風力發電機組耦聯系統結構動力學問題研究

于爽

摘要：隨著社會經濟的快速發展，對能源的需求逐漸擴大。風能作為地球上可持續發展的清潔能源之一，越來越受到人們的重視。目前，風能是最具商業化和利用率的可再生能源。作為一種新型的高聳塔式結構，了解其力學性能和工作特性非常重要，其結構安全穩定性關系到整個發電系統的正常運行。

關鍵詞：風機耦聯系統;結構動力學;研究

隨著現代工業的發展，人類對能源的需求顯著增加，而地球上現有的常規能源越來越稀缺。面對嚴峻的能源問題及化石燃料造成的污染與溫室效應，人們對改變能源結構的要求越來越迫切，對新能源、清潔可再生能源的需求也越來越強烈。在國家節能減排和控制溫室氣體排放政策支持下，風能等新能源發展迅速。風力發電是一種較成熟的可再生能源發電技術，具有施工周期短、成本低、安裝靈活、運維簡單、無污染等特點，這些特點使風能成為新能源發展的主要方向。

一、風力發電概述

風力發電是把風的動能轉化為電能。風能是一種清潔無污染可再生能源，主要利用風車抽水、磨面等。利用風力發電非常環保，而且風能蘊量大，因此越來越受到各國的重視。

二、風機結構動力響應機理

本文討論了四種風速條件下風機耦聯結構系統的動力響應規律。

1、葉片結構應力響應機理。風速是影響風機結構力學特性的主要因素。

①隨著風速的增加，葉片最大應力在12m/s時逐漸增大。在低、額定風速時，最大應力集中在機艙前緣。當風速為25m/s和55m/s時，最大應力逐漸靠近葉片中間位置，在機艙和葉片上均有較大應力值。

②風速為8m/s和12m/s時，從截面分布上看，葉片部分應力值差值范圍小，分布較為均勻。在風速25m/s和55m/s時，葉片結構應力值在翼緣處較小，但在葉片中部逐漸增大。

為具體分析葉片結構流固耦合作用下應力隨時間的變化規律，選取葉尖、中間、根部對葉片應力時程曲線分析，結果為：

①在8m/s、12m/s、25m/s風速下，葉片結構應力受氣動作用具有振動特性。隨著時間的發展，結構應力幅值逐漸減小，最終趨于穩定。當風速為55m/s時，可發現在流固耦合早期，葉片在55m/s風速下發生振顫失穩，在材料阻尼影響下，葉片應力幅值在耦合后期逐漸減小。

②根據流固耦合作用下葉片不同部位應力時程變化，可發現葉尖處應力值最小。四種風速下，應力值在1.3MPa～1.5MPa之間，應力差距小。對于葉片中部和根部，應力值隨風速增加波動較大。風速越大，應力值越大。當風速為55m/s時，葉片最大應力值為90MPa，葉片根部達到55MPa，表明在極端風速下葉片結構的顫振失穩值得重點研究。

2、塔筒結構應力響應機理

①在葉片荷載和自身風荷載作用下，塔筒應力隨風速增加而增大。當極限風速為55m/s時，最大應力值達到201.4MPa。從應力分布趨勢看，葉片作用下塔架承受扭矩作用，應力分布呈扭曲狀態。

②在風速為8m/s時，結構主要受水平推力和剪力影響，塔筒較大應力值主要分布在塔筒底部門洞附近和機艙與塔筒間連接處。在正常風速12m/s時，塔筒主要受彎矩和水平推力影響，較大應力值主要分布在塔筒門附近和鋼環接觸部位。隨著風速的增加，較大應力值范圍逐漸增大。

塔筒結構頂部、中部、底部應力隨時間變化規律發現：

①風機耦聯結構在風荷載作用下開始搖擺，塔筒各部位主應力變化趨勢也在頂機艙及葉片搖擺作用下發生波動，最終在阻尼作用下趨于穩定。從塔筒頂部結構應力變化趨勢可知，在葉片結構氣動作用下，塔筒頂部應力值在一定波動狀態下表現出一定振動效應。對于塔筒中部，由于材料阻尼影響，振動進一步減弱，最終趨于穩定。

②隨著風速的增加，應力值波動幅度較大。當風速為55m/s時，最大波動值達到55MPa，位于塔筒底部，塔筒中部為260MPa。風速越低，結構擺動效應越弱，相應應力值也越小。在極限風速下，由于葉片顫振失穩，塔頂結構應力值也存在較大的應力振動現象。

通過對風機耦合結構葉片與塔管應力分布規律研究發現：

①隨著風速的增加，葉片結構在氣動作用下應力幅值逐漸增大。在極端風速下，結構易發生顫振失穩，這對保證風機結構穩定運行非常不利。因此，要注意風機葉片結構在高風速下的氣動效果。

②塔筒結構作為上部結構與基礎結構的連接結構，由于高層結構特性，在風荷載作用下開始搖擺。同時，葉片結構氣動效應對結構應力也有明顯的影響，尤其對頂部結構。

三、風機結構位移響應規律

1、葉片結構位移響應機理。從風機葉片在風速12m/s下的結構位移分布規律可知：

①從葉片結構整體位移分布趨勢來看，最大位移位于上部葉片頂部，呈后仰狀態。隨著風速的增加，葉片位移逐漸增大，最大達2.6m。葉片作為一個耦聯結構體系，其位移變形與材料本身特性有關，并與整個結構體系相互作用。在風荷載作用下，葉片除自身變形外，還隨塔筒結構發生變形，僅研究葉片或塔筒位移變化不能反映風機結構特性。

②從各葉片位移狀態可知，最大位移位于上部葉片，最小位移位于下部兩葉片之間的右側葉片。由于葉片的非對稱結構，在來流風載作用下，位移也發生非對稱變化，左側葉片變形更明顯。隨著來流風速的增加，兩側葉片最大位移值逐漸趨于相近。

2、塔筒結構位移響應機理。在流固耦合中，風場與葉片結構相互作用必然會導致葉片變形。通過對風機耦合結構葉片與塔筒位移分布規律研究發現：

①葉片結構變形時，塔筒的位移變形不可避免?？紤]到風機的耦合結構，有必要分析風機結構在風場作用下的位移響應。葉片結構的氣動特性必然會影響結構的安全穩定性，研究葉片結構在氣動作用下的位移變化具有重要意義。

②在風荷載作用下，塔筒結構擺動位移逐漸減小，最終趨于穩定。葉片的氣動特性對塔管的位移影響較小。

參考文獻

[1]徐昕昀.風力發電機組耦聯系統結構動力學問題研究[J].華北電力大學，2018（05）.