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。     

台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究

结合2005年0518号台风"Damrey"的实测时程数据,参考美国可再生能源实验室5 MW风力机主要设计参数,重点研究台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷特征。首先,鉴于完整台风实测数据跨越时间较长,且风速和风向变化具有显著的时段特征,因此科学截取一段具有代表性的3 h台风风速-风向时程数据。其次,综合考虑5 MW风力机叶片主要截面翼型设计参数和变速变桨控制系统,基于叶素动量(BEM)理论模拟分析代表性台风时程下风力机叶片的空气动力载荷特征,并将该数值模拟结果与相关简化计算结果进行对比分析,揭示风力机变速变桨控制系统的时滞性对台风作用下叶片空气动力载荷的重要影响。最后,进一步研究风力机停机状态下的叶片台风载荷特征,建议在台风作用下采用主动顺桨叶停机策略,以实现降低叶片气动载荷保证风力机主体结构安全的目的。     

2.5MW风力机风轮设计及数值模拟

以我国中部某地一年实测数据为基础,结合Wilson叶片设计方法,利用Soildworks软件建立风轮模型。利用FLUENT软件模拟了7种不同来流下风轮流场的情况,得到了速度分布、湍动能分布云图,计算了不同来流情况下风轮的仿真功率,并与理论值进行对比,可为风力机实际运行提供一定的理论指导。     

地震荷载作用下海上风力机结构动力模型试验

综合考虑弹性相似律和佛劳德数(Fr)相似开展固定式多桩基础海上风力机结构动力模型试验,研究海上风力机整体结构在地震、风、波浪及海流单独及联合作用下的结构动力反应。运用ANSYS建立试验模型的有限元模型,将实测的地震波、风荷载和波高时程等荷载条件施加于数值模型,开展动力时程反应分析。通过试验数据与有限元结果的对比分析得出,在进行地震荷载作用下海上风力机结构动力反应分析时,需要考虑风、波浪等荷载因素的影响;地震、风、波浪荷载之间的耦合作用对结构内力反应具有显著影响,特别是当设计地震峰值加速度较小时,风与波浪荷载作用下的结构内力反应与地震荷载作用时效果相当。     

风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

3 MW风力机叶片振动特性分析

为防止叶片发生共振、减少叶片挠度、提高风力机发电效率以及风能利用率,文章建立了3 MW风力机叶片模型,分析了风力机叶片的固有频率。当激励频率为1.26 Hz时,叶片发生共振。以年发电量和风能利用率为目标函数,采用多目标遗传算法对3 MW风力机叶片进行优化设计。优化后的叶片发电功率提高了12%左右,风能利用率提高了18%左右;叶片的固有频率明显提高,挠度减少,解决了风力机叶片共振的问题。     

5 MW风力机叶片模态特性分析

为了研究叶片铺层和主梁形式对大型自适应叶片动态特性的影响,利用Ansys软件建立了5 MW风力机叶片的有限元模型.对不同梁帽铺层角度和主梁形式的叶片进行了模态分析,给出了各模型的前十阶固有频率和振型,分析了叶片梁帽铺层角度、主梁形式和转速对风力机叶片固有频率的影响.结果表明：叶片梁帽铺层角度和叶片主梁形式对固有频率具有重要影响;在叶片的弯扭耦合设计过程中,要考虑设计参数对叶片模态特性的影响,以避免叶片发生振动性能失效.     

地震及风-浪载荷作用下大型10 MW桁架与单桩风力机响应对比研究

以某10 MW桁架式海上风力机为研究对象,基于p-y曲线和Q-z曲线描述柔性土壤与桩基间的相互作用,构建桁架及单桩风力机的有限元模型,研究2种结构在地震及风-浪载荷作用下的结构动力学响应及承载特性。结果表明：桁架及单桩结构在风-浪载荷作用下,塔顶做偏心往复运动;地震的作用导致单桩结构塔顶侧向扰动偏心更严重,但桁架结构扰动幅度更大且应力卸载更快;桁架结构相较于单桩结构更稳定,但需要对局部承载压力部分进行降载。     

10MW风力机叶片设计及其在随机风载荷下的响应分析

对大型风力机柔性叶片的设计方法及其在随机风载荷作用下的动态响应与载荷特性进行了研究。根据风力机叶片空气动力学和结构设计理论,将柔性叶片离散为多个刚体,形成一个多体系统。根据多体动力学的建模方法和叶片气动模型,考虑两者的相互作用,建立了柔性叶片的非线性耦合动力学方程并开发了相应的仿真程序。算例分析了叶片在随机风载荷作用下的气弹载荷与随机振动响应,并对稳定风速和紊流风速下的响应结果作了对比分析。     

台风-浪-流耦合作用下海上风力机基础结构水动力特性分析

为揭示台风-浪-流耦合作用下风力机基础结构的水动力特性,以广东外罗10 MW级海上风力机为研究对象,基于模式耦合器（MCT）建立中尺度台风-浪-流（W-S-F）实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变特性;再结合中/小尺度嵌套方法分析风力机单桩基础水动力荷载分布特性;提出不同波浪相位下基础柱极值荷载模型。结果表明：建立的W-S-F平台对台风路径的模拟精度较单WRF模式提高42.51%;台风-浪-流耦合作用下基础柱水平波浪力正峰值增大约20%,负峰值减小约18%,并沿水深方向呈指数型变化规律,周向沿180°波向角呈对称分布;T4相位为风力机基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10⁶量级,基底弯矩最大达5.2×10⁸量级。     

NREL 5 MW风力机气动特性的数值模拟研究

以NREL 5 MW风力机为研究对象,忽略风轮的仰角和锥角,采用CFD数值模拟方法并选用SST湍流模型研究均匀来流条件下不同风速时风力机的输出功率,并与FAST软件的计算结果进行比较。分析叶片展向不同截面的压力分布和径向速度流场,讨论风力机尾流场速度和湍动能的变化规律。研究结果表明,沿着叶片展向自叶根至叶尖,吸力面压力逐渐降低,低压区覆盖面积逐渐增大;压力面压力逐渐升高,前缘与尾缘附近压力增幅较大。风穿过风轮能量被大量吸收,风轮对来流的阻塞作用主要集中在近尾流区。风轮后随着流体从近尾流区运动到远尾流区湍动能逐渐减小。     

1.5MW风力机塔架-基础的动力特性研究

采用多种计算模型结合敏感性分析,研究了塔架及塔架-基础的动力特性,发现塔架与基础的振动有一定的耦合作用;考虑基础与塔架相互作用后,塔架各阶自振频率降低,特别是高阶自振频率降低较多;在地震液化等极端工况下,地基基础对塔架动力特性的影响更明显。总结并分析了塔架的振源,指出脉动风荷载是风力机设计中必须重视的部分;风绕塔架流动一般处于超临界或跨临界范围,在超临界范围不会出现明显的塔架涡激振动,在跨临界范围可能出现严重的振动;风轮属细长弹性体、气动特征明显,其振动响应比较复杂且易发生破坏事故。为减小柔性塔架振幅,给出了风力机起动时快速跳过瞬态共振区、增加塔架阻尼和优化塔架体型以进一步改善塔架动力特性等方面的建议。     

考虑风剪切的1.3MW风力机整机三维定常流动数值研究

分别采用均匀风和剪切风对1.3 MW失速调节风力机整机在8 m/s和13 m/s来流风速下的绕流流场进行全三维定常数值模拟。根据模拟结果分析叶片不同截面的压力系数分布、沿叶展方向的功率分布、风轮三维流场细节、风轮下游不同距离处的静压分布和二维相对速度矢量分布情况。结果表明：剪切风下,风力机功率计算值与设计值吻合较好;在靠近叶根处,适当地减小有效攻角可提高翼型气动性能,选择适应较大攻角的翼型,可以提高叶根处的输出功率;在靠近叶尖的部位,适当增加有效攻角,同时选择适应小攻角的翼型可以提高叶尖处的输出功率;在叶根部位,发生了明显的流动分离;塔架与轮毂所在位置的下游尾迹处产生的漩涡和干扰要远远大于叶轮面其他部位。     

最不利停机状态下兆瓦级风力机风驱雨分布特性研究

为系统探索此类风力机风雨分布特性,设置不同风速及降雨参数,以中国某1.5 MW风力机为工程背景,建立三维塔筒-机舱-叶片一体化刚体模型,采用欧拉-拉格朗日方法,展开风雨联合数值模拟,从雨滴着点分布特征、雨滴速度分布特性与雨荷载3个方面进行分析。研究表明,风力机下部叶片在中等风速暴雨雨强工况下着点比例最高;雨滴粒径集中范围随风速的增大而逐渐偏向较大粒径;叶片下部在低风速工况下,随雨强的增加,其雨滴末速度逐渐朝高风速方向迁移,叶片上部此类迁移现象更为明显;相同风速等级下,雨荷载随雨强的增加而显著升高;中等风速强大暴雨工况下雨荷载9种工况中的雨荷载极值。     

山地典型地形下的2MW风力机仿真研究

根据我国中部某实测地的山地狭管及风速数据,使用Solidworks建立2 MW风力机模型,并分别建立了风力机在平地与狭管中的计算域模型,然后通过ICEM划分网格,用Fluent软件对模型进行仿真。仿真结果表明,额定风速下,平地风力机输出功率比理论值低,与平地相比,狭管对流体有明显的加速作用,可使狭管风力机比同入流风速下的平地风力机功率高约5.0%~43.5%。研究结果为在山地狭管中布置风力机提供了参考。     

周期性荷载作用下岩石力学特性数值模拟研究

为研究周期性荷载作用下岩石的力学特性,开展了基于离散单元法(DEM)的岩石疲劳数值模拟试验,通过模拟单轴压缩试验研究了数值模型中微观参数对试样宏观参数的影响,再通过数值疲劳试验研究了砂岩的疲劳变形特性。结果表明,砂岩的疲劳应力—应变曲线受控于单轴应力—应变过程曲线,疲劳破坏时的轴向应变即为周期性荷载最大应力在单轴应力—应变曲线中所对应的峰后部分应变。通过分析砂岩的疲劳渐进破坏过程发现,最大应力和平均应力是影响砂岩疲劳寿命的两个重要因素。研究成果对于了解岩体疲劳破坏机理、合理评价工程稳定性有重要意义。     

风力机讲座 第四讲 风特性和风力机安装地点的选择

现在,我们对风力机的工作原理和主要部件有了一个初步了解,这对我们选择风力机是有帮助的。当我们有了风力机后,怎样充分利用它呢?为了回答这个问题,必须对风特性和安装地点的选择有一定的了解。一、风特性自然界的风是很复杂的,对风能开发利用有直接影响。下面介绍风的主要特性。1.风能随时间变化大家知道,风速是随时间变化的。因此,风能也随时间变化。在第二讲中已经说过,风能与风速的三     

海岛环境下大跨越输电塔风荷载关键参数特性研究

大跨越输电塔是集高耸结构和空间杆系结构2种特征于一体的风敏感结构,风与结构的相互作用十分复杂,风荷载是主要的设计荷载之一。以某一海岛环境大跨越输电塔为研究对象,研究了适用于工程的风速过渡区、风压高度变化系数;结合以往工程经验,提出体型系数的推荐取值;同时,参考国内外规范（IEC60826、BS50341）,并通过CFD模拟,得出了塔身与横担角度风荷载的分配系数推荐值;通过研究,揭示了海岛环境下大跨越塔的风荷载关键参数的特性,结果可作为大跨越铁塔结构抗风设计的参考。