風(fēng)力發(fā)電機(jī)組耦聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題研究

于爽

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求逐漸擴(kuò)大。風(fēng)能作為地球上可持續(xù)發(fā)展的清潔能源之一，越來越受到人們的重視。目前，風(fēng)能是最具商業(yè)化和利用率的可再生能源。作為一種新型的高聳塔式結(jié)構(gòu)，了解其力學(xué)性能和工作特性非常重要，其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)耦聯(lián)系統(tǒng);結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué);研究

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求顯著增加，而地球上現(xiàn)有的常規(guī)能源越來越稀缺。面對(duì)嚴(yán)峻的能源問題及化石燃料造成的污染與溫室效應(yīng)，人們對(duì)改變能源結(jié)構(gòu)的要求越來越迫切，對(duì)新能源、清潔可再生能源的需求也越來越強(qiáng)烈。在國家節(jié)能減排和控制溫室氣體排放政策支持下，風(fēng)能等新能源發(fā)展迅速。風(fēng)力發(fā)電是一種較成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)，具有施工周期短、成本低、安裝靈活、運(yùn)維簡單、無污染等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使風(fēng)能成為新能源發(fā)展的主要方向。

一、風(fēng)力發(fā)電概述

風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能是一種清潔無污染可再生能源，主要利用風(fēng)車抽水、磨面等。利用風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，而且風(fēng)能蘊(yùn)量大，因此越來越受到各國的重視。

二、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理

本文討論了四種風(fēng)速條件下風(fēng)機(jī)耦聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

1、葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)機(jī)理。風(fēng)速是影響風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的主要因素。

①隨著風(fēng)速的增加，葉片最大應(yīng)力在12m/s時(shí)逐漸增大。在低、額定風(fēng)速時(shí)，最大應(yīng)力集中在機(jī)艙前緣。當(dāng)風(fēng)速為25m/s和55m/s時(shí)，最大應(yīng)力逐漸靠近葉片中間位置，在機(jī)艙和葉片上均有較大應(yīng)力值。

②風(fēng)速為8m/s和12m/s時(shí)，從截面分布上看，葉片部分應(yīng)力值差值范圍小，分布較為均勻。在風(fēng)速25m/s和55m/s時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)流固耦合作用下應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，選取葉尖、中間、根部對(duì)葉片應(yīng)力時(shí)程曲線分析，結(jié)果為：

①在8m/s、12m/s、25m/s風(fēng)速下，葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力受氣動(dòng)作用具有振動(dòng)特性。隨著時(shí)間的發(fā)展，結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速為55m/s時(shí)，可發(fā)現(xiàn)在流固耦合早期，葉片在55m/s風(fēng)速下發(fā)生振顫失穩(wěn)，在材料阻尼影響下，葉片應(yīng)力幅值在耦合后期逐漸減小。

②根據(jù)流固耦合作用下葉片不同部位應(yīng)力時(shí)程變化，可發(fā)現(xiàn)葉尖處應(yīng)力值最小。四種風(fēng)速下，應(yīng)力值在1.3MPa～1.5MPa之間，應(yīng)力差距小。對(duì)于葉片中部和根部，應(yīng)力值隨風(fēng)速增加波動(dòng)較大。風(fēng)速越大，應(yīng)力值越大。當(dāng)風(fēng)速為55m/s時(shí)，葉片最大應(yīng)力值為90MPa，葉片根部達(dá)到55MPa，表明在極端風(fēng)速下葉片結(jié)構(gòu)的顫振失穩(wěn)值得重點(diǎn)研究。

2、塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)機(jī)理

①在葉片荷載和自身風(fēng)荷載作用下，塔筒應(yīng)力隨風(fēng)速增加而增大。當(dāng)極限風(fēng)速為55m/s時(shí)，最大應(yīng)力值達(dá)到201.4MPa。從應(yīng)力分布趨勢(shì)看，葉片作用下塔架承受扭矩作用，應(yīng)力分布呈扭曲狀態(tài)。

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

塔筒結(jié)構(gòu)頂部、中部、底部應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：

①風(fēng)機(jī)耦聯(lián)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下開始搖擺，塔筒各部位主應(yīng)力變化趨勢(shì)也在頂機(jī)艙及葉片搖擺作用下發(fā)生波動(dòng)，最終在阻尼作用下趨于穩(wěn)定。從塔筒頂部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化趨勢(shì)可知，在葉片結(jié)構(gòu)氣動(dòng)作用下，塔筒頂部應(yīng)力值在一定波動(dòng)狀態(tài)下表現(xiàn)出一定振動(dòng)效應(yīng)。對(duì)于塔筒中部，由于材料阻尼影響，振動(dòng)進(jìn)一步減弱，最終趨于穩(wěn)定。

②隨著風(fēng)速的增加，應(yīng)力值波動(dòng)幅度較大。當(dāng)風(fēng)速為55m/s時(shí)，最大波動(dòng)值達(dá)到55MPa，位于塔筒底部，塔筒中部為260MPa。風(fēng)速越低，結(jié)構(gòu)擺動(dòng)效應(yīng)越弱，相應(yīng)應(yīng)力值也越小。在極限風(fēng)速下，由于葉片顫振失穩(wěn)，塔頂結(jié)構(gòu)應(yīng)力值也存在較大的應(yīng)力振動(dòng)現(xiàn)象。

通過對(duì)風(fēng)機(jī)耦合結(jié)構(gòu)葉片與塔管應(yīng)力分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)：

①隨著風(fēng)速的增加，葉片結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)作用下應(yīng)力幅值逐漸增大。在極端風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)易發(fā)生顫振失穩(wěn)，這對(duì)保證風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行非常不利。因此，要注意風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)在高風(fēng)速下的氣動(dòng)效果。

②塔筒結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)，由于高層結(jié)構(gòu)特性，在風(fēng)荷載作用下開始搖擺。同時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力也有明顯的影響，尤其對(duì)頂部結(jié)構(gòu)。

三、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)規(guī)律

1、葉片結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)機(jī)理。從風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)速12m/s下的結(jié)構(gòu)位移分布規(guī)律可知：

①從葉片結(jié)構(gòu)整體位移分布趨勢(shì)來看，最大位移位于上部葉片頂部，呈后仰狀態(tài)。隨著風(fēng)速的增加，葉片位移逐漸增大，最大達(dá)2.6m。葉片作為一個(gè)耦聯(lián)結(jié)構(gòu)體系，其位移變形與材料本身特性有關(guān)，并與整個(gè)結(jié)構(gòu)體系相互作用。在風(fēng)荷載作用下，葉片除自身變形外，還隨塔筒結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，僅研究葉片或塔筒位移變化不能反映風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特性。

②從各葉片位移狀態(tài)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(cè)葉片。由于葉片的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在來流風(fēng)載作用下，位移也發(fā)生非對(duì)稱變化，左側(cè)葉片變形更明顯。隨著來流風(fēng)速的增加，兩側(cè)葉片最大位移值逐漸趨于相近。

2、塔筒結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)機(jī)理。在流固耦合中，風(fēng)場(chǎng)與葉片結(jié)構(gòu)相互作用必然會(huì)導(dǎo)致葉片變形。通過對(duì)風(fēng)機(jī)耦合結(jié)構(gòu)葉片與塔筒位移分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)：

①葉片結(jié)構(gòu)變形時(shí)，塔筒的位移變形不可避免?？紤]到風(fēng)機(jī)的耦合結(jié)構(gòu)，有必要分析風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在風(fēng)場(chǎng)作用下的位移響應(yīng)。葉片結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性必然會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，研究葉片結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)作用下的位移變化具有重要意義。

②在風(fēng)荷載作用下，塔筒結(jié)構(gòu)擺動(dòng)位移逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。葉片的氣動(dòng)特性對(duì)塔管的位移影響較小。

參考文獻(xiàn)

[1]徐昕昀.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組耦聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題研究[J].華北電力大學(xué)，2018（05）.