大型风电机组塔架-叶片耦合振动对风力机柔性多体系统稳定性的影响

针对大型风电机组塔架-叶片耦合振动引起的风力机柔性多体系统稳定性问题,利用刚体有限元法对塔架-叶片耦合结构进行建模,并考虑塔架的结构参数对系统稳定性产生的影响,计算系统及各部件的自然频率,对风电机组塔架-叶片耦合结构进行振动分析。采用谐波合成法产生的气动载荷,对塔架-叶片耦合结构进行风振响应分析,从而得出塔架-叶片耦合振动及结构参数对于风力机柔性多体系统的影响。结果表明,塔架截面惯性矩与系统的自然频率呈非线性关系,1阶弯曲频率曲线最大值对应的塔架截面惯性矩为21 m~4,频率为1.25 Hz;振动最大位移量为0.85 m,发生在一阶屈服频率;塔架高径比最大值为26,自然频率最大值为5 Hz。该结果说明塔架结构参数变化及塔架-叶片耦合振动位移对风力机柔性多体系统稳定性产生一定的影响,从而为大型风电机组正常运行提供一定参考价值。     

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。     

大型风电机组柔性塔架结构改进研究

针对大型风电机组柔性塔架分段处的动态响应问题,文章利用双向流固耦合法对塔架分段处法兰进行流体与结构动力学分析,得出动力响应曲线。将考虑耦合作用与未考虑耦合作用的塔架法兰的应力、位移进行对比,经过基本应用理论分析,提出塔架结构改进措施。对比结果表明:考虑耦合作用的塔架法兰位移、应力变化幅度均比未考虑耦合作用的小;结构改进后的塔架应力、位移变化幅度相对较小。     

多载荷耦合作用下的风电机组塔架结构动力学特性研究

文章针对在多载荷耦合作用下的大型风电机组塔架结构动力学参数变化的问题,根据柔性理论在耦合结构中的应用,建立了三维结构动力学模型。利用模态分析法,进行了振动特性研究。利用Solidworks模块化的流体分析嵌入技术进行了多载荷动力学分析。通过风与雨水载荷的耦合作用,结合基本控制方程,分析了塔架的振动位移变化情况。结果表明:振动特性中,最大振幅为0.37 m;在风与雨水耦合作用下,塔架振动位移变化幅值较大,最大值为1.22 m。该结果为塔架在风雨耦合载荷中的动力响应提供参考数据,从而为风电机组运行的稳定性提供一定参考。     

新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统的动力响应研究

从浮式海上风电机组的全寿命设计角度出发,以此类风电机组便于安装、替换、维修和拆除为目标,提出了一种新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统。基于BEM方法研究了采用该结构系统的海上风电机组的叶片的气动性能,并综合考虑了风电机组浮体模块和张力腿平台模块的多体机械耦合和水动力耦合效应。选取海上风电机组4种典型工作海况,将新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统与常规张力腿平台单体浮式海上风电机组结构系统的主要动力响应特征进行了对比分析,揭示了该新型张力腿平台双模块浮式海上风电机组结构系统可以有效降低浮式海上风电机组平台的纵荡位移响应,对改善浮式海上风电机组的运行性能具有积极意义。此外,还对该双模块结构系统拆除风电机组的可行性进行了初步验证。     

10 MW张力腿平台风电机组极端条件下响应特性分析

使用FAST构建10 MW漂浮式风电机组的完全耦合非线性模型,针对极端情况,通过耦合求解器FAST对张力腿平台(TLP)式风电机组的叶片、塔架和平台等关键部件进行研究。结果表明:在最大运行工况下,TLP式风电机组风轮叶片承受更大的载荷,但在极端停机工况下,塔架承受更大的弯矩和剪切力;TLP在极端停机工况下的响应更剧烈。风轮叶片的结构校核应基于运行工况,而其他部件的结构校核要考虑极端停机工况。     

风电机组柔性叶片在刚柔耦合作用下的非线性振动研究

文章考虑了叶片的刚柔耦合作用,利用仿真技术对某5 MW风电机组柔性叶片进行了非线性振动特性分析,揭示风力机叶片振动时的相互耦合规律。以风电机组刚柔耦合动力学效应为基础,对风电机组在多载荷耦合作用下,结合柔性叶片变形基本原理,探索风电机组刚柔耦合系统动力学参数变化规律。结果表明,叶尖出现位移的偏移量为17 mm,叶根的偏移量较小,保持与轮毂的刚性连接,该结论为风电机组的状态监测与稳定运行提供了参考。     

风电机组风轮与主轴轴系的动力学耦合特性

针对叶片柔性振动引起叶轮与塔架间产生干涉、使叶根处发生疲劳破坏的问题,对叶片与主轴和主轴轴承间的相互作用关系进行探讨。依据刚柔耦合多体系统动力学理论,建立一种能够计算风轮与主轴轴系间耦合动态响应的低速轴端多体子系统的刚柔耦合动力学性能计算的仿真方法。该方法考虑了主轴轴承的刚度与阻尼、轴承结构间隙、叶片柔性以及叶轮风剪切效应间的相互耦合影响作用。以河西走廊某风场1.2 MW风电机组为例对所建模型进行验证。结果表明,转速与叶片间由于风剪切作用出现的气动力不平衡对主轴轴系的稳定性影响作用较大,该研究提出的方法能够模拟出气动力波动对系统稳定性的影响情况,能够计算获得叶片面内运动的动态响应规律。采用Blade软件进行的验证结果表明了该方法的有效性。     

基于双向流固耦合的海上风力发电塔架风致响应特性分析

针对海上风力发电塔架风致响应特性,利用有限元分析软件Solidworks建立塔架叶片耦合结构模型进行模态分析,分析各个振型形成的原因及影响。结合Davenport脉动风速谱,利用双向流固耦合法,对塔架叶片耦合结构进行动力学参数变化分析,并在耦合结构作用下,对塔架及叶片进行位移变化分析。结果表明:耦合结构的第一阶振型为叶片前后弯曲,塔架无明显变化;耦合结构的第二阶振型为叶片垂直摆振,与扭转变形相耦合,塔架最大水平位移为0.58 m,塔架的水平位移无规则变化,变化幅度较大;耦合结构的第三阶振型为叶片俯仰挥舞,与叶片弯曲振型相耦合;塔架叶片耦合后的叶尖位移偏移量呈脉动性变化,塔架的惯性矩较小。该结果为海上风力发电塔架运行过程中动力学参数的变化及状态监测提供参考。     

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。