柔性理论在大型风电机组塔架耦合结构中的应用

柔性理论在大型风电机组塔架耦合结构中的应用

0多载荷耦合作用下的塔架结构动力学近年来，大型发电装置的结构动态响应一直是许多科学家的研究重点。塔架是大型风电机组的主要承重结构，在降雨过程中，风与雨水通过耦合作用于风电机组。风与雨水的耦合载荷，塔架与叶片之间存在的结构耦合，叶片在转动过程中的动力学参数变化异常，都将导致塔架结构的破坏。所以，对塔架进行风与雨水的耦合作用下的结构动力学分析是保证风电机组正常运行的必要条件。近年来许多学者对于塔架进行结构动力学研究，于良峰综上所述，从某一载荷进行响应分析的研究较多，而进行多载荷的耦合响应分析的研究较少，因此，开展在多载荷耦合作用下的塔架结构动力学的研究非常重要。塔架对于整个风电机组结构的强度、刚度和共振频率能够起到调节作用。本文采用柔性理论的基本原理，建立三维结构动力学模型，分析了多载荷耦合作用的具体形式。利用Solidworks软件流体与结构分析互补的嵌入技术，充分利用软件优势进行互补，能够比较准确地计算出大型风电机组刚柔耦合系统动力学的动力响应参数变化情况，得出结构动力学参数带来的实际意义，从而为风电机组的正常运行提供参考。1大型风电机组柔性多体系统的力学效应大型风电机组刚柔耦合系统是将塔架、叶片视为柔性体，将机舱视为相对刚体，通过一定的连接方式构成的柔性多体系统。研究柔性叶片的变形与其大范围空间运动之间的相互耦合，以及塔架分段处的运动情况，对于考虑耦合效应的大型风电机组柔性多体系统具有一定的指导作用。柔性塔架、叶片的变形与刚体机舱之间的刚柔耦合效应，导致风电机组的动力学效应，这是柔性多体系统动力学在大型风电机组的具体应用。大型风电机组中塔架较高，甚至达到100m以上，而塔架是风电机组的根基，在多载荷耦合作用下，其结构动力学参数的变化情况直接影响风电机组的稳定性2风与雨水耦合风与雨水的多载荷耦合作用，即风、雨水的相互作用、相互影响。风载荷是随机作用的，风与雨水的耦合具体表现在风与雨水的混合夹杂，雨水一般随着风的作用直接受力于风电机组。风与雨水形成耦合作用，对塔架在强风条件下进行结构动力学分析是塔架在极端环境下运行的必要保证3分段方程的三维结构适用于基本控制方程大型风电机组塔架的某点在风与雨水的耦合作用下，分为3个平动位移（x每个刚体单元中的任意一点在参考坐标系中的位移为式中：T4结构动力学分析4.1塔架第一阶和第二阶段模态分析是进行振动特性研究的基本方法，模态振型图是振动特性的主要特征，图4为塔架前四阶非零模态振型。第一阶为塔架的扭转模态振型，第一阶频率略低于第二阶模态频率，风电机组处于启动阶段，惯性矩较大。第二阶无明显变形，是一个过渡阶段。第三阶为俯仰挥舞，与第四阶段构成耦合现象，即相互影响、相互作用。从前四阶模态振型可以看出，最大振幅为0.37m，符合一般振动规律变化，一般不存在共振现象。4.2阵风方向变化图5为在图3载荷作用下的位移响应情况。由图5可知，0～100s的塔顶位移变化曲线类似正弦曲线，但是0～10s的位移呈现线性增加，这是由于强风初始作用风力机叶片，叶片转动过程中，与塔架结构耦合，类似一体化。塔架振动位移在0～0.60m内呈现类似周期性变化。1/3次谐波激励频率（0.56Hz）与一阶固有频率接近，为结构动力响应的主要频率。阵风是在一定时间内，风速对于其平均值持续时间不大于2min的正或负偏离。阵风在一定程度上重复一个过程，下降、上升、下降，不断循环，最后返回风速初始值。阵风与雨水的耦合常作用于风电机组，幅值和持续时间随着周期的变化而变化，这是由于空气的扰动带来的结果。本文载荷选取阵风风速均值为11m/s，时间为50s，间隔为0.04s，强度变化的阵风与雨水耦合动载荷曲线如图6所示。图7为阵风雨水耦合作用条件下振动位移的变化情况。由图6,7可知：在0～16s时，动载荷在410～420kN内呈现锯齿波变化，振动位移为1.1～1.2m，在这个阶段，风力机叶片受到平稳载荷，振动位移的变化幅值较为平稳；在16～30s时，风力机叶片受到极大的风载荷强度变化，偏航装置跟踪风向和大小作出调整，阵风载荷突然下降，然后上升、下降，返回初始值，在这个时间段，最大载荷为600kN，最小载荷为120kN，风力机叶片受到的风载荷波动极大，引起塔架位移的横向振动，位移最大为2.0m；在30s以后，阵风恢复平稳载荷，塔架的振动位移也随之平稳。在整个阵风载荷作用于风电机组的过程中，风强度的不稳定变化引起塔架位移的变化，塔架极大位移的变化持续时间较短，对于风电机组运行影响较小。阵风方向变化是幅值和持续时间按照一定规律的周期性变化，与雨水构成耦合。图8为阵风方向变化的阵风耦合载荷曲线图。时间间隔为0.04s，持续时间为50s，转向角为-20～30°，风速为11m/s。图9为振动位移响应情况。在0～18s过程中，塔架振动位移均值为0.82m，风机迎风向与风向夹角为0°，振动位移没有较大变化，塔架位移在0.81～0.83m内变化；在20～40s过程中，振动位移出现较大波动，为0.48～1.22m，这是由于阵风转向角变化极大，转向角最大达到30°；在40～50s过程中，振动位移变化平稳，均值为1m。阵风在方向变化过程中，塔架承载逐渐减小，位移出现振荡变化，这是由于在极端时间内，阵风方向的改变影响风力机迎风角瞬时改变，导致受载不均，从而使塔架振荡位移变化加剧。5风荷载本文经过分析强阵风载荷的强度和方向变化以及结构动力学响应，得到如下结论。(1)在振动特性分析过程中，前四阶模态振型的最大振幅为0.37m，极少发生共振现象。(2)在阵风雨水耦合过程中，强风在强度变化情况下，最大载荷为600kN，塔架振动位移均值为1.2m左右，振动位移变化较为平稳。在强风方向变化情况下，转向角为-20～30°，塔架振动位移均值为0.82m左右，振荡位移变化加剧。(