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风力发电塔风振响应及抗风设计方法研究

张笑石  
【摘要】:21世纪以来,随着全球能源日益紧张和温室效应日益加剧,世界各国都积极推进清洁能源的发展,我国风电产业顺应世界新形势高速发展,现装机容量已位列全球首位。为实现“碳达峰”和”碳中和”的宏伟目标,我国风电规模还将进一步扩大。近年来极端天气频发,对风电行业带来很大挑战。风力发电塔是实现电能转化的基础,保证其安全稳定的运行对风电产业的发展有着重要意义。风力发电塔是典型的薄壁高耸结构,在自然环境中受风荷载作用最为严重。自然界的风是一个非平稳随机过程,风速和风向都随时间变化,这也导致风力发电塔实际风振响应比较复杂。本文以某一已建成的锥台式风力发电塔为研究对象,对其进行等效静力分析,研究破坏模式和最不利工况。通过模拟风速时程得到风荷载时程,研究风力发电塔自然环境中的风振响应。根据破坏模式提出有针对性的抗风设计方法,提高风力发电塔承载风荷载的能力。本文具体研究工作如下:(1)应用ANSYS软件对风力发电塔进行有限元分析,施加荷载判断最不利工况。采用理论计算与有限元模拟相结合的方式,从强度、挠度和稳定性三个方面研究风力发电塔的破坏模式并验证模型的准确性。分析结果表明:风从正后方垂直吹向风力发电塔为最不利工况,该风力发电塔破坏模式为塑性失稳破坏,破坏位置位于塔架第二、三塔段交界位置附近。(2)开展了风力发电塔风振响应时程分析。首先对风力发电塔进行模态分析,给出其动力特性。在此基础上基于Davenport风速谱和线性滤波法,考虑空间相关系数模拟瞬时风速时程,将风速时程转化为风荷载时程,分析风力发电塔风振响应,通过非线性分析观察塔架破坏过程。研究表明:由于脉动风的影响,动力分析时最大应力、塔顶位移等都要大于静力分析的结果,且随着风速的增大,风振响应相差愈发明显,风力发电塔架在风荷载作用下先发生局部屈服破坏,材料力学性能改变,塑性应变在风荷载作用下不断增大直至塔架发生失稳破坏,风力发电塔倒塌。(3)针对风力发电塔破坏模式提出了外设支撑钢管杆和内设加劲肋同时外设支撑钢管杆的两种抗风设计方法,初步判断可行性。分别用量子粒子群算法和Workbench对设计方法进行优化,评估优化后两种设计方法的抗风效果。研究结果表明:两种抗风设计均可提高风力发电的抗风性能,且风速越大抗风效果越明显,但内设加劲肋同时外设支撑钢管杆的抗风设计方案对提升抗风承载力效果更好。30m/s风速下采用外设钢管杆支撑抗风设计最大应力减小19.27%,塔顶最大水平位移减小35.04%;采用内外联合抗风设计最大应力减小33.03%,塔顶最大水平位移减小46.11%。内外联合抗风设计可以保证风力发电塔结构在50m/s风速下安全稳定。


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