风力发电机组耦联系统结构动力学问题研究

于爽

摘要：随着社会经济的快速发展，对能源的需求逐渐扩大。风能作为地球上可持续发展的清洁能源之一，越来越受到人们的重视。目前，风能是最具商業化和利用率的可再生能源。作为一种新型的高耸塔式结构，了解其力学性能和工作特性非常重要，其结构安全稳定性关系到整个发电系统的正常运行。

关键词：风机耦联系统;结构动力学;研究

随着现代工业的发展，人类对能源的需求显著增加，而地球上现有的常规能源越来越稀缺。面对严峻的能源问题及化石燃料造成的污染与温室效应，人们对改变能源结构的要求越来越迫切，对新能源、清洁可再生能源的需求也越来越强烈。在国家节能减排和控制温室气体排放政策支持下，风能等新能源发展迅速。风力发电是一种较成熟的可再生能源发电技术，具有施工周期短、成本低、安装灵活、运维简单、无污染等特点，这些特点使风能成为新能源发展的主要方向。

一、风力发电概述

风力发电是把风的动能转化为电能。风能是一种清洁无污染可再生能源，主要利用风车抽水、磨面等。利用风力发电非常环保，而且风能蕴量大，因此越来越受到各国的重视。

二、风机结构动力响应机理

本文讨论了四种风速条件下风机耦联结构系统的动力响应规律。

1、叶片结构应力响应机理。风速是影响风机结构力学特性的主要因素。

①随着风速的增加，叶片最大应力在12m/s时逐渐增大。在低、额定风速时，最大应力集中在机舱前缘。当风速为25m/s和55m/s时，最大应力逐渐靠近叶片中间位置，在机舱和叶片上均有较大应力值。

②风速为8m/s和12m/s时，从截面分布上看，叶片部分应力值差值范围小，分布较为均匀。在风速25m/s和55m/s时，叶片结构应力值在翼缘处较小，但在叶片中部逐渐增大。

为具体分析叶片结构流固耦合作用下应力随时间的变化规律，选取叶尖、中间、根部对叶片应力时程曲线分析，结果为：

①在8m/s、12m/s、25m/s风速下，叶片结构应力受气动作用具有振动特性。随着时间的发展，结构应力幅值逐渐减小，最终趋于稳定。当风速为55m/s时，可发现在流固耦合早期，叶片在55m/s风速下发生振颤失稳，在材料阻尼影响下，叶片应力幅值在耦合后期逐渐减小。

②根据流固耦合作用下叶片不同部位应力时程变化，可发现叶尖处应力值最小。四种风速下，应力值在1.3MPa～1.5MPa之间，应力差距小。对于叶片中部和根部，应力值随风速增加波动较大。风速越大，应力值越大。当风速为55m/s时，叶片最大应力值为90MPa，叶片根部达到55MPa，表明在极端风速下叶片结构的颤振失稳值得重点研究。

2、塔筒结构应力响应机理

①在叶片荷载和自身风荷载作用下，塔筒应力随风速增加而增大。当极限风速为55m/s时，最大应力值达到201.4MPa。从应力分布趋势看，叶片作用下塔架承受扭矩作用，应力分布呈扭曲状态。

②在风速为8m/s时，结构主要受水平推力和剪力影响，塔筒较大应力值主要分布在塔筒底部门洞附近和机舱与塔筒间连接处。在正常风速12m/s时，塔筒主要受弯矩和水平推力影响，较大应力值主要分布在塔筒门附近和钢环接触部位。随着风速的增加，较大应力值范围逐渐增大。

塔筒结构顶部、中部、底部应力随时间变化规律发现：

①风机耦联结构在风荷载作用下开始摇摆，塔筒各部位主应力变化趋势也在顶机舱及叶片摇摆作用下发生波动，最终在阻尼作用下趋于稳定。从塔筒顶部结构应力变化趋势可知，在叶片结构气动作用下，塔筒顶部应力值在一定波动状态下表现出一定振动效应。对于塔筒中部，由于材料阻尼影响，振动进一步减弱，最终趋于稳定。

②随着风速的增加，应力值波动幅度较大。当风速为55m/s时，最大波动值达到55MPa，位于塔筒底部，塔筒中部为260MPa。风速越低，结构摆动效应越弱，相应应力值也越小。在极限风速下，由于叶片颤振失稳，塔顶结构应力值也存在较大的应力振动现象。

通过对风机耦合结构叶片与塔管应力分布规律研究发现：

①随着风速的增加，叶片结构在气动作用下应力幅值逐渐增大。在极端风速下，结构易发生颤振失稳，这对保证风机结构稳定运行非常不利。因此，要注意风机叶片结构在高风速下的气动效果。

②塔筒结构作为上部结构与基础结构的连接结构，由于高层结构特性，在风荷载作用下开始摇摆。同时，叶片结构气动效应对结构应力也有明显的影响，尤其对顶部结构。

三、风机结构位移响应规律

1、叶片结构位移响应机理。从风机叶片在风速12m/s下的结构位移分布规律可知：

①从叶片结构整体位移分布趋势来看，最大位移位于上部叶片顶部，呈后仰状态。随着风速的增加，叶片位移逐渐增大，最大达2.6m。叶片作为一个耦联结构体系，其位移变形与材料本身特性有关，并与整个结构体系相互作用。在风荷载作用下，叶片除自身变形外，还随塔筒结构发生变形，仅研究叶片或塔筒位移变化不能反映风机结构特性。

②从各叶片位移状态可知，最大位移位于上部叶片，最小位移位于下部两叶片之间的右侧叶片。由于叶片的非对称结构，在来流风载作用下，位移也发生非对称变化，左侧叶片变形更明显。随着来流风速的增加，两侧叶片最大位移值逐渐趋于相近。

2、塔筒结构位移响应机理。在流固耦合中，风场与叶片结构相互作用必然会导致叶片变形。通过对风机耦合结构叶片与塔筒位移分布规律研究发现：

①叶片结构变形时，塔筒的位移变形不可避免。考虑到风机的耦合结构，有必要分析风机结构在风场作用下的位移响应。叶片结构的气动特性必然会影响结构的安全稳定性，研究叶片结构在气动作用下的位移变化具有重要意义。

②在风荷载作用下，塔筒结构摆动位移逐渐减小，最终趋于稳定。叶片的气动特性对塔管的位移影响较小。

参考文献

[1]徐昕昀.风力发电机组耦联系统结构动力学问题研究[J].华北电力大学，2018（05）.