Vibration attenuation performance of wind turbine tower using a prestressed tuned mass damper under seismic excitation

With the rapid development of large megawatt wind turbines,the operation environment of wind turbine towers(WTTs)has become increasingly complex.In particular,seismic excitation can create a resonance response and cause excessive vibration of the WTT.To investigate the vibration attenuation performance of the WTT under seismic excitations,a novel passive vibration control device,called a prestressed tuned mass damper(PS-TMD),is presented in this study.First,a mathematical model is established based on structural dynamics under seismic excitation.Then,the mathematical analytical expression of the dynamic coefficient is deduced,and the parameter design method is obtained by system tuning optimization.Next,based on a theoretical analysis and parameter design,the numerical results showed that the PS-TMD was able to effectively mitigate the resonance under the harmonic basal acceleration.Finally,the time-history analysis method is used to verify the effectiveness of the traditional pendulum tuned mass damper(PTMD)and the novel PS-TMD device,and the results indicate that the vibration attenuation performance of the PS-TMD is better than the PTMD.In addition,the PS-TMD avoids the nonlinear effect due to the large oscillation angle,and has the potential to dissipate hysteretic energy under seismic excitation.

基于Rayleigh法的风机塔筒预应力基本频率解析计算方法

风机大型化发展趋势使塔筒高度更高、柔性更大,塔筒直径及壁厚随高度变化更加多样,使传统简化基频解析计算方法计算精度大幅下降,较难满足塔筒设计前期基频估算要求。引入等效壁厚、平均等效当量惯性矩考虑塔筒直径和壁厚沿高度的多种变化情况,简化塔筒刚度计算;基于Rayleigh能量法基本原理,考虑风轮和机舱质量对塔筒预压应力、质量偏心以及塔筒不同变形形式对基频计算的影响,提出了相应的塔筒基频解析计算方法。塔筒数值算例和实验室缩尺试验表明:顶部机舱、叶轮质量偏心对塔筒基频影响较大,解析计算时应考虑其影响;均布荷载变形下的塔筒基频解析值更接近真实值;所提解析法与精细化有限元模型计算值的偏差小于4%,与缩尺模型实测值的偏差小于5%。

钢制风力机塔架非线性预应力调谐质量阻尼器振动控制性能研究

悬吊式调谐质量阻尼器原理明确、安装简便,已在高层建筑、高耸输电塔等众多结构中得到了广泛应用,近年来在钢制风力机塔筒方面也逐步得到广泛关注。预应力调谐质量阻尼器(prestressed tuned mass damper,PS-TMD)通过附加下拉索并施加预拉力,可采用摆长和预拉力两个参数进行振动控制调谐,在高柔钢制风力机塔架振动控制中能充分发挥作用。但PS-TMD中拉索变形会引起非线性响应,进而影响控制性能。鉴于此,基于动力学原理建立考虑柔索效应的PS-TMD非线性运动方程,推导了拉索发生变形情况下PS-TMD动力系数及分支共振点频率比;通过优化分析给出了PS-TMD最佳调谐参数的选择方法;某3.2 MW风力机塔筒数值算例结果表明,考虑柔索效应后PS-TMD的动力系数幅值小于同参数下线性PS-TMD,共振响应下减振性能和能量耗散能力更为突出。5组风载荷下振动控制结果表明,考虑柔索效应后PS-TMD对塔架结构的风致响应振动控制效果优于相应线性PS-TMD系统。

风力机塔架结构振动控制研究及方法综述

随着风电机组向大兆瓦方向发展,风力机塔架的高柔特性愈发显著,在风、波浪及地震等运动荷载下塔架的振动日益明显,易造成机舱内齿轮、传动轴和发电机等零部件啮合失效,以及塔架底部的连接螺栓松动、剪断,严重时可能导致整个风力机组发生损毁等恶性灾害事故。因此,风力发电机塔架结构的振动控制问题已成为前风电产业亟待解决的关键问题之一。文章在简述风力发电机塔架结构形式及振动特性的基础上,回顾国内外塔架减振控制的研究现状,梳理相关振动控制方法及减振装置所取得的研究成果,展望塔架振动控制未来研究趋势。

地震作用下风力机塔架预应力调谐质量阻尼器振动控制性能研究

随着大兆瓦风力机的快速发展及推广普及,风电机组服役运行环境日益复杂。特别突出的是地震激励容易诱发风力机塔架的过度振动,其不仅会损耗发电效率,而且将缩短塔架的疲劳寿命。为了有效缓解地震激励下风力机塔架结构的不利振动,文章针对新型被动控制装置预应力调谐质量阻尼器(PS-TMD)来研究其在地震作用下的减振控制性能。首先,基于结构动力学理论建立了动力学模型,推导了体系动力系数的数学解析表达式。然后,通过系统优化理论获取了地震激励下的装置的参数设计方法。基于理论分析和参数设计,通过3.4MW风力机的数值算例结果表明,PS-TMD能有效地缓解谐振基底加速度下塔架的共振响应。最后,利用ANSYS动力时程分析法验证了PS-TMD振动控制装置的有效性及合理性,结果表明该装置可以显著降低风力机塔架因基频共振致使的动力响应。此外,PS-TMD不会产生因摆角致使的非线性效应,且其在地震激励下具有预期的滞回耗能及变形能力。