以NREL 5 MW近海風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,基于Kaimal平穩(wěn)隨機(jī)風(fēng)速譜模型建立風(fēng)力機(jī)全域湍流風(fēng),同時(shí)采用Matlock模型計(jì)算動(dòng)態(tài)冰力,模擬風(fēng)力機(jī)所受冰激振動(dòng),研究在風(fēng)-冰聯(lián)合環(huán)境載荷作用下近海風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明:冰激振動(dòng)極大地加劇塔頂各向振動(dòng);頻域上,冰激振動(dòng)影響主要集中于塔架1階固有頻率和葉片1階擺振頻率,且相應(yīng)峰值與冰厚呈正相關(guān)關(guān)系;受冰激振動(dòng)作用,塔架各向剪切力明顯增加,且塔頂和塔基附近增幅大于塔身中部。 

【文章來源】：熱能動(dòng)力工程. 2019,34(09)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

Kaimal風(fēng)速功率譜密度(額定風(fēng)速)Fig．1PowerspectraldensityofthewindspeedofKaimal

m/s。破碎長(zhǎng)度為:Δl=c·h(8)式中:c—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。基于Korzhavin公式和浮冰破碎周期理論，采用Matlock模型計(jì)算作用于風(fēng)力機(jī)塔架上動(dòng)冰力，模擬冰激振動(dòng)。如圖2所示，Matlock模型將冰－構(gòu)作用過程抽象為線性彈性冰齒對(duì)彈簧阻尼振子不斷碰撞。系列冰齒即代表浮冰，彈簧阻尼振子為柔性海工結(jié)構(gòu)。當(dāng)冰齒與振子接觸，彈性作用力不斷增加達(dá)到Korzhavin極限冰力后，冰齒發(fā)生斷裂并假設(shè)不再對(duì)之后作用產(chǎn)生任何影響。冰齒移動(dòng)速度即為冰速，冰齒間距由浮冰破碎長(zhǎng)度決定。圖2Matlock模型Fig．2Matlockmodel發(fā)生接觸冰齒變形量:s=z(t)－x(t)－P(N－1)(9)式中:s—冰齒變形量，m;x(t)—彈簧振子位置，m;P—相鄰冰齒間距，m;N—冰齒序號(hào)。冰齒位移為:z(t)=νicet+z0(10)式中:z(t)—冰齒位移，m;z0—冰齒初始位置，m。冰力為:Fice=kices，0＜s＜smax0，s≤0，s=s{max(11)式中:Fice—極限冰力，N;kice—冰齒剛度，N/m;smax—冰齒極限形變，m。冰齒斷裂條件為當(dāng)冰力達(dá)到Korzhavin極限冰力Fmaxice，即:Fmaxice=kicesmax(12)·521·

表1NＲEL5MW近海風(fēng)力機(jī)參數(shù)Tab．1ParametersofNＲEL5MWoffshorewindturbine參數(shù)數(shù)值功率/MW5．0葉片數(shù)3風(fēng)輪直徑/m126．0輪轂直徑/m3．0輪轂高度/m90切入風(fēng)速/m·s－13．0切出風(fēng)速/m·s－125額定風(fēng)速/m·s－111．4風(fēng)輪質(zhì)量/kg1．1×104機(jī)艙質(zhì)量/kg2．4×105樁柱數(shù)目1．0考慮塔架前2階模態(tài)，葉片前2階揮舞和1階擺振模態(tài)，其他高階模態(tài)頻率高于多數(shù)環(huán)境載荷激勵(lì)頻率，對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較小，故可忽略不計(jì)［36］。葉片和塔架模態(tài)如圖3所示。2．2動(dòng)力學(xué)計(jì)算以凱恩方法建立風(fēng)力機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型。凱恩方法基于達(dá)朗貝爾原理，鑒于廣義坐標(biāo)對(duì)非完整系的不獨(dú)立性，以廣義速率代替廣義坐標(biāo)作為獨(dú)立變量描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。凱恩動(dòng)力學(xué)方程為:Fr+F*r=0，r=1，2，…N(13)式中:Fr—廣義主動(dòng)力，N;F*r—廣義慣性力，N。則風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的廣義主動(dòng)力施加于質(zhì)心:Fr=∑si=1EvNi·FNi+EωNi·MNi，r=1，2，…，N(14)式中:s—部件數(shù)目;FNi—第Ni剛體上的主動(dòng)力，N;MNi—第Ni剛體上的主動(dòng)力矩，N·m;EvNi—第Ni剛體上的速度，m/s;EωNi—第Ni剛體上的角速度，rad/s。圖3葉片和塔架模態(tài)Fig．3Themodesofbladeandtower廣義慣性力為:F*r=∑si=1EνNi·(－mNiEaNi)+EωrNi·(－EH·Ni)，r=1，2，…N(15)式中:mNi—第Ni部件廣義質(zhì)量，kg;EaNi—第N

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]渤海海域單柱三樁式海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)分析[J]. 黃焱,馬玉賢,羅金平,陳法波,田育豐.  海洋工程. 2016(05)
[2]海上風(fēng)力發(fā)電體系在風(fēng)-冰作用下的動(dòng)力反應(yīng)[J]. 李靜,陳健云,陳小波,劉志強(qiáng).  太陽能學(xué)報(bào). 2013(07)
[3]海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰力作用模型[J]. 歐進(jìn)萍,王剛,段忠東.  海洋工程. 2002(01)
[4]海冰作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)自激振動(dòng)的參數(shù)分析與響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算[J]. 歐進(jìn)萍,段忠東,王剛.  工程力學(xué). 2001(05)
[5]海冰引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的研究與進(jìn)展[J]. 佟建峰,史慶增.  船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息. 2001(10)
[6]海冰工程中的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題[J]. 柳春圖,段夢(mèng)蘭.  機(jī)械強(qiáng)度. 1995(03)
[7]海冰靜力作用的特點(diǎn)及幾種典型結(jié)構(gòu)的冰力模型試驗(yàn)[J]. 史慶增,宋安.  海洋學(xué)報(bào)(中文版). 1994(06)
[8]渤海老二號(hào)平臺(tái)被冰推倒的調(diào)查結(jié)論[J]. 段夢(mèng)蘭,方華燦,陳如恒.  石油礦場(chǎng)機(jī)械. 1994(03)
[9]冰與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的理論分析模型[J]. 王翎羽,徐繼祖.  海洋學(xué)報(bào)(中文版). 1993(03)
[10]海冰引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)[J]. 徐繼祖.  海洋工程. 1986(02)

博士論文
[1]冰激海洋平臺(tái)振動(dòng)的動(dòng)力模型試驗(yàn)研究[D]. 黃焱.天津大學(xué) 2004



本文編號(hào)：3494897