在役兆瓦级风电机组结构动力性能研究

作     者：张天刚 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王海军;许赠金

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：风电机组 塔架 流固耦合 疲劳分析 瞬态动力学 

摘      要：如今能源问题日益严峻,而对环保的诉求呼声也日益增大。在这种多种因素汇集的背景下,作为优秀清洁能源的一种,风能的发展前景逐渐被我们所重视。然而,在大风电产业兴起的同时,其安全方面的问题也不可忽视。故而对现行风电机组进行建模分析,模拟其真实工况研究其受力性能对于机组的结构安全与工作效率有着重大意义。本文以现有实际在役风电机组为原型进行结构设计,依据现行设计规范与理论基础对结构强度进行校核。并基于ANSYS Workbench多物理仿真平台,应用FLUENT软件对实际工况中的风场环境进行模拟,考虑流固耦合作用,对风电机组模型进行稳态分析,并对结构各部分进行针对性研究。随后应用UDF建立变风速模型,研究风机结构在变风速条件下的瞬态动力学响应。得到的主要结论如下:(1)在考虑预紧力与转速等因素的情况下,通过稳态的流固耦合分析研究其在不同工况下的受力状态,研究其应力与位移分布状况,并对其强度进行校核。该结构极限状态下最大应力值为248MPa,最大位移为0.617m,均设计满足安全要求并有充裕的安全余量。结果表明该设计下,结构位移较小,具有优秀的抵抗变形能力。(2)取叶片不同转速情况下进行分析研究其受力状态,根据分析结果数据进行绘制曲线并拟合函数,结果表明,随着转速的提高,风机扫掠面积将会逐渐降低。通过曲线反应风机叶片性能,并以曲线合理推测风机的适用转速,提高风机效率。同时,分析转速变化对结构的影响也说明了在模拟分析中,转速条件也是一项重要影响因素。(3)依据塔架模态分析反应塔架振动频率与模式,在考虑瞬态流固耦合作用下,对结构进行动力学分析,结果表明结构在强度及变形方面的风振响应满足设计要求,同时也展示了结构在变风速情况下的应力变化规律与在稳态情况下的不同。风机结构在变风速情况下,虽然应力水平较低,但其位移变化高于稳态情况,其风险更高。证明在实际工程中更需要结合不同风况进行判断。(4)依据风机实际破坏形式与分析结果,展现了螺栓应力分布状态,且位于迎风向的危险位置螺栓强度满足设计要求。且经疲劳强度校核与疲劳寿命预测分析,螺栓寿命最低为4.539×10次循环,能够在20年使用年限中安全运行,螺栓满足安全需求。通过结果可以判断螺栓实际受力形式以及应力分布状态,对工程设计提供参考,对实际工程中的风机维护也提供了一定的指导意义。