海洋风力电机支撑结构在风机故障状态下的动力响应研究

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1、第42卷第6期船海工程Vo1．42No．62013年l2月SHIP&0CEANENGINEERINGDec．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．06．033海洋风力电机支撑结构在风机故障状态下的动力响应研究朱云，杨和振，何炎平(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点实验室，上海200240)摘要：通过控制叶片的行为模拟风机故障状态，采用广义动态尾迹理论获得叶片的气动力载荷并将其加载到风机支撑结构顶部，最后获得故障情况下风机支撑结构危险截面的等效应力、弯曲应力和塔顶的位移等时程曲线。分析结果显示，风机故障情况将在短时间内急剧增

2、大结构的动力响应。研究表明，应尽量减小故障情况对支撑结构造成的载荷影响，避免结构破坏。关键词：海洋风电支撑结构；广义动态尾迹理论；故障情况；动力响应中图分类号：U665文献标志码：A文章编号：1671-7953(2013)06-0131-05对于兆瓦级海上风机，其支撑结构的成本占上海洋风机故障状态下支撑结构安全性影响问题整个设备成本的40％左右，而运行与维修成本是的研究尚未得到关注，而风机许多的故障情况都陆上风电系统的2～3倍。因此，在设计过程中保将导致结构较大的响应，接近支撑结构的极限状证风机支撑结构安全性显得极为重要。海上态，因而具有重要的研究意义。风场环境恶劣，大型风电场

3、的控制形式复杂，外部为此，本文首先建立了海上三脚架固定式风和内部条件都有可能造成风机在发电过程中发生机的有限元模型，选取了5MW风机和叶片的模故障。这其中的一些故障情况会在短时间内大大型，并根据IEC标准建立了风场。然后利用广义增加支撑结构受到的载荷，严重的甚至会造成其动态尾迹理论和保护控制形式得到气动力载荷。失稳和破坏J。由于海上风场内的风机数量众最后选择海洋环境，通过联合数值计算，获得故障多，故障概率的叠加理应受到设计者的重视。因情况下海上风机支撑结构的动力响应。此，需要研究风机的故障情况，并联合浪流作用，1基于GDW理论的风机载荷综合分析结构的动力响应，从而获得更可靠的数

4、据，为支撑结构的安全性设计提供更加准确的依GDW即广义动态尾迹理论j，与经典的叶素据。动量理论相比，具有两个主要优点：①能够体现动IEC61400—1认证标准指定了一些必要的态尾迹的时间滞后效应，该效应能使发电机功率风机设计需求j，其中明确指出需要将故障情况的变化更加接近于真实变化；②轮毂平面的诱导下的紧急刹车和保护控制措施所造成的负荷纳入速度由一系列的一阶微分方程求得。本文中的控风机设计过程之中。但是具体采用什么样的制动制类型均涉及到叶片桨距角的动态变化，因而发方式、采取什么样的保护控制，以及如何计算和获电机功率的大幅度变化较为频繁，风机控制形式得故障情况下的负荷，甚至有哪些

5、指定的故障情是为稳定发电机功率的稳定和安全而设定的。故况，认证中并没有真正解决这些问题。目前对以优点①将使得整个控制过程更加接近于真实情况，即能够获得更加准确的气动力载荷；优点②使收稿日期：2013—05—23气动力计算避开部分迭代环节，从而能够适应更修回日期：2013—06—14多的流动状态、处理完全非线性的湍流问题以及基金项目：国家自然科学基金(51009093)；国家自然科学重点基金资助项目(50739004)人流流长的时空变化，对于解决风力机偏航以及第一作者简介：朱云(1989一)，男，硕士生非定常尾迹动力学问题更为有效。研究方向：海洋工程结构分析研究广义动态尾迹理论的

6、基础是拉普拉斯方程的E-mail：shinvzuo@sjtu．edu．cn势流解，利用该解得到的轮毂平面的压力分布如131第6期船海工程第42卷F。分量的阶跃响应相互叠加得到()=A。一∑：A／exp(一t／T1)(3)p(v，71,)∑∑()()×[((；)COS(m)+(()sin(m))](1)()=∑：Alexp(一t／Tj)(4)式中：、玑——椭圆坐标；式中：和(t)——阶跃响应各分量；P(，叼，)——压力分布；A。，⋯，——迟滞常数；￡——时间；()——归一化的第一类勒让德函数；，，——特征时间参数。——无因次的压力系数。该模型有三种状态，对应动态失速状态的解随后对

7、控制方程进行无量纲化处理并对压力如下。场进行线性叠加处理，最后得到GDW模型控制CL(t)=CⅣ(t)cos+Cc(t)sina(5)方程的一般表达式。CD(t)：CⅣ(t)sina—Cc(t)c0s+CDo(6)=+L-1=P(2)式中：，C￡(￡)，C。(t)，CⅣ(t)，Cc(t)和CD。——一攻式中：肛一质量矩阵；角、升力系数、阻力系数、法向力系——影响系数矩阵；数、弦向力系数和黏性阻力系数。P——风压力。2海上风机整体结构模型动态失速常采用Beddoes—Leishman作为其理论