风况特性及地震载荷对风力机性能与结构影响研究

【摘要】：随着各种极端天气、雾霾和沙尘等环境问题频现,对新能源的开发和利用越发迫切。而风能是新能源中除核能技术外最成熟且最具大规模开发前景的新能源。在风力机大型化且普遍化发展趋势下,越来越多风场不得不选址于强湍流风区及地震区。在此背景下,风力机在强湍流风及地震波作用下的特性自然成为关注和研究的重点。一方面,风场风况是影响风力机气动和结构特性的最直接因素,进而影响其功率输出、稳定性及控制策略;另一方面,风力机遭遇地震时各部件会表现出不同的特性,此时必须考虑涉及风力机结构的安全性。本文采用NREL开源软件包作为计算平台,联合TurbSim、AeroDyn、FAST及Seismic,对不同风况和地震波载荷下风力机的结构动力学响应开展研究。本文主要研究内容和结论如下:1.在三维风场建模基础上,对5种不同风况下的风速及相干湍流风的时域变化进行了模拟。分别模拟额定风速及切出风速下,一般湍流、克赫波以及添加相干湍流情况下的风力机全域湍流风。2.对风力机风轮进行气动计算,并在此基础上对各风况下的叶尖挥舞和摆振位移,叶根挥舞、摆振、变浆力矩等参数进行了动力学响应模拟,得到其各自的动态响应。控制策略采用变桨、变速控制,极限风况下采用定时顺桨控制。分析结果表明:克赫波更适合极限风况的仿真,并且通过在基础湍流中添加相干湍流可模拟拟序结构。同时,研究还发现相较于参考风速为额定风速,在切出风速下,叶尖位移同时体现为挥舞和摆振,且变化频率、剧烈程度都增加;叶根载荷中挥舞弯矩均值较小,但在短时间内波动跨度大,是风力机叶片产生疲劳的主要载荷。3.使用El Centro地震波和合成地震波作为地震输入,在计及零线修正并与目标谱匹配基础上,考虑风力机遭遇地震时风况不同,总共模拟了7组工况。通过对结果分析比较得出:稳态风下,风力机柔性部件动力学响应时程与IECKAI风况下差异巨大。在IECKAI风况遭遇地震时,可忽略地震对风力机叶片及塔架的影响,而作为刚性体的平台受载较大,并出现较大位移。因风力机塔基与平台固连,故塔基受载同样较大。此时若塔尖受载较大,风力机则可出现倾覆,导致整机毁坏。
【关键词】：风力机 湍流风 地震载荷 动力学响应
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK83