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。

基于FAST的风电机组塔架耦合振动研究

为研究大型风电机组的振动机理,基于贝兹理论选取用于低风速区2 MW风电机组的叶片,基于PID控制系统标定相关参数。采用FAST软件建立塔架、叶片、轮毂和机舱一体化模型,对该2 MW风电机组正常运行工况和紧急停机工况下的动力响应进行分析。分析结果表明,该风电机组一阶频率较低,塔架前后方向为主要振动方向;正常运行工况下,风电机组塔架前后方向加速度响应受3P、6P影响较大(1P为风轮额定转动频率),二阶振型影响明显;紧急停机工况会加剧塔架的振动,塔架前后方向加速度响应主要受塔架一阶振型影响,塔架二阶振型对塔架侧向加速度响应影响明显;该结果为后续振动控制研究奠定基础。

大型风电机组组合式塔架结构优化设计

为解决传统单管风力发电塔架在大型风电机组应用中加工、制作、安装和运输成本大幅上升的问题,提出一种新型组合式塔架结构,并对其进行结构优化设计.该塔架上部为传统单管式塔架,下部为四角钢十字形组合截面塔柱的格构式塔架.通过对四角钢十字形组合截面的轴压极限承载力进行分析,得到组合截面的稳定系数曲线.基于粒子群算法,综合考虑应力、频率和长细比约束等因素,对下部格构式塔架的形状和杆件截面进行优化.分析结果表明,组合式塔架结构可以解决传统单管式风力发电塔架的运输问题,且用钢量节省约34%.

近断层地震滑冲效应下风力发电塔动力响应和振动控制试验研究

为研究近断层地震滑冲效应脉冲对大功率风力发电塔架结构的影响及应对措施,以丹麦某3MW风力发电塔为原型制作缩尺模型并设计相应滚球减振器进行模拟地震振动台试验研究,考察其非线性动力响应及振动控制装置的有效性.选取具有滑冲效应脉冲的1999年Chi-Chi地震TCU052台站记录及其过滤修正记录作为输入,对比分析不同输入下无控制装置时模型的响应并建立试验模型的有限元模型对比数值计算结果和试验结果;考察设置滚球减振器后模型在有滑冲效应脉冲记录下的响应,对比分析了在总重相等时单个滚球和多个滚球布置方案下减振器的减振效果.研究表明:近断层地震滑冲效应脉冲使得结构响应明显增大,建造在地震带上的大功率风电机组设计时宜考虑其不利影响;设置滚球减振器可有效减小塔架结构响应均方差30%～40%,且多个滚球布置方案优于单个滚球.

滚球阻尼器在风力发电塔架中的振动控制

基于调谐质量阻尼器(TMD)原理,设计了适用于风力发电结构的滚球阻尼器,通过振动台模型试验,研究了该阻尼器的减振效果.试验表明,这种新型的滚球阻尼器的质量仅为一阶模态质量的1.5%～2.5%,可有效提高结构阻尼,在不同的工况下均具有较好的控制效果,可使试验模型的底部弯矩和塔顶位移的标准差减小20%～46%.这种阻尼器施工工艺相对简单,因此具有良好的经济性和实用价值,值得在实际工程中推广.

本征正交分解法在风电机组风场模拟中的应用

为确定风电机组气动和结构分析所需的紊流风速,采用谐波叠加法和本征正交分解法相结合的方式,运用B样条曲面插值策略准确、高效进行风电机组的风场模拟研究。风场模拟时综合考虑叶片旋转采样、"叶片-塔筒"风场相干性及平均风剖面的影响。以某1.5 MW水平轴风力机为例模拟其顺风向风速时程,其中不动点的脉动风速模拟功率谱与目标谱吻合良好,验证了模拟方法的正确性;而叶片上点由于旋转采样导致脉动风速模拟功率谱与源谱相比能量分布发生改变,在叶片旋转频率的倍数处出现尖峰。

基于向量式有限元法的风力发电机组一体化仿真分析

大型风电机组为强非线性刚柔耦合的周期时变多体系统,传统有限元方法不能解决叶片转动过程中由于刚体位移而导致的刚度矩阵奇异问题,向量式有限元法可有效考虑叶片的几何非线性和大变形运动、塔架的弹性变形、气动载荷等因素.基于MATLAB平台编制空间梁系结构求解程序,选取悬臂梁受端部集中动荷载和欧拉梁绕定轴转动两个典型算例验证程序的正确性.建立包含机舱、轮毂、叶片和塔架在内的风电机组一体化仿真分析模型,根据机组静止状态下自由振动响应,用模态参数识别方法提取了机组的自振频率,计算结果与传统有限元法吻合.采用谐波叠加法和本征正交分解法相结合的方式,运用B样条曲面插值策略,模拟生成风电机组在正常运行状态下的风速时程.采用向量式有限元法对正常运行状态下的风电机组进行风振响应分析,较好地反映了重力对叶片内力周期性变化的影响以及叶片与塔架的共同作用.

钢筋混凝土吸热塔顺风向风振响应特征与影响因素分析

为获得吸热塔塔架顺风向的风振响应特征,研究吸热塔风振系数的影响因素,以某钢筋混凝土吸热塔为例,采用有限元软件ABAQUS建立优化前后的吸热塔结构模型,通过时程分析方法对结构进行动力响应分析,计算结构的风振系数并与规范取值进行对比。结合吸热塔的结构特点,研究顶部集中质量、塔架体型和阻尼比取值对风振系数的影响。分析结果表明,由于未考虑吸热塔顶部附加集热器质量及高阶振型的影响,现行规范取值与数值模拟值存在一定差距,且吸热塔的体型和阻尼比等自身结构特性也会对其风振响应和风振系数计算结果产生影响。

体外预应力混凝土风力发电塔地震易损性分析

以体外预应力混凝土风力发电塔为研究对象,采用纤维梁柱单元,建立了非线性有限元分析模型.基于pushover分析结果定义了4个损伤状态限值.选取20条真实的地震动记录进行增量动力分析,分别以水平位移角和地面加速度峰值作为结构地震需求参数和地震动强度参数,基于对数正态分布假设回归分析建立了概率地震需求模型.形成了体外预应力混凝土风力发电塔的易损性曲线,并对发电塔地震易损性进行评估.结果表明:体外预应力混凝土风力发电塔可满足7度设防区抗震设防要求,而在8度罕遇地震下有一定概率发生严重或完全损伤.

预制体外预应力混凝土风电塔施工过程监测

分阶变径预制体外预应力混凝土风电塔在钢绞线张拉前,各筒段之间依靠自身重力和摩擦力保持整体性。钢绞线张拉顺序对施工过程中结构受力状态的影响尚缺乏研究。本文采用分层壳单元建立混凝土塔筒的分析模型,模拟了塔筒在钢绞线张拉前及钢绞线张拉过程中的受力状态,并根据分析结果制定了施工方案。同时,采用振弦式应变计对钢绞线张拉过程中关键位置的应变进行跟踪监测。结果显示基于分层壳单元的建模技术所得分析结果和实测结果吻合较好,可以用于预制塔筒的施工过程分析;而且所制定的施工方案合理,结构在钢绞线的张拉过程中保持稳定,可为类似结构提供参考。

格构式风机塔架设计中的特殊问题

格构式风机塔架是一种适用于低风速区域的高塔架方案,塔身结构体系由型钢塔架、过渡段及顶部圆管组成。介绍了格构式塔架的结构选型、动力特性等效、荷载计算、关键连接节点、防腐及维护等设计中需要考虑的特殊问题,确保了该新型塔架设计的合理性。

单管通信塔法兰螺栓预拉力对疲劳损伤的影响

受塔筒内部操作空间限制,单管通信塔法兰螺栓预拉力很难施加到高强螺栓预拉力设计值P。为确定一个合理的预拉力,以防止因法兰螺栓疲劳破坏而引起的结构失效,基于时域法建立了单管通信塔法兰螺栓疲劳损伤的分析流程。首先采用谐波叠加法模拟了风荷载时程,然后基于有限元法分析了不同螺栓预拉力对法兰受力性能的影响,并将该影响反映到时程分析中。最后基于获得的螺栓应力时程,采用雨流法和损伤累积理论计算了螺栓的疲劳损伤。典型算例表明,当螺栓预拉力较小时,螺栓的疲劳损伤对预拉力变化极其敏感,而当螺栓预拉力达到0.2P后,损伤值可降低到0.001量级且对预拉力的敏感性大为降低。考虑到拧紧后的预拉力损失,可将0.25P作为螺栓的最小安装预拉力,该数值也可为其他类似结构提供参考。