基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

发布时间：2021-08-20 14:39

　　为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(15)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

风力机叶片的ADAMS模型

叶片和塔架按照柔性构件来处理,采用1.1.3节介绍的方法建立起叶片和塔架的多体模型,将风力机的轮毂和机舱等变形较小的构件按照刚体处理;由于仿真模拟中轮毂与主轴之间没有相对运动,所以将它们合并为一个刚体以从减少系统自由度和约束方程简化计算步骤,同时为了模拟轮毂与主轴相对机舱的转动,用旋转铰连接主轴与机舱。如图3所示。图中,三个叶片固定在轮毂上,采用固定铰接,qg为轮毂转动自由度,fy为叶根对轮毂的作用力。机舱与塔架通过万向节铰连接,分别模拟机舱相对塔架的偏航、翘起运动,塔架底部与基础通过固定铰刚性连接。风力机基础和外界交界处设置水平、垂直和扭转方向的弹簧[17]。万向节铰、旋转铰如图4、图5所示。至此风力发电结构整机系统离散为一个共有54个刚体,88个自由度的系统,如图6所示。图4 万向节铰示意图

风速模拟过程中来流平面划分为256个节点,每间隔12 m设置一个网格点,网格和风力机相对位置,如图9所示。由图可知,常用脉动风速谱与实测台风风谱之间差异较大。强台风作用下轮毂位置脉动风速时程如图10所示,其中u(t)为顺风向风速,v(t)为横风向风速,w(t)为纵向风速。台风五阶段纵向风谱模拟值与目标值对比如图11所示,并于图中给出了Davenport谱和Simiu谱[20]等常用风谱进行对比。由图可知,台风风谱在高频区域的能量明显大于常用工程风谱,对比目标风谱和模拟风谱结果可以发现,在该频段范围内(0.01～2 Hz)模拟谱和目标谱吻合较好。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3353683