（化工过程机械专业论文）多转子风力发电系统力学性能研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘摘 要要 多转子风力发电系统能够很好地解决大型风力发电系统安装运输等问题， 尤其能够减小风剪切给系统带来的影响。本文首先对已经搭建的总功率为 500w 的 10 转子风力发电系统和 500w 的单转子风力发电系统在风剪切下的叶 片载荷变化进行了详细比较，得到了多转子风力发电系统的优势。 论文的主要内容还包括： 建立简化的叶片载荷计算模型， 研究叶片方位角、 风轮半径、风力机安装高度、风剪切系数和风速对叶片载荷的影响；设计了总 功率为 6kw 的 3 转子风力发电系统塔架；并用 ansys 软件对它的力学性能进 行了研究，包括：静力学，塔架模态分析，几何参数对塔架固有频率的影响， 塔架多振源的振动特性及其地震动响应。 研究结果表明：风轮半径越长、风力机安装高度越低、风剪切系数越大， 叶片旋转过程中载荷变化越大，用多个小型风力机取代单个大型风力机可以有 效减小风剪切的影响；得到了塔架在暴风工况和额定工况下塔架的应力云图， 找出了塔架的薄弱点；计算出了塔架的前 9 阶固有频率和振型，并通过分析得 到主塔架外径越大，壁厚越厚，横杆塔架安装高度越低，风轮质量越小，塔架 的前 2 阶固有频率越大； 运用 indrajit chowdhury 的方法求得结构阻尼； 通过坎 贝尔图验证了本文中设计的塔架在额定工况下工作时不会发生共振；得到了由 于离心力作用可能诱发塔架共振的风轮工作频率，并对这些工况进行了瞬态分 析，证明在这些工况下，结构产生的应力也不会超过材料的需用应力；获得了 塔架在 el centro 地震波作用下的瞬态响应。 关键字：关键字：多转子风力发电系统，风剪切，静力分析，模态分析，振动研 究，地震动响应 abstract multi-rotor wind energy turbine could solve a lot of problems of the large wind energy system, such as installation, transport and so on, especially reduced the loads variation in the wind shear. in this paper, the multi-rotor wind power system was proposed and built, which includes ten horizontal axis wind turbines with 50w each. compared with single-rotor wind power turbine, the advantage of the multi-rotor wind power turbine is found in the wind shear. the studies mainly also include: simplified formula of blade load is established based on the bem, the effects of blade azimuth, blade length, installation height of wind turbine, wind shear coefficient and wind speed on blade load were discussed. 3 rotor wind power turbine with 2kw is designed. mechanical properties are studied by ansys software, including static of the tower，modal analysis of tower, the relationship between towers natural frequency and geometric parameter of the tower, vibration property and the seismic response of the tower. the results indicated that the load during the turbine rotating changes more with the longer blade, the lower installation height of the wind turbine, the larger wind shear coefficient. the effect of the wind shear on blade load can be reduced substantially with many small wind turbines instead of the large wind turbine. the towers stress nephograms where the dangerous area is easy to find in storm wind condition and working condition are plotted. the first nine natural frequencies and mode shapes are obtained. the results shows that the first two natural frequencies change more with the larger and thicker outer diameter of the main tower, the lower installation of the horizontal tower, the smaller turbine mass. the campbell diagram showed that the turbine would not induce the tower resonance when it operated at the rated condition. also, the turbine frequency that could induce tower resonance was achieved from the campbell diagram. the structural damping ratio was calculated based on indrajit chowdhurys method. then, the transient analysis of the tower was made when it was applied constant gravitational load and wind load, and centrifugal alternating load, as well as considering its calculated structural damping ratio. finally, the dynamic response characteristics and the seismic response in el centro seismic wave of the tower were achieved. the results shows the tower could be save in those work condition. key words: multi-rotor wind power turbine, wind shear, static analysis, modal analysis, vibration analysis, seismic response 目 录 i 目 录 目 录 . i 第一章 文献综述 . 1 1.1 风力发电研究背景. 1 1.2 多转子风力发电系统研究进展 . 4 1.3 风力发电塔架国内外研究进展 . 8 1.3.1 塔架的分类 . 8 1.3.2 塔架材料的选择 . 10 1.3.3 塔架固有频率计算和阻尼比识别 . 11 1.3.4 塔架载荷计算 . 11 1.3.5 塔架疲劳寿命计算 . 12 1.3.6 塔架屈曲分析 . 13 1.3.7 地震动响应 . 14 1.3.8 塔架优化设计 . 14 1.3.9 桅式塔架动力学特性研究 . 15 1.4 本文的主要研究内容及意义 . 15 第二章 风剪切与叶片载荷的关系 . 17 2.1 mr-hawt 介绍 . 17 2.1.1 mr- hawt 结构介绍. 17 2.1.2 系统优点. 17 2.1.3 风剪切测试装置介绍 . 18 2.2 实验结果与讨论 . 19 2.2.1 风剪切 . 19 2.2.2 风剪切测试实验结果 . 19 2.2.3 风剪切对叶片的影响 . 20 2.3 风剪切参数与风轮半径经验关联式 . 27 2.4 结论. 30 第三章 6kw 三转子风电塔架设计与静力学分析 . 31 3.1 mr-hawt 风机参数与载荷 . 31 3.1.1 2kw 风机参数. 31 3.1.2 风力发电系统载荷 . 31 目 录 ii 3.2 系统结构参数 . 33 3.3 有限元模型的建立. 34 3.4 静力分析 . 35 3.4.1 暴风工况下塔架静力分析 . 35 3.4.2 额定风速工况下塔架静力分析 . 38 3.5 结论. 40 第四章 6kw 三转子风电塔架动力学特性研究 . 42 4.1 塔架模态分析 . 42 4.1.1 塔架有限元动力学特征方程 . 42 4.1.2 塔架模态分析 . 44 4.2 塔架固有频率的影响因素 . 46 4.2.1 主塔外径. 47 4.2.2 主塔壁厚. 47 4.2.3 横杆塔架安装高度 . 48 4.2.4 风机质量. 49 4.3 瑞利阻尼计算 . 49 4.4 离心力作用下塔架各工况瞬态分析 . 51 4.5 塔架地震动分析 . 54 4.5.1 el centro 地震波介绍 . 54 4.5.2 瞬态动力分析法简介 . 56 4.5.3 mr-hawt 塔架地震动响应 . 57 4.6 结论. 59 第五章 结论与展望 . 60 5.1 结论. 60 5.2 创新点 . 60 5.3 研究工作展望 . 61 参考文献 . 62 发表论文和参加科研情况说明 . 67 致 谢 . 68 第一章 文献综述 1 第一章 文献综述 1.1 风力发电研究背景 与众多新能源相比，风能是被世界公认的除水能之外最具商业化价值的能 源。人类在 3000 年前已经开始利用风车提水和磨碎粮食。13 世纪，廉价的化 石燃料迫使风车退出了人们的视线。 工业革命之后，煤炭，石油和天然气等传统能源为社会经济发展做出了不 可泯灭的贡献，但随着经济的迅猛发展，各领域对能源的需求日益增长，能源 危机和环境问题逐渐凸显1。 大约在 120 年前， 人类开始了利用风能发电， 1887 年 prof. james blyth 建造了第一个用风车来发电的装置，并且于 1888 年对该装 置改进后，首次在大西洋上实现了海上风力发电。1920 年，kurt bilau 利用飞 机翼型制作成了风力发电叶片，由此揭开了利用研究比较成熟的飞机翼型制作 风力发电机叶片的序幕。20 世纪 20 和 30 年代，美国广泛发展小型风力发电机 （rda，但 p1 节点产生的 von mises 应力大小工况顺序为 frda ， p2 节点产生的 von mises 应力大小工况顺序为 adrf。原因为 a，d，f 由于风轮旋转频率分 别和塔架的前三阶固有频率相等，引起了塔架的共振，塔架第一二阶共振时频 率小，振幅大，产生了较大的应力，且塔架第一阶共振方向为绕 y 轴转动。第 三阶共振时频率大，振幅小，产生的应力较小。 3）由图 4-8c，d 可知：横杆塔架与主塔架的相交区域，由于结构突变，产 生了较大的应力。但 p3，p4 节点产生的 von mises 应力大小工况顺序为 frda。共振时，虽然横杆塔架随塔架振动产生了很大的位移，但产生的应 变较小，所以 a 和 d 工况产生的应力较小。 4）该主塔架为横杆塔架结构，所以根部产生较大的应力。当外界载荷引起 塔架共振时，与塔架其它位置相比，横杆塔架与主塔架的交界区域和主塔架根 部产生了较大的应力，更容易发生疲劳破坏。 0.00.51.01.52.02.53.03.5 0 5 10 15 20 25 a.p1点瞬态响应 f1 f2 r f3 von mises应力/mpa 时间/s 0.00.51.01.52.02.53.03.5 0 3 6 9 12 15 b.p2点瞬态响应 f1 f2 r f3 von mises应力/mpa 时间/s 0.00.51.01.52.02.53.03.5 0 2 4 6 8 10 f1 f2 r f3 von mises应力/mpa 时间/s c.p3点瞬态响应 0.00.51.01.52.02.53.03.5 0 5 10 15 20 25 30 35 d.p4点瞬态响应 f1 f2 r f3 von mises应力/mpa 时间/s 第四章 6kw 三转子风电塔架动力学特性研究 54 图 4-8 主梁和悬臂典型位置瞬态响应 fig. 4-8 typical positions transient response of the main beam and cantilever 4.5 塔架地震动分析 地震是一种自然灾害，是地球能量突然释放的过程64。中国平均每年发生 5 级以上的地震多达 2030 次。 5.12 汶川地震造成的直接经济损失高达 8452 亿 rmb，间接损失不可估量，死亡人数 69227，失踪 17923 人。 近年来，受风电场场地的限制，许多风力发电系统被安装在了可能发生强 烈地震的区域。eurocode 8 规范中规定了确保在地震条件下风机稳定性的准则 65。为了计算地震载荷，风力发电系统经常采用集中质量模型66。模型中塔架 被简化为一系列的通过弹簧连接的集中质量，风机质量与机舱质量被简化为附 加质量施加到塔顶。通过这个模型可以计算得到塔架的固有频率，并且可以得 到单自由度（sdof）地震响应谱67, 68。但这种方法的主要缺点是对有些部件 所受的载荷简化的太多，计算结果不够准确69。因此，本文采用瞬态动力分析 法研究 mr-hawt 塔架在 el centro 地震波下的响应， 并与功率为 6kw 的单转 子风力发电系统进行了详细对比，表 3-1 列出了其系统参数。 4.5.1 el centro 地震波介绍 el centro 地震波是第一次被人类记录全过程的地震波， 对人类对地震的研 究具有重大意义，记录地点的地震烈度为 8 度，周围建筑物破坏非常严重。图 4-9 为 el centro 三个方向的地震波， 为便于比较三个方向地震波的大小将其统 一绘制于图 4-10(a)中，通过分析可知，它的强震持续时间高达 30s，加速度最 大值为 3410mm/s2。因此，本文在瞬态分析中时间步长（两次输入加速度值的 时间间隔）设为 0.02s，计算时间为 030s。 第四章 6kw 三转子风电塔架动力学特性研究 55 0102030405060 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 加速度/(mm/s2) 时间/s sn a.南北方向（x）地震波 0102030405060 -2000 -1000 0 1000 2000 加速度/(mm/s2) 时间/s we b.东西方向（y）地震波 0102030405060 -2000 -1000 0 1000 2000 加速度/(mm/s2) 时间/s up and down c.上下方向（z）地震波 图 4-9 el centro 地震波 fig. 4-9 el centro seismic wave 第四章 6kw 三转子风电塔架动力学特性研究 56 4.5.2 瞬态动力分析法简介 瞬态动力分析方法与静力学分析方法的不同之处在于：该方法中模型的初 始条件边界条件与时间有关。 mr-hawt 塔架静力学分析中加速度恒为 9.8m/s2, 地震动分析中塔架的加速度是时间的函数。ansys 软件中用于计算瞬态分析 的方法有三种： 1.full （完全） 方法； 2.reduced （缩减） 方法； 3. mode superposition （模态叠加）方法。 第一种方法可以考虑到材料的塑性，结构的大应变与大变形，结构的几何 非线性等，因此它的适用范围最广，功能最强大。但它在求解时，不对矩阵进 行缩减，采用完整的系统矩阵，经过一次计算就可以同时得到系统的应力与位 移，后处理容易。而且该方法可以将载荷施加到实体上，也可以施加到模型划 分好网格后产生的节点上，使用很方便。但它没有应用任何简化计算的方法， 所以存在计算量大，消耗计算机资源多的缺点。所以它适用于计算结构简单， 网格较少的模型，随着计算机技术的发展，它的实用范围也逐渐被拓宽。 reduced 方法首先求解得到系统的主自由度位移，之后再将求解结果拓展 到其它的所有自由度上。该方法采用通过缩减矩阵法和主自由度的方法使得计 算量下降，从而减少计算时间。但该方法需要在主自由度位移的基础上继续处 理才能得到完整的结构位移和应力。由于简化计算的原因，该方法中载荷不能 加载到实体模型上，只能将其加载到用户定义的主自由度上，只允许加速度施 加到单元上，不允许其它单元载荷，操作比较繁琐；计算的时间步长为恒定， 非线性情况也只局限在点接触。 模态叠加法采用固定时间步长，先求解结构的振型，之后再将各个振型乘 以权重因子求和得到结构的响应。它是三种方法中计算工作量最小，计算时间 最短的。可以采用各阶阻尼比来考虑结构的阻尼。但它也只能计算简单的点点 接触的非线性问题，不能考虑初始位移，不能分析未固定和不连续的结构，因 此使用范围最小。 第四章 6kw 三转子风电塔架动力学特性研究 57 4.5.3 mr-hawt 塔架地震动响应 0102030405060 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 el-centro三个方向地震波 加速度/(mm/s2) 时间/s x y z a 051015202530 -200 -150 -100 -50 0 50 100 x y z 6kw单转子topp节点三个方向位移 位移/mm 时间/s b 051015202530 -1500 -1000 -500 0 500 1000 c 6kw单转子topp节点三个方向速度 速度/(mm/s) 时间/s x y z 051015202530 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 150006kw单转子topp节点三个方向的加速度 加速度/(mm/s2) 时间/s x y z d 051015202530 -80 -60 -40 -20 0 20 多转子系统topp节点三个方向位移 位移/mm 时间/s x y z e 051015202530 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 多转子系统topp节点三个方向的速度 速度/(mm/s) 时间/s x y z f 第四章 6kw 三转子风电塔架动力学特性研究 58 051015202530 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 多转子系统topp节点三个方向的加速度 加速度/(mm/s2) 时间/s x y z g 051015202530 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 多转子系统rightp节点三个方向的位移 位移/mm 时间/s x y z h 051015202530 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300多转子系统rightp节点三个方向的速度 加速度/(mm/s) 时间/s x y z i 051015202530 -10000 -7500 -5000 -2500 0 2500 5000 7500 多转子系统rightp节点三个方向的加速度 加速度/(mm/s2) 时间/s x y z j 图 4-10 典型位置塔架地震动响应 fig. 4-10 seismic response of towers typical points 瞬态分析求解完成后，可以得到塔架任意位置的响应，图 4-10 绘制了主塔 最顶端位置的节点和横杆塔架最右端位置的节点随时间变化的位移响应情况。 通过分析由图 4-10 可以知道在 el centro 地震波的作用下：为了方便描述将 6kw 单转子风力发电系统简称为 a 系统，mr-hawt 系统简称为 b 系统。 1） t=2.12s 时，el centro 地震波在 x 方向的加速度达到最大值 3417.6mm/s2； t=2.2s 时 a，b 系统顶端节点（简称 topp）在 x 方向才达到最 大值 82.9mm 和 16.7mm；t=2.06s 时，a 系统 topp 速度达到最大值 698mm/s， t=2.44 时，b 系统 topp 速度达到最大值 333.4mm/s；t=2.42s 时，a 系统 topp 加速度达到最大值 1591.9mm/s2，t=2.36s 时，b 系统 topp 加速度达到最大值 5750mm/s2；通过分析可以发现 a、b 系统产生最大的位移、速度和加速度响应 与输入的 el centro 地震波最大值不在同一时刻，原因为塔架和风机存在结构 阻尼，但是它们的间隔很小，原因为地震波在固体中的传导速度很大。 2）t=1.9s 时，el centro 地震波在 y 轴负方向的加速度达到最大值 1788mm/s2；与 1）类似，在 1.9s 附近 a、b 系统 topp 的位移、速度和加速度 也都达到了最大值。 但塔架在 y 方向的响应均小于在 x 方向的响应，原因为 x 第四章 6kw 三转子风电塔架动力学特性研究 59 方向的地震波最大加速度大于 y 方向的地震波最大加速度。 3）t=0.98s 时，el centro 地震波在 z 轴负方向的加速度达到最大值 2058mm/s2；但 a，b 系统塔架在 z 方向 topp 产生的位移和速度大小几乎都为 0，无法和其它两个方向比拟，其原因为地震发生时塔架底部与地面法兰联接， 运动受到阻碍，但塔架可以再在 x 与 y 方向自由移动。b 系统横杆塔架最右端 节点（rightp）在 z 方向产生的最大位移为 8.5mm，最大速度为 153mm/s，最 大加速度为 3192mm/s2，原因为该点在 z 方向可以自由运动。 4）对比图 4-10(b)、(e)、(h)，(c)、(f)、(i)和(d)、(g)、(j)可以发现，b 系统 的位移，速度和加速度响应的最大值与平均值均小于 a 系统。主要原因为：b 系统的风力发电机的重量要远小于 a 系统；b 系统为“十字形”塔架，a 系统 为一根悬臂梁； 通过以上分析可以发现本文中设计的下多转子风力发电系统的抗震性能优 于同功率的单转子风力发电系统。不考虑地面竖直位移情况下 a、b 系统在 x 和 y 方向产生的位移和速度响应大于 z 方向产生的位移和速度响应。 4.6 结论 通过 ansys 有限元分析软件， 对水平轴三转子风力发电塔架进行了模态、 瞬态动力学和地震动响应分析得出如下结论： 1）主塔外径越大，壁厚越厚，横杆塔架安装位置越低，mr-hawt 塔架 的刚度越大，固有频率越大。 2） 离网型小型风力发电机工作频率范围较宽， 单转子和多转子风力发电塔 架的固有频率很难偏离这个区域。设计塔架时应使塔架各阶固有频率远离风轮 额定工作频率，可有效减小塔架应力，增加塔架使用寿命。 3）mr-hawt 塔架主塔架根部和主塔架和横杆塔架交界区域产生较大的 应力，容易发生疲劳，设计时需要比其它部位的安全系数高。 4）mr-hawt 虽然有多个振源，但合理设计塔架，增加塔架的阻尼，共 振时，塔架产生的较小的应力，不会产生低周疲劳，增加塔架的疲劳寿命。 5）求得了功率为 6kw 单转子风力发电系统化与 mr-hawt 在 el centro 地震波作用下的响应，mr-haw 的抗震性能优于 6kw 单转子风力发电系统。 第五章 结论与展望 60 第五章 结论与展望 5.1 结论 1）通过对比总功率为 500w 的单转子风力发电系统和功率为 50w 的 10 个风轮多转子风力发电系统在风剪切下的叶片载荷，得到多转子风力发电系统 可以减小风剪切对系统载荷的影响。 2）获得经验公式：crh，风轮直径越大，风剪切系数越大，风轮 安装高度越低，叶片旋转过程中产生的载荷变化率越大。 3）mr-hawt 主塔架与横杆塔架交界部位所受的应力最大，是塔架的薄 弱点； 在同样的工作条件下， mr-hawt 主塔架根部应力小于 6kw 单转子风力 发电系统塔架的根部应力；因此对 mr-hawt 局部加强后的静力学性能优于 6kw 单转子风力发电系统塔架。 4）得到了 mr-hawt 塔架的固有频率的影响因素:主塔外径越大，壁厚越 厚，横杆塔架安装位置越低，塔架的刚度越大，固有频率越大；并求得塔架的 前九阶振型。 5） 对可能诱发塔架共振的工况进行了瞬态分析， 得到了这些工况下塔架各 个部位的响应情况。 6）得到了 mr-hawt 和 6kw 单转子风力发电系统在 el centro 地震波作 用下的响应，证明前者的抗震性能更好。 5.2 创新点 1） 本文为解决风力发电大型化产生的瓶颈问题， 提出在一个塔架上布置多 个风轮的风力发电系统，结构新颖，实用性高，具有很大的研究价值。 2） 获得了计算叶片在风剪切作用下的载荷计算关联式， 得到了多转子风力 发电系统塔架在额定工况与暴风工况下的应力云图，并得知系统塔架固有频率 的影响因素及其在叶片旋转离心力作用下的振动响应，最后计算了 mr-hawt 系统塔架在 el centro 地震波作用下的响应。 第五章 结论与展望 61 5.3 研究工作展望 mr-hawt 能够解决风剪切对风力发电的影响，突破风力发电大型化的瓶 颈，有效利用风能，增加风机使用寿命，具有很大的商业化价值。mr-hawt 主要有两个重要的问题需要解决：流场与塔架振动。本文主要通过理论和 ansys 软件模拟了叶片与塔架的静力学与动力学性能，要想让 mr-hawt 广 泛应用还需要对以下几个问题进行详细研究。 1) mr-hawt 的横向流场与纵向流场的分布规律，本文设计的系统风轮间 距较大，忽略了风轮之间的相互作用，要想提高风能的利用效率，必须在多风 轮作用下的流场规律有详细的了解后优化设计风轮间距。 2) 计算塔架固有频率时，本文只是通过有限元软件进行了计算，存在好多 理想化的条件。合理设计塔架的固有频率是预防和减小系统振动的有效手段， 因此，要想得到更加准确的固有频率与塔架振型需要结合实验建立更加详细的 有限元模型。 3）本文的 mr-hawt 塔架为简单的塔筒形刚性塔架，设计为桅式结构不 仅能够节省材料，而且可以有效地减小塔架的振动。 4）本文计算 mr-hawt 塔架的瞬态响应时将塔架底部简化为刚性约束， 如果考虑塔架地基及其周围土与地基的相互作用，可以计算得到更加准确的塔 架地震波响应。 参考文献 62 参考文献 1m. i. blanco, the economics of wind energy, renewable and sustainable