大型风力机筒式塔架涡致振动的数值分析

应用有限元数值分析方法分析了1.5MW变速变桨距风电机组圆筒型塔架在非定常气动力作用下的动力学响应.数值计算了塔架的动力特性,考察了风轮及机舱重量对塔架固有频率的影响;研究了作用在圆筒型塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;根据作用在塔架上的气动力,计算了塔顶处横向和顺风向在过临界和超临界条件下的动态位移.计算结果表明:非定常气动力是引起塔架振动的重要原因,研究塔架的动态问题比静态问题更重要.该文的工作也为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.     

近海风力机的模态分析

为了得出无预应力条件下1.5 MW风力机整机的自振频率,采用有限元方法对简化后的海上风力机塔架和桩基耦合结构进行固有特性分析,得出了无预应力条件下该耦合系统的自振频率,输出其低阶振型图和相应的模态振型曲线,根据Campbell图与外界激励频率(即风轮额定1P、3P和6P)进行对比,判断其是否会在外界激励条件下发生共振,得出该风力机风轮运转的临界转速和运行的安全区。最终得出风力机整机的模态分析。结果表明:整机的模态振型在塔架与桩基耦合结构的振型基础上出现了摆振和挥舞的复合运动,整机的固有频率与实体的静态特性频率较相近。     

水平轴风力机塔架的频率和振型特性实验研究

为了研究风力机塔架的振动特性,文章利用动态信号采集分析系统,对水平轴风力机塔架进行了实验模态分析和运行模态分析测试,得到了塔架静止与振动两种工况下的固有频率与模态振型,分析了塔架的振动特性。通过对风力机振动信号的频谱分析发现,风速小于10 m/s时,只能激励起塔架挥舞方向与摆振方向的二阶模态;通过对风力机塔架的模态分析发现,风力机发生振动,塔架固有频率与模态振型发生小幅度改变;随着风速和振动烈度的增大,塔架模态参数的变化幅度随之增大。该研究可以为风力机塔架优化设计提供借鉴。     

结构阻尼对风力机塔架振动特性的影响

采用刚体有限元方法建立风力机塔架的三维结构动力学模型。研究湍流风况下风力机塔架弯曲、扭转及沿重力方向的固有振动特征,分析结构阻尼对塔架振动特性的影响。计算结果显示:塔架沿重力向和沿轴扭转的振动特征比弯曲振动复杂得多;结构阻尼能够很容易消除弯曲振动的高阶频率,但其对塔架扭转振动的耗散作用则不显著;塔架重力向振动的高阶频率在很大的结构阻尼下才能被消除。随着阻尼的增大,塔架一阶弯曲振动的主导作用减弱,振动特征被外界湍流风所控制。     

基于土-结构耦合作用的风力机塔架地震动力学响应分析

风力机塔架在地震激励下的动力学响应研究对保证风力机安全运行具有重要意义。基于有限元软件ANSYS和Wolf土-构耦合理论对Vestas1.65 MW风力机建立较高精度有限元模型,对是否考虑土-结构耦合(Soil-Structure Interaction,SSI)效应两种条件下进行瞬态动力学分析。选用摩根希尔(Morgan Hill)地震运动,土体选用软土物性参数。结果表明:考虑SSI效应会降低风力机塔架自振频率,塔架在地震激励下的塔顶位移响应、塔顶加速度响应、塔架Mises等效应力响应和塔架剪应力响应频率有较明显下降,塔顶加速度峰值减小6.7%,塔基承受剪应力增加73.5 MPa,增幅98.9%。因此,研究风力机结构抗震设计应考虑SSI效应。     

大型风力机地震动力学响应及稳定性控制研究

为保障极端复杂环境下风力机塔架的结构安全,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于开源软件FAST预留数据接口开发地震载荷计算模块,研究气动阻尼和地震对风力机结构响应的影响,并在机舱和基础平台安装调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对塔架的振动进行控制。结果表明:塔顶响应主要受地震载荷影响,气动载荷对其影响较小,且气动阻尼在一定程度上可以抑制塔架的动力响应,风-震耦合效应不可忽略;地震诱导塔架振动,安装TMD可有效减缓塔架振动和降低塔架弯矩,保证风力机的结构安全和运行稳定。TMD与结构质量比u=0.01,阻尼系数ξ=0.1时,减振控制效果最佳。     

考虑叶片旋转和离心力效应风力机塔架风振分析

为分析叶片旋转和离心力效应对风力机塔架风振反应的影响,建立考虑叶片离心力效应的风力机塔-轮整体有限元模型分析系统动力特性,采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论模拟考虑旋转效应的叶片和塔架脉动风速时程,结合笔者提出的风振精细化频域计算方法分析塔架与叶片在脉动风作用下的动力反应。研究表明:旋转效应会增大叶片的气动载荷和塔架的动力响应及风振系数,离心力效应增大了风力机系统频率并减小了塔架的风振反应及风振系数。     

水平轴风力机筒型塔架动态响应分析

为获得水平轴风力机塔架在时变载荷作用下的动态响应,将塔架简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,分析了塔架弯曲振动固有动力特性。在建立塔架结构动力学运动方程、计算塔架所受时变载荷的基础上,运用线性加速度法和模态叠加原理对风力机塔架的动态响应进行计算,编制了相应的计算机程序。以某1.0MW风力机塔架为例,获得了风力机在湍流风运行条件下塔架在仿真时间内的位移、速度和加速度,并与"GHBladed"软件的计算结果进行了比较,表明计算模型是可行的。     

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。     

1000 MW超超临界汽轮发电机基础弹簧隔振性能分析

通过STAAD Pro有限元模拟软件,对某电厂1000MW汽轮发电机进行模态分析、轴系振动分析,以及基础静力、动力及时程分析.计算表明,基座台板的自振频率相较常规基座有明显降低,实现了弹簧隔振基础通过改变自振频率来改善结构动力特性的目的;同时,基座台板静变位、质点处振动速度、位移等均满足《基础设计规范》(HT-GD65...     

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。     

水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。     

风电机组高柔塔二阶涡激振动特性研究

针对现有风电机组涡激振动研究侧重于无顶部质量刚塔的一阶涡激振动,忽视有顶部质量高柔塔的二阶涡激振动的不足,开展高柔塔二阶涡激振动特性研究.首先,基于GH Bladed软件建立高柔塔风电机组模型,并通过模态分析得到高柔塔二阶固有频率及模态振型;然后,基于涡激振动相关标准,计算二阶涡激振动作用时各高度处的惯性力;最后,以某...     

不同海况及伺服系统作用下10 MW单桩式风力机地震易损性研究

为探究不同海况及伺服系统下单桩式近海风力机的地震易损性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立风浪相关的地震-湍流风-波浪多物理场模型,研究其在变速变桨伺服系统下的动力特性,基于增量动力分析方法评估其地震易损性。结果表明：变速变桨伺服系统可有效缓解风力机高风速下无地震作用时的塔顶振动;当风轮在大推力下,较小的波浪载荷一定程度上可降低风力机塔顶振动及塔底弯矩;随地震动强度增加,风力机各临界损伤状态失效概率逐渐增加;风力机地震易损性主要由地震动强度决定,波浪载荷与湍流风载荷对风力机地震易损性影响较小。     

Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system

A typical 1.5 MW wind turbine suitable for Xuzhou City is designed and simulated in this paper. The wind turbine blade-hub-tower coupling system and most of the parameters are designed and calculated in the design process. In the kinetic analysis process, the force analysis under 4 different situations are taken to verify the structure design, which are under quiescent condition, under random angle and random wind turbine, under maximal wind speed and over maximal wind speed. At last, the modal analysis selected the turbine hub and tower to solve the inherent frequencies and vibration modes. The first 5 order inherent frequencies and vibration modes of the hub and tower are solved to verify the design rationality.     

湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应

以NREL 5 MW近海风力机为研究对象,基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风,同时采用Matlock模型计算动态冰力,模拟风力机所受冰激振动,研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明:冰激振动极大地加剧塔顶各向振动;频域上,冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率,且相应峰值与冰厚呈正相关关系;受冰激振动作用,塔架各向剪切力明显增加,且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

变风载下风力发电机齿轮传动系统动力学特性研究

根据风力发电机齿轮传动系统所处的由随机风速引起的复杂变工况环境,用自回归AR风速模型模拟实际风场的风速,获得了由随机风速引起的时变风载荷;采用集中质量参数法建立了传动系统的纯扭转动力学模型,求得了系统的固有频率和阵型;研究了传动系统在时变风载下的动态特性,求得了各齿轮的振动位移和各齿轮副的动态啮合力,为风力发电机传动系统的动态性能优化和可靠性设计奠定了基础。     

Seismic soil–structure interaction analysis of wind turbines in frequency domain

In this paper, the seismic behavior of wind turbines sitting on a finite flexible soil layer is investigated in three‐dimensional space. A numerical algorithm formulated in frequency domain is proposed in order to simulate the dynamic soil–structure interaction (SSI). The wind turbine is discretized using finite element method (FEM) while, the underlying soil is represented by complex dynamic stiffness functions based on cone models. A parametric study consisting of 24 ground motions and three soil profiles is carried out, and different response quantities of the wind tower model are calculated and presented in the paper. The free‐field ground motions are estimated based on an equivalent linear approach using SHAKE2000 computer software. Transfer functions for total acceleration of the wind tower are obtained under the considered soil profiles and the modal frequencies of the coupled wind turbine–soil foundation are estimated. It is shown that the response quantities such as displacement, rotation, acceleration, base shear and moment are significantly affected by SSI, although the effect of SSI on the fundamental frequencies of the wind tower is insignificant. The moment and shear force distribution along the height of the tower is highly influenced as the soil stiffness decreases. The change in seismic demand distribution along the tower height because of SSI is not addressed by simplified design approached and should be carefully considered in seismic design of wind towers. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.