為研究強(qiáng)臺風(fēng)下考慮偏航效應(yīng)的大型風(fēng)力機(jī)氣動力及動態(tài)響應(yīng)特征,以美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對象,基于多體動力學(xué)及混合多體系統(tǒng)建模方法,建立了整機(jī)剛-柔混合多體動力學(xué)模型,并對該模型進(jìn)行了動力特性分析與模型有效性驗(yàn)證。同時,基于譜分解法模擬了臺風(fēng)眼壁區(qū)域強(qiáng)干擾階段的三維隨機(jī)風(fēng)場,并基于葉素-動量理論對7種偏航工況下風(fēng)力機(jī)體系氣動力進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了偏航對強(qiáng)臺風(fēng)下整機(jī)氣動荷載的影響。最后,基于多體動力學(xué)模型對考慮不同偏航的大型風(fēng)力機(jī)體系進(jìn)行了動力時程分析,提煉了偏航對于結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,本文建立的多體動力學(xué)模型使用較少的自由度能有效描述了5 MW大型風(fēng)力機(jī)的動力特性;當(dāng)大型風(fēng)力機(jī)處于30°和120°停機(jī)偏航角時,結(jié)構(gòu)的臺風(fēng)致風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)顯著增大,屬于典型的不利工況,應(yīng)在風(fēng)電場實(shí)際控制時予以避免。主要研究結(jié)論可為強(qiáng)臺風(fēng)極端風(fēng)況下大型風(fēng)力機(jī)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。 

【文章來源】：振動與沖擊. 2020,39(15)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

風(fēng)力機(jī)葉片的ADAMS模型

葉片和塔架按照柔性構(gòu)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(fēng)力機(jī)的輪轂和機(jī)艙等變形較小的構(gòu)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(yùn)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(jì)算步驟,同時為了模擬輪轂與主軸相對機(jī)艙的轉(zhuǎn)動,用旋轉(zhuǎn)鉸連接主軸與機(jī)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(zhuǎn)動自由度,fy為葉根對輪轂的作用力。機(jī)艙與塔架通過萬向節(jié)鉸連接,分別模擬機(jī)艙相對塔架的偏航、翹起運(yùn)動,塔架底部與基礎(chǔ)通過固定鉸剛性連接。風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)和外界交界處設(shè)置水平、垂直和扭轉(zhuǎn)方向的彈簧[17]。萬向節(jié)鉸、旋轉(zhuǎn)鉸如圖4、圖5所示。至此風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)整機(jī)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(fēng)速模擬過程中來流平面劃分為256個節(jié)點(diǎn),每間隔12 m設(shè)置一個網(wǎng)格點(diǎn),網(wǎng)格和風(fēng)力機(jī)相對位置,如圖9所示。由圖可知,常用脈動風(fēng)速譜與實(shí)測臺風(fēng)風(fēng)譜之間差異較大。強(qiáng)臺風(fēng)作用下輪轂位置脈動風(fēng)速時程如圖10所示,其中u(t)為順風(fēng)向風(fēng)速,v(t)為橫風(fēng)向風(fēng)速,w(t)為縱向風(fēng)速。臺風(fēng)五階段縱向風(fēng)譜模擬值與目標(biāo)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(fēng)譜進(jìn)行對比。由圖可知,臺風(fēng)風(fēng)譜在高頻區(qū)域的能量明顯大于常用工程風(fēng)譜,對比目標(biāo)風(fēng)譜和模擬風(fēng)譜結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在該頻段范圍內(nèi)(0.01～2 Hz)模擬譜和目標(biāo)譜吻合較好。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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