动态风向变化下风力机叶片和塔架应力及功率特性分析

风向变化显著影响风力机气动载荷分布,从而影响风力机稳定高效的运行,而气动载荷是风力机结构应力和功率变化主要影响因素之一。该文以S翼型三叶片水平轴风力机为研究对象,在旋转平台上进行风洞实验,对不同风向变化速度(0.5°、1°、1.5°、2°/s)下风力机叶片和塔架的应力以及风力机功率特性进行分析。结果表明:风向变化速度为0.5°/s时,在风向由0°变化到30°时,叶片弦向和展向应力值和风力机功率下降幅度最大;在风向由0°变化到20°时,叶片应力值和功率下降较为缓慢,风向变化结束后,风力机应力与功率会进一步减小;风向变化角度在0°~20°范围内,受叶片转速和气动载荷下降速度与风向变化耦合作用的影响,塔架应力值出现较大波动,并随风向变化速度的增加,波动出现的区间从15°~20°提前到0°~5°;风向变化结束后,叶片转速持续下降,造成塔架应力仍有不同程度的波动。结果可为考虑风向变化下运行的风力机结构设计提供一定理论依据。

格构式钢管输电塔架的体型系数和雷诺数效应

采用天平测力风洞试验获得亚临界范围钢管塔架的体型系数,研究塔架体型系数随密实度的变化特征,基于规范数据拟合体型系数从亚临界到超临界条件下的雷诺数折算系数,基于试验结果开展塔架体型系数与规范值的对比.试验结果表明,相同密实度下横担的体型系数大于塔身,其原因为横担杆件长细比以及杆件前后的等效间距比均较大;在亚临界条件下塔身体型系数试验值与JEC-TR-00007—2015、DL/T 5551—2018和GB 50009—2012规范值接近,而横担体型系数大于各国规范值;亚临界和超临界条件下各国规范的钢管塔架体型系数随着密实度ϕ的增加而降低,使用最小二乘法拟合获得雷诺数折算系数为0.63+0.72ϕ;在超临界条件下,塔身的体型系数与DL/T 5551—2018、GB 50009—2012规范结果接近,横担的体型系数与IEC 60826—2017和ASCE MOP 74—2020规范结果接近.

基于调谐质量阻尼器的风力机柔性塔架振动控制研究

针对高柔塔架风致振动过大的问题,以某型2 MW风力机为参考对象,对其轻量优化,研究摆式调谐质量阻尼器(TMD)对轻量化塔架减振控制的效果.建立优化塔架的三维模型,通过有限元计算其固有频率,并根据其一阶共振频率确定TMD的摆长;提出风力机与TMD系统耦合的简化动力学模型,对其减振性能进行评估,分析出TMD的最优频率比和阻尼比,运用龙格-库塔(Runge-Kutta)算法验证了TMD在不同质量比下对塔架各项振动参数的影响.结果表明,在TMD与塔架一阶共振一致时,通过调节阻尼系数、质量比等参数,可使得优化塔架的振幅降低70%,有效地抑制塔架振动,提高了风机整体的鲁棒性.

风力发电机塔架起吊力学特性研究

针对风力发电机塔架拆卸过程稳定性问题,采用有限元数值分析法,考虑吊钩位置和吊耳数量,分析塔架起吊时静力特性,以此寻找塔架拆卸的合理配置方案.首先,以2 MW风力发电机组塔架为研究对象,详细论述塔架拆卸方案流程;然后,构建质量最大的第1段塔架有限元模型,应用有限元数值分析法对比分析不同吊钩位置和吊耳数量下结构抵抗变形的能力和应力响应特性.结果表明,相比2个吊耳使用3和4个吊耳起吊均可全程大幅降低塔架变形响应,且最大降低幅度分别为81%和87.3%.此外,在吊钩距塔顶轴心距离与第1段塔架高度比大于0.6时,相比4个吊耳使用3个吊耳起吊在降低第1段塔架总变形的方面具有更大贡献.同时,相比2和4个吊耳使用3个吊耳起吊时第1段塔架等效应力全程最小,且等效应力变化幅值最小.由此说明,使用3个吊耳起吊时第1段塔架最稳定,研究结果可为相关标准或技术规范要求提供坚实的科学依据.

回填混凝土对高耸引水塔架动力特性的影响

东庄水利枢纽工程导流洞进水口塔架体型巨大,最大塔高61.5 m,塔体宽度26.5 m,顺水流方向长度26 m,最大设计过流流量5300 m3/s,塔架所处的岸坡陡峻,因此十分有必要研究该塔架的动力特性。采用反应谱法研究该塔架在地震作用下的动力特性,系统研究了塔后回填混凝土的高度对进水塔的自振频率、变形和应力的影响。计算结果表明:塔体后混凝土回填比在0.80左右时,既能满足塔架结构安全性要求,也可以满足经济性要求。

大跨连续钢桁拱桥吊索塔架系统设计与施工

吊索塔架是大跨连续钢桁拱桥施工的关键临时结构。以江汉七桥钢桁拱桥施工为例,建立有限元模型,计算分析悬臂架设不同工况应力、挠曲及倾覆稳定性。采取工厂制造及现场预拼等施工措施,解决钢桁拱悬臂架设倾覆稳定和合龙问题。结果表明,通过合理设置塔高及吊索前后锚点,采取边跨压重、边支点锚拉等措施,使吊索塔架与拱梁协同受力,实现了大跨度钢桁拱悬臂架设结构内力均衡、抗倾覆性能好、线形控制好以及高精度合龙的目标,保证了钢桁拱施工安全。

输电线路塔架结构连接节点加固研究

为解决输电线路塔架上部结构与基础连接节点加固的关键问题,采用ABAQUS建立该节点有限元实体单元模型,并考虑自然灾害下不同受力工况,并与原规范和现行规范的计算结果进行对比。研究结果表明,考虑上部结构加固后,该节点最薄弱处为靴板与主材连接螺栓剪切破坏,整体承载力裕度需加强。由此提出在不停电施工前提下,与上部结构主材加固型式匹配的节点加固方案,并通过实际试验进行了验证。节点加固研究成果有利于提高输电线路使用价值,也为同类装配式建筑节点加固研究提供了新思路。

基于中空式风机基础混合塔架预应力钢绞线施工应用研究

近年来,随着新型能源取代传统能源,我国也在不断加大新领域开发利用,风电便是我国大力发展清洁能源之一,然而随着开发的不断深入,混凝土塔筒能够较好的提高风机发电效率。我国装配式建筑的实践,装配式混凝土塔筒也逐步在风电项目中得到使用,经济效益与社会效益显著,然而由于混凝土抗拉强度低的特点,致使预应力钢绞线的使用,把装配式混凝土的抗拉性能转换成抗压性能,充分应用了混凝土抗压强度较大的优点,从而加大装配式混凝土塔筒的性能,钢绞线的施工则成为装配式混凝土塔筒施工的关键环节,本文结合黑龙江大庆某风电场工程项目,对预应力钢绞线施工工艺进行了研究,可为采用类似风机机组混合塔架预应力钢绞线施的工程项目提供参考。

基于振动速度反馈的风电机组塔架左右加阻控制器研究及应用

为抑制风电机组塔架左右(侧向)振动,提出在控制器的设计中,利用振动速度反馈来增加塔架左右方向结构阻尼的方法。首先对塔顶机舱左右振动加速度信号积分,得到振动速度信号,然后使用二阶带通滤波器得到塔架频率主成分,最后乘以增益系数并附加到发电机转矩中。以上海电气3.45MW高速永磁同步风力发电机组为研究对象,基于Bladed软件建模和Matlab平台对该控制策略进行调参和仿真验证,并首次应用于现场控制系统中。结果表明,所提出的速度反馈能够有效降低塔架左右振动加速度,在一定程度上降低了机组故障率,延长了风机寿命。该研究为风电机组主动减振方法设计及应用提供了实际参考。

双立面火炬塔架分段吊装技术

火炬塔架系统是石油炼化装置安全环保运行的核心设施,火炬塔架的吊装则是该系统的重中之重,介绍了采用1250t履带吊车分段吊装火炬塔架的关键技术,包括塔架分段、吊车选型、吊耳设计、吊装平面布置等方面。

基于中空式风机基础的钢混塔架施工工艺研究

近年来,随着国内陆上风电的持续开发,优质可用的风资源在慢慢减少。在此背景下,要想获得高性价比的发电收益必须提高发电系统轮毂高度。当前,陆上风电项目在采用超过120m高的机组塔架时,钢混塔架以耐久性强、稳定性高、能有效提高风电场发电量、维护成本低等显著优势,成为各发电企业的首要选择。本文结合黑龙江大庆某风电场工程项目,对钢混塔架施工工艺进行了研究,可为采用类似风机机组塔架形式的工程项目提供参考。

基于XGBoost和Wasserstein距离的风电机组塔架振动监测研究

针对风电机组塔架振动监测问题,考虑到风能脉动与机组控制动作等激励对塔架振动的影响,提出一种基于数据驱动的塔架振动监测方法。首先基于K-均值算法对风电机组工况进行辨识,分析各状态参量、机组工况对塔架振动的影响;其次基于极限梯度提升(XGBoost)算法对不同工况下的塔架振动趋势进行建模预测,针对同一风电场不同塔架振动预测残差的差异,提出一种基于Wasserstein距离的塔架振动监测方法;最后使用风电场实际数据验证,以误差平方和为评价指标,考虑机组工况条件的XGBoost预测精度提高了34.6%。基于数据驱动的方法能有效识别风电场中异常振动较频繁的塔架,提升了运维效率。

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。

低雷诺数下圆杆正方形塔架的阻力系数研究

通过节段模型风洞试验,研究雷诺数Re=307~906时圆杆正方形塔架的阻力系数,分析密实比、湍流度及风速等因素的影响.在试验研究的基础上,对比3种雷诺平均模型在圆杆正方形塔架气动力CFD数值模拟中的适用性,分析Re=300~2.5×10^(4)时阻力系数变化规律及影响因素.试验结果表明:圆杆正方形塔架的平均阻力系数在45°风向角时最大,0°和90°最小,并随密实比和风速的增大而减小,随湍流度的增大而增大;脉动阻力系数受密实比和风向角的影响不大,但随风速和湍流度的增大而增大.CFD数值结果显示:SST k-ω湍流模型在Re≤2.5×10^(4)时更适用于计算圆杆正方形塔架的平均阻力系数;随雷诺数的增大,塔架平均阻力系数在Re=300~585时急剧减小,Re=585~1090时减小趋势少许放缓,Re=1090~2.5×10^(4)时基本保持不变;完全处于上游杆件尾流区的下游杆件阻力系数相比于上游杆件减小50%左右.

钢–混凝土风电塔架仿真优化设计及损伤预测研究

针对单一的钢材料和混凝土材料已经不满足风机塔架发展的需求的问题,为提高塔架的强度性能、稳定性和耐用性,对塔架进行损伤预测研究,提出了一种基于嵌入式的设计。首先,使用SOLIDWORKS对120米高的塔架进行建模;其次,利用ANSYS Workbench对塔架所受力进行了应力分析,可得出塔架中部及衔接处受力及形变最大,因此也是损伤最大的部位;最后,提出了一种基于嵌入式的设计对塔架进行组装,在满足风机塔架的强度性能要求的同时,提高了经济效益。

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。

基于多目标遗传算法的海上铰接式风力机塔架结构参数优化

针对海上铰接式基础风力机的塔架结构,通过分析其复杂环境下的力学性能及结构间耦合作用关系,构建塔架多目标优化数学模型,采用一种基于空间参考点的非支配排序多目标遗传算法对塔架结构参数进行优化设计研究,基于所得到的Pareto解建立模糊评价指标并开展优化参数的敏感性分析,得到满足不同优化指标下的最优解方案。计算结果表明:额定风速海况下,塔架结构最大等效应力、塔顶位移及屈曲安全系数均满足安全作业许可,同时相比于NREL 5 MW原型塔架结构,塔架质量减轻了13.41%,有效减小了建造成本;等效应力也大幅减小13.79%,塔顶位移增加了3.36%,但仍远小于安全偏移量,满足设计需求;塔架屈曲安全系数为0.05远小于1,满足屈曲稳定性要求;同时塔架弯曲振动的固有频率不在叶片风轮旋转的1P和3P范围内,避免与结构发生共振,基于多目标优化所设计的塔架结构无论是结构性能还是制作成本都得到显著改善。

组合载荷下海上风机塔架受力特性数值分析

研究组合载荷下海上风机塔架的受力特性。基于江苏启东海域6 MW海上风机资料,采用GH Bladed软件开展组合载荷下海上风机塔架的受力特性数值模拟,得到以下主要结论:与风载荷作用相比,在风载荷+波浪载荷组合作用下,风机塔架基础底面所受峰值剪力提升72.0%,峰值弯矩提升8.3%;波浪载荷对基础所受剪力和弯矩的影响显著,在相对波高为4时,基础底面所受相对剪力和相对弯矩分别为3.04和1.44;与风载荷作用相比,在风载荷+地震载荷组合作用下,风机塔架基础底面所受峰值剪力提升76%,峰值弯矩提升21%。研究成果可为启东海域海上风机设计及施工提供理论支撑。

格构式塔架结构多源异构监测数据融合及动态位移重构研究

结构动态位移响应在结构健康监测和振动控制领域具有重要意义,但格构式塔架动态位移的准确测量仍是一项具有挑战的任务。提出了一种综合利用高采样率加速度和低采样率应变的数据融合方法,实现了格构式塔架动态位移的准确重构。提出适用于格构式塔架的应变⁃位移映射方法,可以由若干个测点应变计算出任意点的动态位移;使用多速率卡尔曼滤波算法将应变导出位移与加速度相融合,以进一步提高位移采样率和精度。采用某输电塔结构作为数值算例,结果表明:在采样比为100和噪声信噪比为5 dB的情况下重构位移误差分别仅有2.3%和2.11%,证明了所提方法具有高精度。最后开展了某54.5 m高输电塔的真型试验,实测结果进一步验证了所提方法的准确性和可靠性。

文昌发射场通信卫星塔架电缆设计方案及测试验证

海南文昌发射场的高温、高湿、盐雾等环境问题给通信卫星塔架电缆设计提出挑战。为此,文章在借鉴西昌发射场塔架电缆设计的基础上,提出塔架电缆由A1段、A2段和B段3个电缆分支组成;继而针对文昌发射场环境特点详述了塔架电缆在设计、铺设和使用方面关键点;最后对塔架电缆进行了测试验证,给出了测试内容和注意事项。所设计的塔架电缆已在3颗通信卫星正样星上得到验证,测试流程已基本固化,并形成了相应的操作性文件。