楊 陽(yáng)，李 春，2，繆維跑，葉 舟，2，吳 攀

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

湍流風(fēng)場(chǎng)與地震激勵(lì)聯(lián)合作用下的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

楊 陽(yáng)1，李 春1，2，繆維跑1，葉 舟1，2，吳 攀3

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3.東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

湍流風(fēng)場(chǎng)與地震激勵(lì)是影響風(fēng)力機(jī)安全最主要的客觀因素。為分析風(fēng)力機(jī)在湍流風(fēng)場(chǎng)及地震激勵(lì)工況下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，以NREL實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為湍流風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)源，結(jié)合相干湍流及地震激勵(lì)，分別研究了多組工況下風(fēng)輪、塔架和地基的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：湍流風(fēng)場(chǎng)對(duì)葉片載荷、葉尖位移和塔尖載荷影響較大，而地震激勵(lì)影響可忽略不計(jì)；地震激勵(lì)對(duì)地基載荷、地基位移和塔尖位移影響較大，而湍流風(fēng)場(chǎng)影響可忽略不計(jì)；湍流風(fēng)場(chǎng)與地震激勵(lì)對(duì)塔基載荷均有一定影響，但后者影響更大，二者對(duì)風(fēng)輪推力和功率影響均較大，且處于相同量級(jí)；相干湍流與地震激勵(lì)對(duì)塔基載荷和塔尖位移影響相當(dāng)，可達(dá)穩(wěn)態(tài)風(fēng)的2倍～15倍。

風(fēng)力機(jī)；湍流風(fēng)場(chǎng)；地震激勵(lì)；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

隨著化石能源危機(jī)日益嚴(yán)重，風(fēng)能因其資源廣泛、利用技術(shù)成熟等特點(diǎn)逐漸受到各國(guó)重視，2013年世界新增裝機(jī)容量達(dá)到3 546萬(wàn)kW，其中我國(guó)占比45.4%［1］。我國(guó)風(fēng)能資源的整體特點(diǎn)是分布廣、不穩(wěn)定和能量密度相對(duì)較低［2］，風(fēng)能資源相對(duì)豐富的“三北”和沿海地區(qū)需要面對(duì)地貌復(fù)雜、氣流強(qiáng)烈的空間不均勻性和時(shí)域風(fēng)場(chǎng)非定常性等客觀因素的巨大挑戰(zhàn)，強(qiáng)風(fēng)條件和時(shí)有發(fā)生的地震均易對(duì)風(fēng)力機(jī)造成毀滅性的破壞。因此，對(duì)風(fēng)力機(jī)在強(qiáng)風(fēng)條件下和地震發(fā)生時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性研究已成為當(dāng)前整機(jī)仿真亟需解決的重要課題［3－4］。

風(fēng)載荷是風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí)受到的主要載荷，由于未考慮風(fēng)的強(qiáng)不均勻性及葉片氣動(dòng)彈性響應(yīng)，葉片在遠(yuǎn)未達(dá)到最大設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)就遭到臺(tái)風(fēng)破壞［5］。在氣動(dòng)載荷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，沒(méi)有考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)切變等極端風(fēng)況出現(xiàn)的頻率較高的實(shí)際情況，仍然使用的是大梁帽設(shè)計(jì)，屈曲無(wú)法滿足要求，從而使得風(fēng)力機(jī)葉片遭到破壞［6］。高風(fēng)速和風(fēng)速突變等風(fēng)況下的風(fēng)力機(jī)柔性部件動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究值得重視。

目前僅考慮風(fēng)載荷的研究較為多見(jiàn)，但湍流風(fēng)與地震耦合作用對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究較少。早期對(duì)地震的研究將風(fēng)輪和機(jī)艙簡(jiǎn)化為塔架頂部的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)［7－8］，由于這種簡(jiǎn)化的“堆聚質(zhì)量”模型無(wú)法獲知葉片等結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，不能評(píng)估葉片所受地震力和塔架－葉片耦合振動(dòng)效應(yīng)［9］。地震研究逐漸發(fā)展了更高計(jì)算精度的模型［10－11］，這些模型通過(guò)考慮氣動(dòng)力－地震力耦合計(jì)算風(fēng)力機(jī)各部件載荷和減少模型簡(jiǎn)化的方式仿真計(jì)算風(fēng)力機(jī)基本震動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明，尤其是對(duì)于現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真模擬，地震載荷、氣動(dòng)載荷和運(yùn)行載荷之間的耦合對(duì)風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性影響十分重要［10，12－15］。因此，以NREL5MW陸上風(fēng)力機(jī)［16］為計(jì)算樣機(jī)，耦合地震載荷、氣動(dòng)載荷和運(yùn)行傳動(dòng)載荷，建立風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型，以假設(shè)模態(tài)法計(jì)算風(fēng)力機(jī)主要柔性部件的彈性響應(yīng)。其中，氣動(dòng)載荷計(jì)算基于廣義動(dòng)態(tài)入流理論，根據(jù)模型樣機(jī)建立相應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域，在基礎(chǔ)流上添加相干結(jié)構(gòu)表示湍動(dòng)更強(qiáng)烈的擬序結(jié)構(gòu)；地震載荷則參考EICentro地震加速度譜，以響應(yīng)目標(biāo)譜的方式轉(zhuǎn)化為地震輸入激勵(lì)，結(jié)合DLL控制方法，對(duì)風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，分析風(fēng)力機(jī)各部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1 多體動(dòng)力學(xué)模型及坐標(biāo)系

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

李德源等［17］學(xué)者采用超級(jí)單元法離散柔性葉片，結(jié)合R－W多體動(dòng)力學(xué)分析了葉片在脈沖載荷作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及頻譜，何玉林等［18］通過(guò)假設(shè)模態(tài)法結(jié)合Kane方法建模，仿真計(jì)算風(fēng)力機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中，基于Kane方法建模的多體動(dòng)力學(xué)模型將風(fēng)力機(jī)視為具有N個(gè)自由度的剛體和柔體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。柔體結(jié)構(gòu)有葉片、傳動(dòng)軸和塔架等，剛性體有地基、輪轂等。

對(duì)于風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，確定了每個(gè)剛體的偏速度和偏角速度，以及相應(yīng)的廣義主動(dòng)力Fr和廣義慣性力之后，其動(dòng)力學(xué)方程［19－22］為：

即每個(gè)廣義速率對(duì)應(yīng)的廣義主動(dòng)力和廣義慣性力之和等于零。其中，廣義主動(dòng)力Fr由各部件的重力、氣動(dòng)力、彈性力和其它力組成：

將方程（2）和（3）代入方程（1）中，可得風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：

求解各參數(shù)時(shí)首先通過(guò)4階Adams-Beshforth預(yù)測(cè)－校正方法確定低階項(xiàng)的值，并以此構(gòu)成方程的右邊項(xiàng)，然后采用高斯消元法求解系統(tǒng)自由度的加速度。計(jì)算得到的加速度值用于修正預(yù)測(cè)值并以此提高計(jì)算精度。迭代數(shù)次后采用4階Adams-Mounton預(yù)測(cè)－修正算法確定加速度值，并給出該時(shí)間步的最終解。由于該算法的非自發(fā)性，前4個(gè)時(shí)間步通過(guò)Runge-Kutta法求解。

1.2 風(fēng)力機(jī)坐標(biāo)系

為方便計(jì)算，在風(fēng)力機(jī)上建立多個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系，分別為葉片坐標(biāo)系｛O，X，Y，Z｝、輪轂坐標(biāo)系｛O′，X′，Y′，Z′｝、塔架坐標(biāo)系｛O″，X″，Y″，Z″｝和地基坐標(biāo)系｛O?，X?，Y?，Z?｝，各結(jié)構(gòu)部件自由度示意如圖1所示。

2 風(fēng)模型及氣動(dòng)理論

2.1 風(fēng)場(chǎng)模型建立

圖1 風(fēng)力機(jī)坐標(biāo)示意圖Fig.1 The coordinates of wind turbine

風(fēng)場(chǎng)模型的選擇對(duì)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性具有很大影響，為更真實(shí)的模擬時(shí)域高風(fēng)速湍流風(fēng)場(chǎng)及劇烈湍動(dòng)風(fēng)場(chǎng)等風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，本文選用由NWTC（National Wind Technology Center）建立的NWTCUP譜模型，該模型基于NWTC／LIST項(xiàng)目，由實(shí)測(cè)40－Hz時(shí)間序列數(shù)據(jù)構(gòu)成該湍流模型速度譜［2－3］，該譜模型通過(guò)比例縮放丹麥Ris?研究中心開(kāi)發(fā)的SMOOTH模型，縮放系數(shù)由具體的風(fēng)速儀數(shù)據(jù)確定。此外，在基礎(chǔ)流上添加相干結(jié)構(gòu)，以此增加湍流風(fēng)場(chǎng)的相干湍動(dòng)能［24］，用于描述湍動(dòng)更為劇烈的擬序結(jié)構(gòu)，其湍流強(qiáng)度為Kelvin-Helmholtz波，相干結(jié)構(gòu)為大渦模擬數(shù)值結(jié)果，通過(guò)一定的比例縮放構(gòu)成新的風(fēng)場(chǎng)，相干結(jié)構(gòu)存在時(shí)間為總模擬時(shí)間的一半，其它時(shí)刻與基礎(chǔ)湍流風(fēng)相同，文獻(xiàn)［25］有詳細(xì)的算法介紹。同時(shí)，為更好表現(xiàn)湍流風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)特性的影響，增加了一個(gè)穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)，即在模擬時(shí)間內(nèi)風(fēng)速恒定且沒(méi)有風(fēng)切邊。以輪轂高度處風(fēng)速18 m／s參考風(fēng)速，分別建立了穩(wěn)態(tài)風(fēng)、湍流風(fēng)和相干湍流風(fēng)3種風(fēng)場(chǎng)，設(shè)計(jì)風(fēng)場(chǎng)覆蓋區(qū)域?yàn)?80 m×180 m，縱向覆蓋了整個(gè)風(fēng)輪和塔架如圖2所示。輪轂處時(shí)域風(fēng)速在X′方向分量大小如圖3所示。

風(fēng)剪切效應(yīng)通過(guò)冪律風(fēng)廓線形式描述，水平方向速度變化規(guī)律采用對(duì)數(shù)風(fēng)廓線表示：

式中，u（z）為垂直方向速度分布；u（zhub）為輪轂處風(fēng)速；z為計(jì)算節(jié)點(diǎn)高度；zhub為輪轂高度；u（y）為水平方向速度分布；u（yhub）為輪轂處風(fēng)速；y為計(jì)算節(jié)點(diǎn)水平位置；z0為地表表面粗糙度，其值取0.021；ψ為垂直穩(wěn)定度無(wú)量綱函數(shù)。

圖2 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域示意圖Fig.2 Wind Field of Simulation

圖3 湍流風(fēng)場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)風(fēng)輪轂高度處風(fēng)速時(shí)域分布Fig.3 Velocities of turbulence wind with coherent structural and steady wind at hub height in time domain

2.2 動(dòng)態(tài)入流理論

風(fēng)輪氣動(dòng)計(jì)算的本質(zhì)就是利用流體力學(xué)控制方程求解流場(chǎng)壓力和速度分布規(guī)律，基于加速度勢(shì)的動(dòng)態(tài)入流理論利用分離變量的方法求解Laplace方程表達(dá)的壓力分布，然后通過(guò)Euler方程求解速度分布，結(jié)合BEM（Blade Element Moment）理論模型求解風(fēng)輪氣動(dòng)力。

Pitt-Peters動(dòng)態(tài)入流理論模型通過(guò)3個(gè)參數(shù)描述風(fēng)輪平面誘導(dǎo)速度變化規(guī)律，通過(guò)求解誘導(dǎo)速度來(lái)獲知風(fēng)輪平面壓力分布。式（7）為風(fēng)輪平面由于擾動(dòng)引起的誘導(dǎo)速度非均勻分布的一階Fourier級(jí)數(shù)表達(dá)式。

式中，v0、vs、vc分別為誘導(dǎo)速度的平均分布、水平分布和垂直分布；μ為當(dāng)?shù)匕霃奖?；為偏航角?/p>

氣動(dòng)力變化和誘導(dǎo)速度關(guān)系為：

式中，［M］為風(fēng)輪動(dòng)態(tài)入流的質(zhì)量矩陣，反映了入流動(dòng)態(tài)特性；［V］為質(zhì)量流量參數(shù)矩陣；［L］為入流增益矩陣；CT、CMy、CMz分別為風(fēng)輪推力系數(shù)、偏航系數(shù)和俯仰系數(shù)。具體表達(dá)式如下：

式中，Vm為附加質(zhì)量流量參數(shù)為與時(shí)均入流相關(guān)的質(zhì)量流量參數(shù)；φ為入流角；FT、My、Mz分別為風(fēng)輪的推力、偏航力矩和俯仰力矩，其大小通過(guò)BEM理論計(jì)算得到；Ω、R分別為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪半徑。

通過(guò)求解微分方程（8）得到風(fēng)輪平面誘導(dǎo)速度場(chǎng)，結(jié)合相應(yīng)的翼型空氣動(dòng)力學(xué)特性，求解風(fēng)輪氣動(dòng)力。

3 地震分析模型

地震模擬通常以風(fēng)力機(jī)地基的加速度、速度或位移等運(yùn)動(dòng)學(xué)特性規(guī)律定義地震激勵(lì)，將地震激勵(lì)轉(zhuǎn)化為等效的地基載荷并與其他載荷耦合共同作用于風(fēng)力機(jī)。

輸入地震激勵(lì)為EICentro 6.9級(jí)地震加速度譜，地震時(shí)長(zhǎng)約為50 s，在模擬時(shí)間第400 s加入，引入零線校正和響應(yīng)目標(biāo)譜以增加計(jì)算準(zhǔn)確性［26－27］。地震加速譜如圖4所示。

圖4 地震加速度譜Fig.4 The acceleration spectrum of seismic

地震載荷計(jì)算方法是通過(guò)在風(fēng)力機(jī)地基上假設(shè)一個(gè)阻尼振子，以此得到每一個(gè)時(shí)間步保持地基預(yù)定加速度所需要的地震力，振子剛度k通過(guò)式（13）計(jì)算：

式中，m為風(fēng)力機(jī)模型總質(zhì)量，包括地基質(zhì)量；f為阻尼振子頻率，其大小為風(fēng)力機(jī)受激最高頻率的10倍，本文取12.5。

假設(shè)阻尼振子的阻尼ζ較大［26］，此處取ζ＝65，同時(shí)保持較大的剛度，通過(guò)歸一化的阻尼值計(jì)算阻尼系數(shù)c：

因此每一個(gè)時(shí)間步，地基運(yùn)動(dòng)所需的力FP為：

式中dp為地基目標(biāo)位移，d為地基實(shí)際位移；Vp為地基目標(biāo)速度，V為地基實(shí)際速度。

將方程（15）代入方程（2）中，將地震激勵(lì)嵌入到風(fēng)力機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程中，于風(fēng)載荷共同作用于風(fēng)力機(jī)各結(jié)構(gòu)部件，實(shí)現(xiàn)地震與風(fēng)場(chǎng)耦合影響風(fēng)力機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)特性。

模擬實(shí)例原型樣機(jī)為NREL 5MW風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 NREL 5MW風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)Tab.1 The configuration of NREL 5MW w ind turbine

圖5為帶地震分析模塊的整機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)構(gòu)圖，其中風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)和整機(jī)載荷之間的耦合通過(guò)自編寫DLL實(shí)現(xiàn)。仿真模擬時(shí)間T仿真總時(shí)間為600 s，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)dt為0.005 s。

圖5 整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)Fig.5 The system of seismic analysismodel

4 結(jié)果與分析

4.1 基礎(chǔ)湍流風(fēng)與地震

風(fēng)力機(jī)的柔性部件主要為葉片、塔架和低速傳動(dòng)軸，其中低速傳動(dòng)軸的剛度相對(duì)較大，且在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中位移較小，因此，柔性結(jié)構(gòu)研究重點(diǎn)為葉片和塔架的動(dòng)態(tài)特性。剛性結(jié)構(gòu)主要有地基、輪轂和機(jī)艙等，輪轂和機(jī)艙受載相對(duì)較為穩(wěn)定，而地基位于地面以下，地震發(fā)生時(shí)其載荷和位移均發(fā)生巨大變化，因此地基為主要研究對(duì)象。

首先對(duì)比湍流風(fēng)和地震對(duì)風(fēng)力機(jī)各結(jié)構(gòu)部件的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)作用大小，分析了穩(wěn)態(tài)風(fēng)、基礎(chǔ)湍流風(fēng)和穩(wěn)態(tài)風(fēng)在第400 s加入50 s地震激勵(lì)這3種工況。因?yàn)槲床捎锚?dú)立變槳技術(shù)，葉片位移和載荷特性以葉片1為例。圖6為葉片1在此3種工況下的載荷和位移動(dòng)態(tài)特性。

圖6 葉片載荷和位移Fig.6 The loads and deflection of the blade

由圖6可知，風(fēng)力機(jī)葉片載荷主要受到風(fēng)載荷影響，在來(lái)流風(fēng)穩(wěn)定工況下，葉片載荷和位移呈現(xiàn)周期性的變化，且波動(dòng)較小。

來(lái)流風(fēng)為速度波動(dòng)較大的湍流風(fēng)時(shí)，葉片三個(gè)方向的載荷和位移均呈現(xiàn)較大幅度的無(wú)規(guī)律波動(dòng)，其中葉尖揮舞和葉根揮舞力矩變化最劇烈，揮舞力矩此時(shí)波動(dòng)范圍為－2.2×103kN·m～1.0×104kN·m，波動(dòng)幅度達(dá)到穩(wěn)態(tài)風(fēng)的7倍，平均值相等；葉尖揮舞波動(dòng)范圍為－2.23～5.22m，波動(dòng)幅度為穩(wěn)態(tài)風(fēng)的14倍，平均值相等。對(duì)擺振力矩和葉尖擺振的影響相對(duì)較小，俯仰力矩波動(dòng)幅度值增大了1倍左右。

加入地震激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況與未加入地震激勵(lì)工況相比，葉片位移和載荷區(qū)別不大，在地震激勵(lì)作用階段，葉片位移和載荷變化量級(jí)與風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)波動(dòng)相同。相比于湍流風(fēng)，地震對(duì)葉片載荷和位移的影響可以忽略。

圖7為3種工況下風(fēng)輪推力及風(fēng)輪功率的動(dòng)態(tài)特性。

圖7 風(fēng)輪推力和風(fēng)輪功率Fig.7 Thrust and power of the rotor

由圖7可知，穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)風(fēng)輪推力和風(fēng)輪功率出現(xiàn)幅度較大的波動(dòng)，但逐漸趨于穩(wěn)定。

湍流風(fēng)工況下，風(fēng)輪推力和風(fēng)輪功率出現(xiàn)較大波動(dòng)，其中風(fēng)輪功率在穩(wěn)態(tài)風(fēng)時(shí)的平均值上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度較大，最大值為5.93×103kW，最小值為4.58× 103kW。忽略開(kāi)機(jī)啟動(dòng)不穩(wěn)定工況，其波動(dòng)范圍為穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況的7倍左右。風(fēng)輪推力波動(dòng)則相對(duì)無(wú)規(guī)律，波動(dòng)范圍幅度達(dá)到穩(wěn)態(tài)風(fēng)的8倍左右。

加入地震的穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下，風(fēng)輪推力和風(fēng)輪功率均出現(xiàn)幅度巨大的波動(dòng)，波動(dòng)規(guī)律與地震加速度譜變化規(guī)律類似，波動(dòng)幅度量級(jí)與湍流風(fēng)影響相當(dāng)。需要注意的是地震激勵(lì)對(duì)風(fēng)輪推力和風(fēng)輪功率的影響不可忽略。

圖8為3種工況下塔尖載荷和位移的動(dòng)態(tài)特性。

由圖8可知，穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下，塔尖載荷和位移在風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)有較大波動(dòng)，并逐漸趨于穩(wěn)定。

來(lái)流風(fēng)為湍流風(fēng)的工況下，塔尖載荷出現(xiàn)十分劇烈的波動(dòng)，其中橫搖力矩波動(dòng)幅度相對(duì)較小，在－6.67 ×102kN·m～6.16×103kN·m范圍內(nèi)波動(dòng)，跨度大小為穩(wěn)態(tài)風(fēng)時(shí)的2倍左右，偏航力矩和俯仰力矩的波動(dòng)幅度值更大，均達(dá)到12倍左右。塔尖位移為穩(wěn)態(tài)風(fēng)時(shí)的2倍左右。

圖8 塔尖載荷和位移Fig.8 The loads and deflection of the tower-tip

地震激勵(lì)對(duì)塔尖載荷具有一定影響，其中對(duì)橫搖力矩達(dá)到了湍流風(fēng)的影響量級(jí)，對(duì)俯仰力矩和偏航力矩的影響相對(duì)較小。地震激勵(lì)對(duì)塔尖位移影響巨大，其中前后方向達(dá)到湍流風(fēng)的影響量級(jí)，側(cè)向位移波動(dòng)比湍流風(fēng)影響更大，波動(dòng)范圍幅度為湍流風(fēng)況的3倍左右。

塔尖載荷主要受風(fēng)場(chǎng)影響，對(duì)地震激勵(lì)敏感性相對(duì)較小。塔尖位移主要是前后方向受到風(fēng)場(chǎng)影響，側(cè)向位移對(duì)地震更敏感。

圖9為3種工況下塔基載荷和地基位移動(dòng)態(tài)特性。

由圖9可知，湍流風(fēng)載荷對(duì)塔基俯仰力矩影響較大，對(duì)地基的載荷相對(duì)較小。地震載荷對(duì)塔架和地基載荷影響巨大，對(duì)塔基的橫搖力矩達(dá)到湍流風(fēng)最大的6倍，是穩(wěn)態(tài)風(fēng)的20倍左右。地基載荷對(duì)地震激勵(lì)敏感性較高，地震激勵(lì)工況下，地基產(chǎn)生的最大剪力達(dá)到湍流風(fēng)況下的30倍以上，地基位移主要受地震激勵(lì)影響。這是因?yàn)橘|(zhì)量較大的地基長(zhǎng)期處于地面以下，風(fēng)場(chǎng)對(duì)地基的作用力通過(guò)塔架傳遞，因此受到風(fēng)場(chǎng)的影響有限，地基位移在湍流風(fēng)和穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下均為10－5m量級(jí)，相比于地震激勵(lì)的10－1m量級(jí)可忽略不計(jì)。

圖9 塔基載荷和地基載荷及位移Fig.9 Loads of tower-base and the displacement and loads of platform

地基長(zhǎng)期位于地面以下，因此，其載荷和位移主要受到地震激勵(lì)影響。風(fēng)場(chǎng)對(duì)地基的位移和載荷影響可以忽略不計(jì)，但對(duì)塔基的載荷不可忽略，其量級(jí)為地震激勵(lì)的1／5。

4.2 強(qiáng)湍流風(fēng)和地震

為進(jìn)一步研究湍動(dòng)度更大的風(fēng)場(chǎng)和地震激勵(lì)對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響程度，在基礎(chǔ)湍流風(fēng)上添加相干湍流以表示湍動(dòng)劇烈的擬序結(jié)構(gòu)。由上可知，風(fēng)輪部件動(dòng)態(tài)特性主要受風(fēng)場(chǎng)影響，地基主要受地震載荷影響。因此，下面主要分析塔架結(jié)構(gòu)在湍流風(fēng)況與地震耦合作用下的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)比分析了穩(wěn)態(tài)風(fēng)、加入相干結(jié)構(gòu)的湍流風(fēng)和加入地震激勵(lì)的湍流風(fēng)這3種工況。

圖10為風(fēng)力機(jī)在此3種風(fēng)況下塔基載荷、塔尖載荷和塔尖位移動(dòng)態(tài)特性。

圖10 塔基載荷和塔尖載荷及位移Fig.10 Loads of tower-base and the deflection and loads of tower－tip

由圖10可知，湍流風(fēng)與地震載荷聯(lián)合作用和擬序結(jié)構(gòu)對(duì)塔基載荷的影響相當(dāng)，均在穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況平均值上下出現(xiàn)較大波動(dòng)，塔架俯仰力矩波動(dòng)幅度值達(dá)到穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況的2倍左右，巨大的波動(dòng)會(huì)增加塔基的疲勞載荷。橫搖力矩波動(dòng)幅度值達(dá)到穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況的15倍，大大的增加了塔架的受載壓力。

擬序結(jié)構(gòu)對(duì)塔尖載荷影響相較于湍流風(fēng)與地震激勵(lì)聯(lián)合作用更大，對(duì)塔尖位移的影響相當(dāng)。其中，前后方向位移波動(dòng)幅度值相比于穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況增大3倍左右。

基礎(chǔ)湍流風(fēng)工況下添加相干湍流表示的擬序結(jié)構(gòu)對(duì)塔架載荷和位移影響巨大，其影響量級(jí)與地震激勵(lì)相當(dāng)，設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)時(shí)應(yīng)充分考慮相干湍流對(duì)塔架載荷和位移的影響。

5 結(jié) 論

以NREL 5MW為樣機(jī)，模擬了風(fēng)場(chǎng)與地震聯(lián)合作用多組工況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了風(fēng)力機(jī)主要柔性部件和地基的動(dòng)力學(xué)時(shí)域響應(yīng)，主要得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)力機(jī)葉片載荷和位移主要受風(fēng)場(chǎng)影響，在來(lái)流湍動(dòng)劇烈時(shí)，葉尖位移呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的大幅波動(dòng)，其中揮舞方向位移受影響最大，本文選取湍流風(fēng)場(chǎng)模型使葉尖揮舞最大位移增大3倍左右。相比于湍流風(fēng)，地震激勵(lì)對(duì)葉片載荷和位移的影響可忽略不計(jì)。

（2）湍流風(fēng)對(duì)風(fēng)輪推力和風(fēng)輪功率有較大影響，與地震激勵(lì)影響量級(jí)相當(dāng)。

（3）地震激勵(lì)和湍流風(fēng)工況均會(huì)使塔尖載荷和位移出現(xiàn)較大波動(dòng)，其中俯仰力矩和偏航力矩主要受風(fēng)場(chǎng)作用，塔尖位移主要受地震載荷影響。

（4）塔基和地基的載荷與位移主要受到地震激勵(lì)影響，湍動(dòng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)塔基載荷有一定影響，但小于地震激勵(lì)影響。湍動(dòng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)地基的載荷相對(duì)于地震激勵(lì)可以忽略不計(jì)，對(duì)地基位移幾乎沒(méi)有影響，遠(yuǎn)小于地震激勵(lì)對(duì)地基的影響。

（5）在基礎(chǔ)湍流風(fēng)工況下添加相干湍流，加劇了風(fēng)湍動(dòng)，擬序結(jié)構(gòu)與湍流風(fēng)工況下的地震激勵(lì)對(duì)塔基載荷影響相當(dāng)，均達(dá)到穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下的2～15倍。劇烈的風(fēng)湍動(dòng)使得塔尖位移與地震激勵(lì)相當(dāng)。

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Structural dynam ic responses of a w ind turbine under turbulent w ind combined w ith seism icmotion

YANG Yang1，LIChun1，2，MIAOWei-pao1，YE Zhou1，2，WU Pan1

（1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China；2.Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，Shanghai200093，China；3.Dong Fang Turbine Co.，LTD，Deyang 618000，China）

Turbulent wind field and seismic excitation are the leading objective factors affecting the operational safety of a wind turbine.In order to analyze the structural dynamic response of a wind turbine under turbulent wind and seismicmotion，NRELmeasured data were taken as the source of turbulentwind field to combine coherent turbulent and seismicmotion，the dynamic response of the rotor，tower and platform of thewind turbinewere studied，respectively.The results showed that the turbulentwind has a bigger impact on loads and deflections of blades，and loads at the tower-tip，while the influence of seismicmotion can be ignored；the seismic excitation has a larger impact on loads and displacements of platform，and deflection at the tower-tip，while the influence of turbulentwind can be ignored；the turbulentwind and seismic motion both have a certain impacton loads of tower-base，the coherent turbulent and seismicmotion have the same impact on loads of tower-base and deflection of tower-tip，their amplitudes can reach 2-15 times of those under stationary wind.

wind turbine；turbulentwind field；seismicmotion；structural dynamic characteristics

TK83

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.024

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E51176129）；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新（重點(diǎn)）項(xiàng)目（13ZZ120，13YZ066）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（博導(dǎo)類）項(xiàng)目（20123120110008）；上海市研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（JWCXSL1402）

2014－10－10 修改稿收到日期：2014－11－11

楊陽(yáng)男，碩士生，1992年8月生

李春男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，1963年2月生