為研究強臺風下考慮偏航效應的大型風力機氣動力及動態(tài)響應特征,以美國可再生能源實驗室5 MW風力發(fā)電機組為研究對象,基于多體動力學及混合多體系統(tǒng)建模方法,建立了整機剛-柔混合多體動力學模型,并對該模型進行了動力特性分析與模型有效性驗證。同時,基于譜分解法模擬了臺風眼壁區(qū)域強干擾階段的三維隨機風場,并基于葉素-動量理論對7種偏航工況下風力機體系氣動力進行數值模擬,分析了偏航對強臺風下整機氣動荷載的影響。最后,基于多體動力學模型對考慮不同偏航的大型風力機體系進行了動力時程分析,提煉了偏航對于結構風致響應的影響規(guī)律。結果表明,本文建立的多體動力學模型使用較少的自由度能有效描述了5 MW大型風力機的動力特性;當大型風力機處于30°和120°停機偏航角時,結構的臺風致風荷載和風振響應顯著增大,屬于典型的不利工況,應在風電場實際控制時予以避免。主要研究結論可為強臺風極端風況下大型風力機抗風設計提供科學依據。 

【文章來源】：振動與沖擊. 2020,39(15)北大核心EICSCD

【文章頁數】：9 頁

【部分圖文】：

風力機葉片的ADAMS模型

葉片和塔架按照柔性構件來處理,采用1.1.3節(jié)介紹的方法建立起葉片和塔架的多體模型,將風力機的輪轂和機艙等變形較小的構件按照剛體處理;由于仿真模擬中輪轂與主軸之間沒有相對運動,所以將它們合并為一個剛體以從減少系統(tǒng)自由度和約束方程簡化計算步驟,同時為了模擬輪轂與主軸相對機艙的轉動,用旋轉鉸連接主軸與機艙。如圖3所示。圖中,三個葉片固定在輪轂上,采用固定鉸接,qg為輪轂轉動自由度,fy為葉根對輪轂的作用力。機艙與塔架通過萬向節(jié)鉸連接,分別模擬機艙相對塔架的偏航、翹起運動,塔架底部與基礎通過固定鉸剛性連接。風力機基礎和外界交界處設置水平、垂直和扭轉方向的彈簧[17]。萬向節(jié)鉸、旋轉鉸如圖4、圖5所示。至此風力發(fā)電結構整機系統(tǒng)離散為一個共有54個剛體,88個自由度的系統(tǒng),如圖6所示。圖4 萬向節(jié)鉸示意圖

風速模擬過程中來流平面劃分為256個節(jié)點,每間隔12 m設置一個網格點,網格和風力機相對位置,如圖9所示。由圖可知,常用脈動風速譜與實測臺風風譜之間差異較大。強臺風作用下輪轂位置脈動風速時程如圖10所示,其中u(t)為順風向風速,v(t)為橫風向風速,w(t)為縱向風速。臺風五階段縱向風譜模擬值與目標值對比如圖11所示,并于圖中給出了Davenport譜和Simiu譜[20]等常用風譜進行對比。由圖可知,臺風風譜在高頻區(qū)域的能量明顯大于常用工程風譜,對比目標風譜和模擬風譜結果可以發(fā)現,在該頻段范圍內(0.01～2 Hz)模擬譜和目標譜吻合較好。

【參考文獻】：
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本文編號：3353683