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随着人类社会的发展,人们对能源的需求越来越大,煤炭、天然气、石油等传统资源有限,而且使环境不断恶化,节约能源消耗、发展可持续的清洁能源是当今各国都在努力的方向。风力发电是利用风能的主要形式,近年来发展迅速,我国已成为全球风电装机容量最大的国家。我国的大型风力发电机以水平轴风力机型为主,而且正朝着更加大型化、柔性化的方向发展。在风荷载作用下,风力机塔架发生振动,影响风力发电机组的使用性能及结构的安全性。受到工作环境的限制及自身结构的特殊性,它不能像小型风力机一样用外加索来增加结构刚度。目前,我国对风力发电机支撑结构的研究还处于起步阶段,因此,深入研究塔架在风荷载作用下的动力响应及有效的振动控制措施对风力发电机组的安全运行,对打破国外在风电技术领域技术封锁和专利垄断、提升我国的自主研发能力和水平、促进我国风电事业的发展具有重要而积极的意义。
风力机塔架结构模态分析有助于了解风力机结构自振特性。本文以风力机样机为研究对象,采用Lanczos向量直接迭代法,通过计算对水平轴风力发电机组钢管塔架结构的自振特性做了分析,得到了结构的自振频率进而确定了风力机样机支撑塔架为半刚性塔架。共振分析表明,风力机风轮旋转频率与塔架自振频率之间的关系满足要求,结构不会发生共振。
风荷载是风力机塔架结构受到的主要荷载,根据风力机支撑结构受力特点,可以将风荷载分为两大部分:塔架迎风面直接承受的风荷载和叶片传递给塔架顶部的荷载。本文首先介绍了风荷载的基本特性,采用AR模型线性滤波法模拟得到了不同高度处塔架1结构前方的脉动风速时程。之后,利用风速风压的关系转化得到了直接作用在风力机塔架结构上的风压时程。
旋转的风轮所受到的风荷载不同于静止的风轮,本文介绍了风力机旋转风轮所受风力的基本动力学理论——动量理论、叶素理论及动量叶素理论及其推导过成。结合不同高度处的风速模拟方法,运用动量叶素理论模拟得到了理想风力机在额定风速下风轮受到的轴向推力时程及横向扭矩时程。
目前,风力发电机塔架结构的减振控制研究还处于起步阶段,本文介绍了悬挂质量摆及悬摆式液体粘滞阻尼减振装置的减振原理,利用ANSYS分析软件,计算得到了不带减振装置模型及带减振装置模型的动力响应。通过参数分析,了解了各主要参数取值对减振效果的影响,得到了适合于样机塔架结构减振装置的设计参数。
本文建立了风力机塔筒的试验模型,介绍了模态参数识别理论,对不带减振装置及带减振装置的试验模型进行实测,得到了模型结构的自振频率及阻尼比。建立了试验风力机塔筒结构的有限元模型,对比了结构的模态参数。在不同风速情况下,对风力机塔筒结构的动力响应进行了实测,比较分析了不带减振装置及带减振装置的试验模型的动力响应。实测结果表明,减振装置对塔筒的振动起到了良好的减振效果。