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山东大学学报 (工学版) ›› 2023, Vol. 53 ›› Issue (6): 108-121.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.080

• 电气工程 • 上一篇    下一篇

雷暴冲击风作用下风力发电机动力响应参数

刘春城(),滕庆训*()   

  1. 东北电力大学建筑工程学院, 吉林 吉林 132012
  • 收稿日期:2023-04-24 出版日期:2023-12-20 发布日期:2023-12-19
  • 通讯作者: 滕庆训 E-mail:lccheng@neepu.edu.cn;teng2022@yeah.net
  • 作者简介:刘春城，1969年6月出生，工学博士，教授，博士生导师，吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才，吉林省拔尖创新人才，吉林省高校新世纪科学技术优秀人才，2014年获吉林省青年科技奖。主要从事输电线路工程防灾减灾、输电工程设计理论、土木工程结构健康监测等领域研究。先后完成国家自然科学基金项目3项，完成省级和电网公司横向科研项目20余项，获吉林省科技进步一等奖1项，二等奖4项，在国内外学术期刊上发表论文100余篇，担任IJSSD、《振动工程学报》、《应用基础与工程科学学报》等多个期刊的审稿专家，出版学术专著2部，授权发明专利15件。
    刘春城(1969—)，男，吉林吉林人，教授，博士生导师，博士，主要研究方向为输电塔结构抗风抗震性能。E-mail：lccheng@neepu.edu.cn
  • 基金资助:
    吉林省自然科学基金资助项目(20230101218JC);国家自然科学基金资助项目(51278091)

Dynamic response parameters of wind turbine under thunderstorm downburst

Chuncheng LIU(),Qingxun TENG*()   

  1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin, China
  • Received:2023-04-24 Online:2023-12-20 Published:2023-12-19
  • Contact: Qingxun TENG E-mail:lccheng@neepu.edu.cn;teng2022@yeah.net

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摘要：

为了研究移动雷暴冲击风的时域特征及其作用下风力发电机动力响应参数的特点, 利用谐波叠加法模拟得到移动雷暴冲击风的风速时程; 建立考虑叶片和塔筒耦合作用的风机结构有限元模型, 得到沿塔筒高度方向加速度、位移、截面应力、剪力的响应分布规律; 考虑风机停机状态下不同叶片的停摆角度, 进一步分析叶片及塔筒的加速度、位移响应; 考虑不同风向角对风机影响, 分析动力响应的频域特性, 给出振型参与系数、塔顶位移及加速度和塔底弯矩的幅值随频率的变化规律。研究表明, 移动雷暴冲击风的风速时程包括2个明显的波峰(0~T/3、T/3~T/2), 不同叶片停摆角下位移响应峰值的变化与所在位置高度密切相关, 雷暴冲击风荷载频率和一阶主频(0.230 Hz左右)对结构位移和截面弯矩幅值影响明显。

关键词: 雷暴冲击风, 风力发电机, 塔筒, 风速时程, 动力响应

Abstract:

In order to study the time-domain characteristics of the impact wind of mobile thunderstorms and the characteristics of the dynamic response parameters of wind turbines under their action, the wind speed time history of the impact wind of mobile thunderstorms was first simulated using the harmonic superposition method. The finite element model of fan structure considering the coupling effect of blade and tower tube was established, and then the response distribution laws of acceleration, displacement, section stress and shear force along the height direction of tower tube were obtained. The acceleration and displacement responses of the blades and the tower were further analyzed considering the different blade stall angles when the fan was stopped. Considering the influence of different wind directions on the wind turbine, the frequency domain characteristics of the dynamic response were analyzed, and the variation patterns of vibration mode participation coefficient, tower top displacement and acceleration, and tower bottom bending moment amplitude with frequency were given. Research showed that the wind speed time history of a moving thunderstorm impact wind included two distinct peaks (0-T/3, T/3-T/2). The variation of the displacement response peak at different blade stop angles was closely related to the height of the location. The frequency of thunderstorm impact wind load and the first order dominant frequency (around 0.230 Hz) had a significant impact on the structural displacement and section bending moment amplitude.

Key words: downburst, wind turbine, tower tube, wind speed time history, dynamic response

中图分类号: 

  • TU311

图1

径向平均风速的竖向风剖面曲线"

图2

径向平均风速时程曲线"

图3

移动雷暴冲击风平均风速时程曲线"

图4

径向脉动风速时程曲线"

图5

径向合成风速时程曲线"

图6

相关函数曲线"

图7

功率谱密度曲线"

图8

雷暴冲击风中心与风力发电机相对位置"

图9

移动速度对平均风速和脉动风速的影响"

图10

径向距离对平均风速和脉动风速的影响"

图11

正向距离对平均风速和脉动风速的影响"

图12

侧向距离对平均风速和脉动风速的影响"

表1

塔筒尺寸参数"

段号 高度 顶端内径 底端内径 顶端厚度 底端厚度
1 19.72 3.330 3.338 0.145 0 0.133 0
2 19.20 3.338 3.752 0.133 0 0.152 0
3 16.80 3.752 4.103 0.152 0 0.173 5
4 16.80 4.103 4.051 0.173 5 0.199 5
5 14.40 4.051 4.070 0.199 5 0.348 0

图13

风力发电机结构"

图14

风力发电机有限元模型"

图15

雷暴冲击风荷载"

图16

风机顶部动力响应"

图17

塔筒顶部动力响应"

图18

塔筒底部剪力及弯矩"

图19

沿塔筒高度不同响应参数分布"

图20

叶片顶部加速度、速度和位移"

图21

塔筒顶部加速度、速度和位移"

图22

塔筒底端剪力、弯矩和应力"

图23

风力机停摆角示意图"

图24

风机停摆角变化对叶片加速度和位移的影响"

图25

风力机响应频域特性曲线"

表2

前8阶振型及频率"

阶数 频率 振型描述
1 0.229 塔筒一阶侧向弯曲及叶片摆振
2 0.234 塔筒一阶正向弯曲及叶片挥舞
3 0.813 叶片挥舞
4 1.109 塔筒二阶侧向弯曲及叶片摆振
5 1.372 塔筒二阶正向弯曲及叶片挥舞
6 3.484 塔筒三阶侧向弯曲及叶片摆振
7 3.637 塔筒三阶正向弯曲及叶片挥舞
8 4.439 叶片摆振
1 FUJITA T T. The downburst: microburst and macroburst: report of projects NIMROD and JAWS[R]. Chicago, USA: University of Chicago, 1985.
2 OSEGUERA R M, BOWLES R L. A simple analytic 3-dimensional downburst model based on boundary layer stagnation flow[R]. [S. l. ]: Langley Research Center, 1988.
3 VICROY D D . Assessment of microburst models for downdraft estimation[J]. Journal of Aircraft, 1992, 29, 1043- 1048.
doi: 10.2514/3.46282
4 WOOD G S , KWOK K C S , MOTTERAM N A , et al. Physical and numerical modelling of thunderstorm downbursts[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89 (6): 535- 552.
doi: 10.1016/S0167-6105(00)00090-8
5 HOLMES J D , OLIVER S E . An empirical model of a downburst[J]. Engineering Structures, 2000, 22 (9): 1167- 1172.
doi: 10.1016/S0141-0296(99)00058-9
6 瞿伟廉, 吉柏锋, 王锦文. 基于改进的OBV模型的下击暴流风荷载模拟[J]. 地震工程与工程振动, 2009, 29 (1): 146- 152.
QU Weilian , JI Baifeng , WANG Jinwen . Simulation of downburst wind load based on improved OBV model[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009, 29 (1): 146- 152.
7 张文福, 谢丹, 刘迎春, 等. 下击暴流空间相关性风场模拟[J]. 振动与冲击, 2013, 32 (10): 12- 16.
ZHANG Wenfu , XIE Dan , LIU Yingchun , et al. Simulation of spatial correlation wind field of downburst[J]. Vibration and Shock, 2013, 32 (10): 12- 16.
8 李锦华, 吴春鹏, 陈水生. 下击暴流非平稳脉动风速数值模拟[J]. 振动与冲击, 2014, 33 (14): 54- 60.
LI Jinhua , WU Chunpeng , CHEN Shuisheng . Numerical simulation of unsteady fluctuating wind speed of downburst[J]. Vibration and Shock, 2014, 33 (14): 54- 60.
9 赵勇, 孙启刚, 宋卓彦, 等. 移动下击暴流作用下输电塔的风振响应及荷载评估方法[J]. 振动与冲击, 2021, 40 (12): 179- 188.
ZHAO Yong , SUN Qigang , SONG Zhuoyan , et al. Wind vibration response and load evaluation method of transmission tower under moving downburst[J]. Vibration and Shock, 2021, 40 (12): 179- 188.
10 罗啸宇, 谈正铠, 吴晓波, 等. 考虑地表粗糙影响的下击暴流数值仿真[J]. 土木工程与管理学报, 2018, 35 (5): 110- 114.
LUO Xiaoyu , TAN Zhengkai , WU Xiaobo , et al. Numerical simulation of downburst considering the influence of surface roughness[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2018, 35 (5): 110- 114.
11 汪之松, 陈圆圆, 方智远, 等. 下击暴流作用下低矮建筑风荷载特性试验[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2019, 47 (9): 120- 126.
WANG Zhisong , CHEN Yuanyuan , FANG Zhiyuan , et al. Wind load characteristics test of low rise buildings under downburst[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2019, 47 (9): 120- 126.
12 吉柏锋, 柳广义, 尹旭, 等. 地面粗糙度对下击暴流风剖面特征影响[J]. 空气动力学学报, 2019, 37 (3): 393- 399.
JI Baifeng , LIU Guangyi , YIN Xu , et al. Effect of ground roughness on downburst wind profile characteristics[J]. Journal of Aerodynamics, 2019, 37 (3): 393- 399.
13 李艺, 黄国庆, 程旭, 等. 移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟[J]. 工程力学, 2020, 37 (3): 176- 187.
LI Yi , HUANG Guoqing , CHENG Xu , et al. Numerical simulation of moving downburst and its wind load on high-rise buildings[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37 (3): 176- 187.
14 赵丽娜. 移动型下击暴流风场及对高层建筑作用的数值模拟[D]. 成都: 西南交通大学, 2018.
ZHAO Lina. Numerical simulation of moving downburst wind field and its effect on high-rise buildings[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2018.
15 刘春城, 查传磊, 孙红运, 等. 下击暴流作用下风力发电机表面风压特性[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41 (17): 5991- 6002.
LIU Chuncheng , ZHA Chuanlei , SUN Hongyun , et al. Surface wind pressure characteristics of wind turbines under downburst[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2021, 41 (17): 5991- 6002.
16 武彦君. 平地和坡地地形下移动下击暴流风场特性研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2018.
WU Yanjun. Study on wind field characteristics of moving downburst under flat and sloping terrain[D]. Chongqing: Chongqing University, 2018.
17 汪之松, 江鹏, 武彦君, 等. 地表粗糙度对高层建筑下击暴流风荷载特性影响的试验研究[J]. 振动与冲击, 2019, 38 (9): 184- 191.
WANG Zhisong , JIANG Peng , WU Yanjun , et al. Experimental study on the influence of surface roughness on downburst wind load characteristics of high-rise buildings[J]. Vibration and Impact, 2019, 38 (9): 184- 191.
18 方智远, 李正良, 汪之松. 风暴移动对下击暴流风场特性的影响研究[J]. 建筑结构学报, 2019, 40 (6): 166- 174.
FANG Zhiyuan , LI Zhengliang , WANG Zhisong . Study on the influence of storm movement on downburst wind field characteristics[J]. Journal of Building Structure, 2019, 40 (6): 166- 174.
19 陈超豪, 王子茹, 霍林生, 等. 实测下击暴流风场特性分析[J]. 土木与环境工程学报(中英文), 2022, 44 (1): 126- 132.
CHEN Chaohao , WANG Ziru , HUO Linsheng , et al. Analysis of measured downburst wind field characteristics[J]. Journal of Civil and Environmental Engineering (Chinese and English), 2022, 44 (1): 126- 132.
20 BAZEOS N , HATZIGEORGIOU G D , HONDROS I D , et al. Static, seismic and stability analyses of a prototype wind turbine steel tower[J]. Engineering Structures, 2002, (24): 1015- 1025.
21 陈小波, 李静, 陈健云. 考虑叶片离心刚化效应的风力机塔架风振反应分析[J]. 工程力学, 2010, 27 (1): 240- 245.
CHEN Xiaobo , LI Jing , CHEN Jianyun . Wind induced vibration response analysis of wind turbine tower considering centrifugal stiffening effect of blades[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27 (1): 240- 245.
22 黄帅, 宋波, 贺文山, 等. 考虑脉动风影响的风电塔风致动力响应数值分析与现场监测比较[J]. 土木工程学报, 2012, 45 (1): 102- 106.
HUANG Shuai , SONG Bo , HE Wenshan , et al. Numerical analysis of wind-induced dynamic response of wind power tower considering the impact of fluctuating wind and comparison of field monitoring[J]. Journal of Civil Engineering, 2012, 45 (1): 102- 106.
23 CHEN L , LETCHFORD C W . A deterministic-stochastic hybrid model of downbursts and its impact on a cantilevered structure[J]. Engineering Structures, 2004, 26 (5): 619- 629.
doi: 10.1016/j.engstruct.2003.12.009
24 CHAY M T , ALBERMANI F , WILSON R . Numerical and analytical simulation of downburst wind loads[J]. Engineering Structures, 2006, 28 (2): 240- 254.
doi: 10.1016/j.engstruct.2005.07.007
25 武岳, 孙瑛, 郑朝荣, 等. 风工程与结构抗风设计[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2014.
26 赵文涛, 曹平周, 陈建锋. 风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究[J]. 特种结构, 2010, 27 (4): 73- 76.
ZHAO Wentao , CAO Pingzhou , CHEN Jianfeng . Research on load calculation method and load combination of wind power steel tower[J]. Special Structures, 2010, 27 (4): 73- 76.
27 中国工程建设标准化协会. 建筑结构荷载规范: GB 50009—2012[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.
[1] 翟彬,张思祥,刘凯铭,田利,张来仪. 输电线路多分裂导线脱冰动力响应分析[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(4): 111-117.
[2] 辛燕,李景才,任旦元,周民强. 基于IEC信息分类的风电机组可利用率分析与提升方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(6): 100-107.
[3] 谢才科,姜自民,刘玉田,王春义. 海上风电机组低电压穿越远端检测[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(4): 110-116.
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Cited
  Shared   
  Discussed   
[1] 何东之, 张吉沣, 赵鹏飞. 不确定性传播算法的MapReduce并行化实现[J]. 山东大学学报(工学版), 0, (): 22 -28 .
[2] 刘云,邱晓国 . 内插TOC系数法测定水体中COD研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(4): 108 -117 .
[3] 顿月芹 闵越 袁建生. 阵列侧向测井正演响应的特性分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2010, 40(1): 121 -125 .
[4] 吴俊飞,王威强,胡德栋,崔玉良, . 平阴尿塔塔体爆炸能量分析与计算[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 80 -83 .
[5] 田伟,乔谊正,马志强 . 基于DWT的二次特征提取脱机中文签名鉴定[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(3): 55 -59 .
[6] 林彦,魏东 . 铸钢空心球管节点的破坏机理分析与承载力影响因素[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(3): 103 -107 .
[7] 郑桂兰,马庆雷,潘秀华 . 旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计方法研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(4): 93 -97 .
[8] 杨国辉1,孙晓瑜1,2,椿范立1. 应用沸石胶囊催化剂制备生物汽油(英文)[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 92 -97 .
[9] 赵伟,艾洪奇. pH对Aβ42小纤维的结构影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 134 -138 .
[10] 钟倩倩,岳钦艳*,李倩,李颖,许醒,高宝玉. 改性麦草秸秆对活性艳红的吸附动力学研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2011, 41(1): 133 -139 .
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