风力发电机组塔架结构动力学分析研究 物理学专业.docx

摘 要 风力发电总装机的动力学解析一般是基于具体共振以及平稳性而开展。当风力涡轮机在自然风环境中运作时，由于此设备叶片上的空气动力、惯性力以及弹力出现交变载荷。弹性振动体的叶片和塔架两者间会出现耦合振动。假定外界激振力频率和本身固有频率一样，此时会出现共振现象，进而对风力发电机组造成很大的毁坏。因此，为了消除共振，系统固有频率的频率应通过系统固有频率来避免。 经过查找众多研究信息，深入探讨叶片转动和塔架弯曲的耦合振动，且分析方位角p的作用。此时风轮旋转部分的划分，并对不旋转塔架开展分析。采用模态研究方式来创建转子轮毂与机组塔架的运动方程式。此后，在轮毂与塔架变形一样的时候，采用耦合上述运动方程，创建转子/塔架系统的运动方程。 在创建此模型的时候，在一定程度上简化叶片与塔架模型，且寻找确定塔的等效刚度和等效半径的有效办法。对沈阳工业大学的1 MWS ut - 1000模型进行了分析和验证,得到了系统的固有频率。结果表明，该装置的励磁频率与风力机的励磁频率不一致，响应曲线表明该装置运行平稳。叶片、轮、舱室质量与塔架结构被当做是风力涡轮机原本就具备的频率影响关系。 为了验证j，SUT - 1000模型分析的准确性，采用叶片风力机相关设计工具与ANSYS通用有限元研究软件开展统计。不同方式统计结论大致类似。利用上述研究。风力发电机机的自主设计开发过程、风力机转子/塔架系统的稳定性分析、风力机整体性能的提高和整体高效设计具有关键的理论与实践价值。 关键词：风力发电机组，共振，模态分析法，固有频率 Abstract Wind power generators primary problem of dynamic researching is the systematic resonance and stability for the、Ⅳind turbine．Wind power generators alternate load．air driving force inertial force and elastic force etc that be pressed on the blade of wind turbine，call bdng on coupling vibration of the elastic blade and tower when the wind turbine works in the condition of natural wind．If thefrequency of outside force approaches the systematic natural frequency，the resonance will be happened and arousing intense destroying for wind turbine．Therefore，only making the systematic natural frequency keep away from the frequency of outside force can avoidresonance．By looking up a lot of data,the coupled rotor brandishing and tower front and backbending system is analyzed．Wind power generators azimuth angle is considered．Firstly,tower and rotor are separated．A motion equation is set up which could describe rotor hub and nacelle tower with mode analytical method．Then，the consistent condition of hub and tower is performed toestablish the coupled rotor／tower motion equation．Wind power generators methods that can reasonable predigestthe blade and towermodel is discovered．Wind power generators 1MW wind turbine of Shenyang University of Technology SUT-1000 is analyzed above model．The systematic natural frequency and response curve are obtained．The results indicate that the wind turbine work is steady and the systematic natural frequency is not coincided with the rotor frequency．Wind power generators effect relation between each parts weight and towerstructure on wind turbine natural frequency is caught． In order to prove the mathematical modal is correct，the wind turbine SUT-1000 is also analyzed and calculated witll Bladed wind turbine special design software combined with ANSYS finite element analysis software． It is important to analyze the stability of coupled rotor／tower system in the course of wind turbine independent design by the above analysis．It has important theory value and actual significance for wind turbine in enhancing capability and optimal design． Key Words Wind Turbine，ModeAnalytical Method，Natural Frequency，Resonance 目 录 摘 要 1 Abstract 2 1前言 3 1.1风力发电机组发展现状和趋势 3 1．2风力发电机组的动态特性 4 1．3国内外风力发电机组动力学研究现状 5 1．3．1国外风力发电机组动力学研究现状 5 1．3．2国内风力发电机组动力学研究现状 7 1．4风力发电机组设计软件现状 7 1．5本课题的来源、意义及研究内容 8 1．5．1课题的来源 8 1．5．2选题的意义 8 1．5．3课题主要研究内容 8 2风力发电机组的载荷分析 9 2．1载荷分类和来源 9 2．1．1载荷分类 9 2．1．2负载来源 10 2．2载荷的确定方法 11 2．2．1叶素理论 11 2．2．2塔影效应模型 12 2．2．3风力发电机组主要载荷的确定方法 13 3基于BIaded软件的动态计算 14 3．1模型建立 15 3．2计算结果 16 4风轮转子／塔架系统的建模与稳定性分 19 4．1模态分析法 19 4．2坐标系的建立 20 4．3系统的稳定性分析 21 4．4影响系统稳定性的因素 22 6结论与展望 25 6．1研究工作总结 25 6．2工作展望 25 1前言 伴随经济与科技的发展以及工业化水平的提高，工业4.0随之来临，能源与环境问题逐渐变成影响大众生存与发展的主要阻碍。为了处理能源不足的问题，可再生能源的开发使用也开始得到不同国家的关注与认可。风能是重要的、没有限额的无污染能源，也是目前具备发展潜力的能源。此能源的发展不只能节约一般能源，此外也便于环保事业的发展。风力发电是优化能源结构、避免环境问题的主要方式，因此具备较高的经济、社会与环境三方面效益。 我国是全球风能资源最充足的国家，其是重要的无污染能源，在国内能源总量内所占比值不断提高，对于风力发电机组性能优异的设计和开发，对国内经济发展产生相对积极的现实影响。 1.1风力发电机组发展现状和趋势 风力发电是目前我们使用的重要方式。一直到2004年，全球各个地区创建在此类发电站装机容量为31.77万千瓦。欧洲拥有最多的风能，其次是美国。根据表1.1可知近期全球重要风力发电国家发电的现实状况。目前，德国、美国、西班牙和印度是世界上影响最大、增长最快的国家。 当前，世界MW级机组比值显著提高。在1997年，此比值低于10%，然而在2001年则超过50%，在2002达到了62.1%。风力发电装机容量2003为1.2mW。随着海上风电场的建设，2.5兆瓦机组正在运行，从3兆瓦到5兆瓦的巨型机组。2002年安装的最大原型是enercon，德国的e112装置，直径12米。额定功率4.5兆瓦。其次是ge 3.6机组，ge公司的美国风力机直径为100 m，额定功率为3.6 mwl 4。51 .欧洲国家已经发展了兆瓦级的机组单机容量，有关科技也较为完善。伴随设计观念更加成熟以及现实经验的积累，商业化水平也得到明显的提升。当前在世界风电产业内占据重要位置。 表1．1 2005年底世界主要国家风电装机容量 从上表中可以看出，中国在世界上还有很长的路要走，即使是在和印度一样的发展中国家，由于我国商业大型风电产业起步较晚，还存在较大差距，如欧洲和美国，与发达国家。“95”时期，叙述借鉴生产科技的方式，利用学习与国产化，顺利设计出600 kw失速型风力机。“十五”时期，我国863规划开始设计容量较大的兆瓦级风电机组。但是，即便我国经济发展水平不断提高，但是我国和其余风电国家也存在不小的差距，现实问题是设计能力不高。 1．2风力发电机组的动态特性 风力机是刚性与柔性相融合的多体系统。重点弹性振动器是叶片与塔。机舱稳定，通常与质量惯性振动相关。参考图1.1可知，属于叶片与塔架振动，前者是风力涡轮机中最复杂的部分，具有长生成、短字符串和良好的灵活性，它是易受振动波及的细长弹性体，风力涡轮机的内部机械振动最先出现在叶片。另外，其是比较明显的气动元件。在旋转时期，叶片不只可以承担环境气体阻力的影响，此外也会出现升力，促使其变成机械振动与气动力的气动弹性零件。振动、摆动以及扭转是其振动的主要类型。挥动表示叶片在垂直在旋转平面方向上的弯曲振动。前轮摆振是叶片基于自身在旋转平面内的可变轴线的扭转振动以及指状物伴随可变轴线的扭转振动。上述机械振动与气动围绕产生气动弹性现象。假如彼此影响弱化，运动相对平稳，不然会出现颤振以及发散。上述不平稳的伤害性运动相对明显，在此类设计时期需要重点分析与思考。 图1.1叶片和塔架的振动情况 风力机塔架是重要的细长形结构，装置在塔底顶部，风轮周期性转动，质量高，对风轮固有振动特点产生积极作用。风力机塔架不只在风轮旋转阶段周期性的受到影响，此外和随机风荷载也有一定的关系。因为上述部分彼此影响，塔架会出现振动，通常包含三类振动，也就是横向弯曲、弯曲与扭转三类振动。上述振动不只会导致塔架的附加应力，此外也作用于结构强度，作用于顶部风轮变形以及振动情况。