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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
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