气动阻尼对海上风力机筒形塔架的影响.pdf

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1、第34卷第8期太阳能学报2013年8月ACTAENERGIAESOLARISSINICA文章编号：0254-0096(2013)08—1450-08气动阻尼对海上风力机筒形塔架的影响郭洪澈2，李钢强2，刘雄3，关中杰2(1．湖南理工学院，岳阳414006；2．济南轨道交通装备有限责任公司，济南250022；3．汕头大学能源所，汕头515063)摘要：首先阐述海上风力机筒形塔架有限元模型和动力学运动方程，对海上风力机筒形塔架所受外部载荷以及来自风轮的空气动力阻尼模型进行详细分析，然后对海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应进行计算，并对风力机运行寿命期(20a)内的疲劳载荷

2、进行对比分析，编制相应的计算机程序。以某5．OMW海上风力机筒形塔架作为算例，仿真其在湍流风场作用下的发电工况，分析气动阻尼对海上风力机筒形塔架的具体影响。分析结果表明：气动阻尼对海上风力机筒形塔架的动力响应和疲劳载荷具有较大影响。关键词：海上风力机；塔架；动力响应；气动阻尼；疲劳载荷中图分类号：TK83文献标识码：A型，并结合传统的能量法，提出了一种叶轮机叶片气0引言动阻尼的高效求解方法。大型海上风力机塔架一般采用圆锥筒形结本文在上述研究的基础上，应用有限元法对海构_lJ，作用在塔架上的气动载荷和波浪载荷均随时上风力机塔架进行离散化建模，阐述塔架所受外部间和空间变化。塔架

3、动力响应及疲劳分析不仅应考载荷，并建立塔架动力学运动方程。在求解塔架动虑上述载荷的组合影响，还需考虑来自风轮的气动力学运动方程时利用所建立的气动阻尼模型实时计阻尼的影响。在风力机塔架设计过程中一般使用气算某5．0MW变速变桨距型风力机的气动阻尼，分动阻尼的工程估算值J，随着风力机向大型化、高析气动阻尼对海上塔架在风波联合作用下的动力响可靠性方向发展，在海上风力机设计过程中精确模应和疲劳载荷的影响。拟机组的结构柔性以更好地揭示系统的动态响应以1塔架有限元模型和运动方程及预测结构的疲劳载荷显得越来越重要，因此有必要研究气动阻尼对海上风力机塔架的影响。分析海上风力机塔架在风波联合

4、作用下的海上国外对风力机气动阻尼的研究较为深入。参考风力机塔架结构动力学响应，可将塔架视为悬臂梁，文献[3]中详细叙述了GarradAD利用单自由度系利用二节点梁单元对塔架进行离散化建模J，作用统对恒速风力机气动阻尼模型所进行的研究，得到在节点上的载荷在海平面以上主要为气动载荷，在了单个叶素的气动阻尼系数；KtihnMJ在Garrad海平面以下主要为波浪载荷。已知塔架几何参数，AD的理论基础上给出了整个风轮的气动阻尼计算根据弹性力学变形体最小势能原理¨j，可得塔架有公式；VanderTempel研究了在不同稳态风速下限元动力学运动方程：计算气动阻尼系数的方法，适合于考虑分离

5、流时的Mx"(f)+Cx(t)+Kx(t)=P(t)(1)详细计算。国内对气动阻尼的研究主要集中在失速式中，(f)、(t)、X(f)——节点的位移、速度和加型叶片方面。陈严等结合翼型稳态失速模型速度列矢量；M、C、K——质量矩阵、阻尼矩阵和刚和叶片的结构动力学模态分析方法创建了风力机单度矩阵；P(f)——节点所受外部时变载荷列阵。翼型和单叶片稳态气动阻尼分析模型；张陈安等该运动方程可利用Newmark积分等方法即可获得运用叠加原理发展了一种叶片非定常气动力降阶模较稳定的计算结果。收稿日期：2011—12-12通讯作者：郭洪澈(1972一)，男，博士、副教授，主要从事风能利用

6、方面的研究。hongcheguo@163．tom8期郭洪澈等：气动阻尼对海上风力机筒形塔架的影响1451和切向力分别为：2海上风力机塔架载荷Fxe=寺J0c(cc。s(D+c。sin)dr(2)海上风力机塔架所承受的外部载荷主要有：塔架自重和机舱及传动系统的重力、来自风轮的空气FⅦ=寺『nc(CLsimp—c。c0s)dr(3)动力载荷、塔架自身所受风载荷、由于叶轮偏心和风式中，B——风轮叶片数目；P——空气密度；速分布不均匀引起的俯仰力矩、偏航时的陀螺力矩、R——风轮旋转平面半径；c——截面弦长；C．、波浪载荷等J，如图1所示。C。——翼型升力系数和阻力系数；——人流角。

7、————J‘——I————J————J————J风载————+J———_'JH———+Jh．—-J——J———-J—J，：波浪l＼．暂一塔海架_图1海上塔架载荷分析Fig．1Loadsanalysisofoffshoretower图2叶片叶素分析本文着重分析受气动阻尼影响明显的塔架前后Fig．2Analysisofbladeelement方向(即顺风向)，因此仅推导影响塔架前后方向上计算出叶片所受法向力和切向力后，通过坐标的载荷即可_8]，忽略其他载荷的影响，计算参考GL转换，求得作用在塔架顶端前后方向的气动载荷为