度逐渐减小,振动速度也呈减小趋势。该研究结果为我国风力机设计理论的完善和工程实践奠定了一定的基础。     

风电机组钢塔架与钢-混凝土组合塔架动力响应对比分析

采用FAST软件对同一风场、2 MW风电机组的纯钢塔架和钢-混凝土组合塔架进行正常运行工况和急停工况的动力响应分析。结果表明：两种工况下，纯钢塔架塔顶位移响应均大于钢混塔架；在正常运行工况下，两类塔架塔顶处加速度响应受3倍、6倍风轮转速对应的频率影响较大，且纯钢塔架受二阶振型影响明显；急停工况下，塔架振动加剧，纯钢塔架相比于钢混塔架更加敏感，两种塔架前后振动方向加速度响应主要受塔架一阶振型影响，而侧向振动方向加速度响应受塔架二阶振型影响明显。     

偏航速度对风力机功率及叶片应力的影响研究

通过实验测试,以动态旋转平台模拟风力机风向变化及偏航对风,研究不同偏航速度及偏航延时时间对风力机叶片应力及功率的影响。结果表明：动态偏航对风过程中,应力值基本呈由前缘向后缘、叶根向叶尖递减的趋势,在叶展方向0.67R及0.75R处,叶根弦向方向0.25c及0.50c处出现应力集中现象,偏航延时时间的加入可有效抑制叶片应力波动,过慢的偏航速度会导致功率曲线出现较大波动。引入一无量纲系数,该系数为风力机功率及叶片应力的比值,通过分析得知在仅考虑风力机叶片应力及功率时,风力机最佳偏航速度为0.5°/s。     

高速强湍流风况下的风力机结构动力学响应

为研究大型风力机在高速强湍流风况下的结构动力学特性,基于NWTCUP风谱模型建立平均风速为25m/s的极限湍流三维风场,比例缩放Kelvin-Helmholtz不稳定流的数值模拟结果作为相干结构,将其加入普通湍流风场表示湍流度更强的风况,在FAST软件中分别计算加入相干结构前、后风力机的动力学特性,并仿真偏航30°、紧急顺桨停机和一直顺桨停机3种偏工况,得到各个工况下叶片和塔架载荷的动态响应.结果表明:加入相干结构后,风速在空间及时域的变化均更加剧烈,相干湍动能更大,可表示湍流强度更高的风况;加入相干结构后,风力机动力学响应加剧,其中塔基弯矩影响最大,响应幅值波动变化范围增大了1.96倍;叶片载荷主要刺激频率为风轮旋转频率,塔架响应为塔架一阶侧向振动频率;相干结构对偏工况的影响较大,在偏航和紧急停机等非稳定运行过程中,塔尖弯矩非平稳过程明显.     

小型风力发电机偏航系统动力学分析

为分析偏航失稳机理,以某小型风力发电机为研究对象,基于偏航扭转振动模型,分析得到了偏航失稳的条件;通过建立该风力机的刚-柔耦合模型,进行强迫振动分析,研究风力机偏航速度、塔架扭转刚度和偏航阻力对其振动特性的影响.结果表明,偏航速度对其偏航稳定性有一定影响,增加塔架扭转刚度能显著改善偏航振动响应,而施加偏航阻力并不能有效...     

5MW风力机地震工况塔架动力学响应研究

基于FAST开源软件和Wolf土-构耦合(SSI)模型建立了风力机地震工况动力学仿真模型,并计算了5种不同平均风速的气动载荷与101种不同强度的地震载荷联合作用下风力机的动力学响应.结果表明:在额定风速下,气动载荷与地震载荷之间为非线性耦合,评估风力机地震动力学响应时,必须充分考虑风-震耦合效应;风速相同时,塔基最大弯矩先保持不变,再以线性增长的趋势变化;在低强度地震时,塔架不同高度处的最大弯矩与塔架高度之间为线性关系;随着地震强度的逐渐增大,塔架最大弯矩与塔架高度之间的关系逐渐变为非线性,且额定风速下塔架最大弯矩最大.     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。