收稿日期：2021-12-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51766014）；內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)基礎(chǔ)研究開放課題

通信作者：汪建文（1958—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事風(fēng)能開發(fā)利用方面的研究。wangjw@imut.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1539 文章編號：0254-0096（2023）04-0140-07

摘 要：以課題組自行研制的風(fēng)力機(jī)為研究對象，通過動態(tài)旋轉(zhuǎn)平臺模擬風(fēng)向動態(tài)變化，研究在風(fēng)向動態(tài)變化情況下塔頂和塔底的應(yīng)力變化情況，同時分析風(fēng)向動態(tài)變化對塔架應(yīng)力的影響。對比發(fā)現(xiàn)：隨著風(fēng)向變化角速度的增大，最大主應(yīng)力值呈先增大后減小的趨勢，風(fēng)向變化角速度為0.5（ °）/s時最大主應(yīng)力值變化程度最小，風(fēng)向變化角速度為1（ °）/s時，塔架穩(wěn)定性最不利。隨著風(fēng)向變化角度的增大，最大主應(yīng)力值先增大后減小，且最小主應(yīng)力值隨風(fēng)向變化角度的增大而減小，風(fēng)向變化角度為60°時最大主應(yīng)力值最小，風(fēng)向變化角度在30°以內(nèi)應(yīng)力波動較明顯。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；塔架；應(yīng)力；風(fēng)向變化角度；風(fēng)向變化角速度

中圖分類號：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中，考慮到風(fēng)向動態(tài)變化的特點(diǎn)，通常采用主動偏航系統(tǒng)使風(fēng)力機(jī)對準(zhǔn)風(fēng)向來獲得風(fēng)能的最大利用效率［1］。但由于風(fēng)向變化較快，偏航系統(tǒng)的響應(yīng)較慢，風(fēng)力機(jī)無法快速準(zhǔn)確地對準(zhǔn)來流風(fēng)向，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)時常處在偏離風(fēng)向的狀態(tài)下運(yùn)行，從而影響風(fēng)力機(jī)的輸出功率和運(yùn)行的穩(wěn)定性［2］。

風(fēng)力機(jī)塔架是風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵部件之一。對于塔架的動態(tài)特性以及優(yōu)化，學(xué)者們開展了一系列的研究［3-6］。文獻(xiàn)［7］在風(fēng)向變化的條件下采用GH Bladed模擬的手段對塔架受力進(jìn)行了分析，表明塔底受力大于塔頂受力。文獻(xiàn)［8］采用風(fēng)雨雙向耦合的方法，對風(fēng)向變化下的風(fēng)力機(jī)流場和氣動載荷進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)向角的增大，壓力系數(shù)逐漸減小。

對于塔架應(yīng)力的研究，文獻(xiàn)［9］對風(fēng)向動態(tài)變化下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明隨著風(fēng)向變化角度的增大，塔架應(yīng)力最終會減小。文獻(xiàn)［10-12］采用有限元法對風(fēng)力機(jī)塔架法蘭螺栓應(yīng)力進(jìn)行研究，推導(dǎo)了塔架法蘭螺栓應(yīng)力關(guān)系，并對相關(guān)理論進(jìn)行了驗證。文獻(xiàn)［13］從應(yīng)力角度出發(fā)，采用廣義概率密度演化理論對鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)塔架的可靠性進(jìn)行研究，結(jié)果表明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔架可靠性更高。文獻(xiàn)［14-15］在考慮預(yù)應(yīng)力條件下對風(fēng)力機(jī)塔架進(jìn)行了研究，考察了預(yù)應(yīng)力對振動的影響以及驗證了優(yōu)化模型和優(yōu)化效果。文獻(xiàn)［16］采用有限元法應(yīng)用線性波理論對海上風(fēng)力機(jī)塔架進(jìn)行了研究，求解了塔架位移、速度、加速度、應(yīng)力響應(yīng)等，結(jié)果表明開發(fā)的方法可為塔架強(qiáng)度校核提供參考。文獻(xiàn)［17］利用有限元軟件ABAQUS對新提出的塔架連接段方案進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果表明新方案連接段應(yīng)力較小，提高了塔架整體的穩(wěn)定性。

然而風(fēng)力機(jī)平時運(yùn)行時經(jīng)常處于風(fēng)向未對準(zhǔn)狀態(tài)，從而顯著影響葉片氣動力，而氣動力是影響應(yīng)力最主要的因素［18］，葉片氣動力的改變會通過主軸進(jìn)一步影響塔架應(yīng)力的分布，塔架應(yīng)力分布的準(zhǔn)確分析對風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作具有決定性作用［19］。目前關(guān)于塔架的研究主要集中在流場、氣動力、氣彈耦合等方面；對于應(yīng)力研究則集中在不同材料塔架的應(yīng)力分布、塔架優(yōu)化后應(yīng)力分布、塔架重點(diǎn)位置（如法蘭、螺栓等部位）應(yīng)力分布，對風(fēng)向變化下尤其是風(fēng)向動態(tài)變化下塔架應(yīng)力分布鮮有研究，且研究方法大多采用數(shù)值模擬，實驗研究較少?；谏鲜龇治?，本文采用實驗測試，對不同動態(tài)風(fēng)向變化條件下塔架應(yīng)力進(jìn)行采集，在風(fēng)向動態(tài)變化的過程中對塔架重點(diǎn)位置的應(yīng)力進(jìn)行分析，并探討風(fēng)向變化對塔架應(yīng)力的影響。

1 實 驗

本文實驗以課題組自行研制的風(fēng)力機(jī)為研究對象，在風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)）中的B1/K2低速風(fēng)洞中進(jìn)行，如圖1所示。風(fēng)洞中具有整流裝置，使實驗處在具有穩(wěn)定湍流強(qiáng)度的來流中，風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速為8 m/s，額定尖速比為5。

風(fēng)向動態(tài)變化通過旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)與風(fēng)發(fā)生相對運(yùn)動來實現(xiàn)，如圖2所示，[α=α′]，則風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度可相對代表風(fēng)向變化的角度。

風(fēng)力機(jī)由課題組自行設(shè)計的動態(tài)旋轉(zhuǎn)平臺控制，旋轉(zhuǎn)平臺與風(fēng)力機(jī)相連由伺服電機(jī)驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)角度、方向、角速度由旋轉(zhuǎn)平臺控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，應(yīng)力采集通過東華DH5902N進(jìn)行采集，設(shè)備支持全橋、半橋、1/4橋連接方式，供橋電壓2 V，頻率分辨率0.1 Hz，幅值精度1%，如圖3a所示?？紤]到靠近塔架頂部和底部為振動節(jié)線位置，這些位置均是應(yīng)力集中位置，因此在塔架頂部和底部的位置1（0°）、位置2（90°）、位置3（180°）、位置4（270°）進(jìn)行布點(diǎn)，其中位置1（0°）、3（180°）和位置2（90°）、4（270°）分別為塔架俯仰和搖擺位置，如圖3b所示，塔架為水平繪制，其中左端為塔架底部位置，右端為塔架頂部位置。

實驗前使用熱線風(fēng)速儀對風(fēng)洞風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)定，確保實際風(fēng)速與額定風(fēng)速相差不大；實驗時風(fēng)力機(jī)首先正對來流風(fēng)運(yùn)行一段時間，當(dāng)風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，通過計算機(jī)和控制柜使風(fēng)力機(jī)偏轉(zhuǎn)，同時進(jìn)行應(yīng)力采集，當(dāng)風(fēng)力機(jī)達(dá)到預(yù)設(shè)偏轉(zhuǎn)角度后，在該偏轉(zhuǎn)角度穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后進(jìn)行回轉(zhuǎn)，回正后停止實驗。

2 風(fēng)向變化角速度對塔架最大主應(yīng)力值的影響

2.1 風(fēng)向變化角速度對塔頂最大主應(yīng)力值的影響

風(fēng)向連續(xù)的動態(tài)變化使風(fēng)力機(jī)葉片表面氣動力明顯不同，導(dǎo)致塔架應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)而對風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，而塔架作為風(fēng)力機(jī)重要的支撐結(jié)構(gòu)，探究風(fēng)向動態(tài)變化下塔架應(yīng)力分布的規(guī)律對風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。風(fēng)向變化模型參考IEC61400中EDC（extreme direction change）和ECD（extreme coherent gust with direction change）標(biāo)準(zhǔn)以及本課題組對風(fēng)向變化的相關(guān)研究［20-21］，風(fēng)向變化角速度分別為0.5、1.0、1.5、2.0（ °）/s，風(fēng)向變化角度分別為15°、30°、45°、60°。分別以塔架頂部和塔架底部作為應(yīng)力收集的典型位置。

圖4為不同風(fēng)向變化角速度下塔架頂部最大主應(yīng)力值，圖中選取的風(fēng)向變化角度為30°，每一度繪制一個最大主應(yīng)力值，對比可知：

1）隨著風(fēng)向變化角度的增大，由于來流無法正對風(fēng)輪，推力減小，導(dǎo)致升力減小阻力增大，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降，葉片氣動力和離心力減弱，從而由輪轂和主軸傳遞到塔架上的力減少，造成塔頂4個位置的最大主應(yīng)力值均有所減小。其中位置2、位置3、位置4的最大主應(yīng)力值相近，均大于位置1的最大主應(yīng)力值。

2）隨著風(fēng)向變化角速度的增大，最大主應(yīng)力值呈先增大后減小的趨勢，峰值出現(xiàn)在9°～10°區(qū)間內(nèi)。當(dāng)風(fēng)向變化角速度達(dá)到2（ °）/s時最大主應(yīng)力值減小趨勢與風(fēng)向變化角速度為0.5（ °）/s時的類似。隨著風(fēng)向變化角速度的增大，正對風(fēng)輪的軸向推力偏移加快，從而對塔架扭矩起到放大作用。同時由于風(fēng)向變化角速度增大，陀螺力矩增大［22］，從而增大塔架所受到的力矩，導(dǎo)致最大主應(yīng)力值出現(xiàn)短暫增大。當(dāng)風(fēng)向變化角速度增大到2（ °）/s時，由于風(fēng)向變化角速度較快，由風(fēng)向快速變化導(dǎo)致的氣動力下降幅度大于扭矩和陀螺力矩增大的幅度以及塔架本身的剛性，導(dǎo)致作用在塔架上的扭矩放大作用以及陀螺力矩作用不再明顯，最大主應(yīng)力值小幅增大后便開始減小。

3）隨著風(fēng)向變化角度的增大，較大的風(fēng)向變化角速度對應(yīng)的應(yīng)力值下降曲線具有更大的斜率，這主要是因為風(fēng)向快速偏離導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降程度比風(fēng)向角速度小的情況劇烈，氣動力和離心力的減小幅度較大［23］，從而通過主軸傳導(dǎo)到塔架的力減小的比較明顯；風(fēng)向變化角速度進(jìn)一步增大到2（ °）/s時，風(fēng)向偏離的速度大于葉輪轉(zhuǎn)速下降的速度，由于慣性的作用，葉輪轉(zhuǎn)速下降較慢，塔架應(yīng)力減小趨勢與小風(fēng)向變化角速度時一致，當(dāng)風(fēng)向變化角度繼續(xù)增大，氣動力和離心力減小帶來的減弱效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)，從而引起的應(yīng)力減小幅度大于小風(fēng)向變化角速度時的應(yīng)力減小幅度。

2.2 風(fēng)向變化角速度對塔底最大主應(yīng)力值的影響

圖5為不同風(fēng)向變化角速度下塔底的最大主應(yīng)力值。對比發(fā)現(xiàn)：隨著風(fēng)向變化角速度的增大，最大主應(yīng)力值先增大后減小，與塔頂不同，塔底位置1、位置3的最大主應(yīng)力值相似，位置2、位置4的最大主應(yīng)力值相似且均大于位置1、位置3的最大主應(yīng)力值，因為葉片離心力以及風(fēng)輪機(jī)艙質(zhì)心與塔架軸心不重合，塔架彎曲應(yīng)力較大。與塔頂風(fēng)向變化角速度為1.5（ °）/s時最大主應(yīng)力值比1（ °）/s時大的情況不同，塔底1.5（ °）/s時最大主應(yīng)力值比1（ °）/s時低26%～37%，這是由于塔底距離風(fēng)輪較遠(yuǎn)，風(fēng)向偏移帶來的扭矩以及陀螺力矩的影響減弱，同時較快的風(fēng)向變化角速度使葉輪轉(zhuǎn)速下降，推力和離心力減小，從而通過主軸傳遞給塔架的力減弱。當(dāng)風(fēng)向變化角速度為2（ °）/s時最大主應(yīng)力值減小趨勢與小風(fēng)向變化角速度類似，并且由于塔底受到頂部機(jī)艙和葉輪重力的影響，對慣性力的維持產(chǎn)生了促進(jìn)作用，因此當(dāng)風(fēng)向變化角度繼續(xù)增大，2（°）/s時最大主應(yīng)力值減小幅度并未超過0.5（ °）/s時最大主應(yīng)力值減小幅度。

3 風(fēng)向變化角度對塔架最大主應(yīng)力值的影響

3.1 風(fēng)向變化角度對塔頂最大主應(yīng)力值的影響

圖6為不同風(fēng)向變化角度下塔頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力值曲線，由前文可知1（ °）/s風(fēng)向變化角速度包含較全面的塔架應(yīng)力變化信息，因此選取1（ °）/s的風(fēng)向變化角速度，每一度繪制一個最大主應(yīng)力值，達(dá)到規(guī)定的風(fēng)向變化角度后維持時間為30 s的數(shù)據(jù)同時繪于圖中。

對比發(fā)現(xiàn)：

1）隨著風(fēng)向變化角度的增大，最大主應(yīng)力值曲線變化趨勢總體下降，且在30°前下降趨勢最大，幅度可達(dá)到68%～73.5%，并有較明顯的波動情況，在30°后接近最低值并趨于平穩(wěn)，同時隨著風(fēng)向變化角度的增大，最低位置的最大主應(yīng)力值減小，由1.5 MPa減小到約0.25 MPa。

2）不同風(fēng)向變化角度的最大主應(yīng)力值曲線在風(fēng)向變化角度經(jīng)過0°～10°附近位置時均存在應(yīng)力值短暫增大的現(xiàn)象，由于機(jī)艙和葉輪質(zhì)心位置與塔架軸心不重合，同時在風(fēng)向變化過程中葉輪產(chǎn)生的陀螺力矩、扭矩以及軸向推力偏移的綜合作用使位置2、位置3和位置4的最大主應(yīng)力值增大現(xiàn)象比位置1的明顯，增大幅度可達(dá)到約2.4倍，且這3個位置的最大主應(yīng)力值趨勢比較一致。

3）風(fēng)向變化角度為15°時，由于來流未對準(zhǔn)風(fēng)輪且塔架對來流的干擾作用導(dǎo)致葉輪每支葉片經(jīng)過塔筒時均會受到較為不對稱的氣動載荷［24］，并通過主軸傳遞給塔架，因此在保持15°風(fēng)向變化角度過程中塔頂最大主應(yīng)力值出現(xiàn)明顯的波動，而當(dāng)風(fēng)向變化角度進(jìn)一步增大，氣動力和離心力減小明顯，同時由于來流偏轉(zhuǎn)，葉片與塔架相互干擾的作用降低，在風(fēng)向變化角度維持過程中未再次出現(xiàn)明顯的波動情況。

3.2 風(fēng)向變化角度對塔底最大主應(yīng)力值的影響

圖7為不同風(fēng)向變化角度下塔底最大主應(yīng)力值的變化曲線。由圖7可知，由于塔底作為風(fēng)力機(jī)最靠下的位置，受到機(jī)艙和葉輪重力的影響，塔底應(yīng)力值普遍大于塔頂應(yīng)力值。塔底位置3的最大主應(yīng)力值增幅比塔頂位置3的最大主應(yīng)力值增幅小，這是因為塔架底部距離機(jī)艙和葉輪遠(yuǎn)，機(jī)艙與葉輪對塔架底部造成的影響比塔架頂部小。由于塔架底部距離塔架頂端較遠(yuǎn)且不在風(fēng)輪覆蓋范圍，因此對來流干擾作用較弱，由此產(chǎn)生的不對稱的氣動載荷影響相應(yīng)較小，在風(fēng)向變化角度保持在15°時應(yīng)力值的波動程度比塔架頂端的弱。

4 結(jié) 論

本文通過風(fēng)洞試驗，對不同風(fēng)向變化角度和不同風(fēng)向變化角速度下風(fēng)力機(jī)塔架頂部和底部的最大主應(yīng)力值趨勢進(jìn)行分析，歸納了不同風(fēng)向變化角度和不同風(fēng)向變化角速度對塔架最大主應(yīng)力值變化趨勢影響的規(guī)律和機(jī)理。得到如下主要結(jié)論：

1）隨著風(fēng)向變化角速度的增大，最大主應(yīng)力值下降曲線的斜率增加，但2（ °）/s的斜率與0.5（ °）/s的斜率相差不大；在塔頂1.5（ °）/s風(fēng)向變化角速度時應(yīng)力變化幅度較大，而塔底則是1（ °）/s風(fēng)向變化角速度時應(yīng)力變化幅度較大。隨著風(fēng)向變化角速度增大，最大主應(yīng)力值先增大后減小，塔頂在1.5（°）/s時達(dá)到最大，塔底在1（ °）/s達(dá)到最大，綜合考慮在風(fēng)向變化角速度為1（ °）/s時，塔架頂部和底部應(yīng)力值變化較大，塔架穩(wěn)定性最不利。

2）隨著風(fēng)向變化角度的增大，最大主應(yīng)力值先增大后減小，且在風(fēng)向變化到30°時最大主應(yīng)力值基本都降到最低點(diǎn)，隨著風(fēng)向變化角度的增大，最低點(diǎn)逐漸減小，60°時最大主應(yīng)力值的最低點(diǎn)是最小的，在風(fēng)向變化角度為15°時，應(yīng)力維持30 s期間波動最大且塔底波動幅度比塔頂小。由于葉輪和機(jī)艙重力等原因的影響，塔架底部應(yīng)力值均明顯大于塔架頂部應(yīng)力值。在風(fēng)向變化角度小于30°時，由風(fēng)向變化引起的扭矩和陀螺力矩對塔架的影響以及慣性導(dǎo)致的氣動力減弱效應(yīng)不明顯等原因，塔架頂部和底部應(yīng)力較大且不穩(wěn)定，因此在風(fēng)向變化角度小于30°時，即使風(fēng)力機(jī)功率下降不明顯，也應(yīng)進(jìn)行對風(fēng)操作。

3）現(xiàn)有對風(fēng)力機(jī)塔架應(yīng)力的研究主要集中在對準(zhǔn)來流的情況下，發(fā)展風(fēng)向動態(tài)變化下塔架應(yīng)力的分布規(guī)律研究是風(fēng)力機(jī)塔架設(shè)計的基礎(chǔ)。此外針對風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)力和塔架應(yīng)力的干擾問題也應(yīng)進(jìn)一步研究。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" JEONG M S， KIM S W， LEE I. The impact of yaw error on aeroelastic characteristics of a horizontal axis wind turbine blade［J］. Renewable energy， 2013， 60： 256-268.

［2］"""" 戴麗萍， 周強(qiáng)， 姚世剛， 等. 偏航工況下水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能數(shù)值分析［J］. 太陽能學(xué)報， 2019， 40（3）： 628-634.

DAI L P， ZHOU Q， YAO S G， et al. Numerical simulations on aerodynamic performance of horizontal wind turbine" under" yaw" conditions［J］." Acta" energiae" solaris sinica， 2019， 40（3）： 628-634.

［3］"""" WEN B R， LI Z W， JIANG Z H， et al. Experimental study on the tower loading characteristics of a floating wind turbine" based" on" wave" basin" model" tests［J］. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics， 2020， 207： 1-12.

［4］"""" ZHU J， ZHOU Z， CAI X. Multi-objective aerodynamic and structural integrated optimization design of wind turbines at the system level through a coupled blade-tower model［J］. Renewable energy， 2020， 150： 523-537.

［5］"""" 柯世堂， 王同光. 偏航狀態(tài)下風(fēng)力機(jī)塔架-葉片耦合結(jié)構(gòu)氣彈響應(yīng)分析［J］. 振動與沖擊， 2015， 34（18）： 33-38.

KE S T， WANG T G. Aero-elastic vibration analysis based on a tower-blade" coupled" model" of" wind" turbine" in" yaw condition［J］. Journal" of" vibration" and" shock，" 2015，" 34（18）： 33-38.

［6］"""" LIU W Y. Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system［J］. Renewable energy， 2016， 94： 547-557.

［7］"""" 許德福， 孫文磊， 樊軍. 定風(fēng)速下偏航失控和葉輪過速時的塔架載荷分析［J］. 可再生能源， 2011， 29（5）： 24-27.

XU D F， SUN W L， FAN J. Analysis on the load of the tower under fixed wind of yawing stall and impeller exceeding［J］." Renewable" energy" resources，" 2011，" 29（5）： 24-27.

［8］"""" 柯世堂， 余文林， 徐璐， 等. 風(fēng)雨下考慮偏航效應(yīng)風(fēng)力機(jī)流場及氣動載荷［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）， 2019， 53（10）： 1936-1945.

KE S T， YU W L， XU L， et al. Flow fields and aerodynamic loads of wind turbine considering yaw effect under wind and rain interaction［J］. Journal of Zhejiang University （engineering science）， 2019， 53（10）： 1936-1945.

［9］"""" KE S T， YU W L， WANG T G， et al. Aerodynamic performance， and wind-induced effect of large-scale wind turbine system under yaw and wind-rain combination action［J］. Renewable energy， 2019， 136： 235-253.

［10］""" 侯海波. MW級風(fēng)電機(jī)組動力學(xué)性能仿真分析研究［D］. 重慶： 重慶大學(xué)， 2012.

［11］""" SCHAUMANN P， SEIDEL M. Failure analysis of bolted steel flanges［C］//Proceedings of the Seventh International Symposium on Structural Failure and Plasticity （IMPLAST2000）， Melbourne， Australia， 2000： 4-6.

［12］""" SCHAUMANN P， MARTEN F. Fatigue resistance of high strength bolts with large diameters［C］//Proceedings of the International Symposium for Steel Structures ISSS， Seoul， Korea， 2009： 12-14.

［13］""" 賀廣零， 李杰. 風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)抗風(fēng)動力可靠度分析［J］. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2011， 39（4）： 474-481.

HE G L， LI J. Dynamic reliability analysis of wind turbine systems"" subject"" to" wind" loads［J］." Journal"" of"" Tongji University （natural science）， 2011， 39（4）： 474-481.

［14］""" 劉曉峰， 俞黎萍. 風(fēng)力機(jī)混凝土塔架最小成本優(yōu)化設(shè)計［J］. 太陽能學(xué)報， 2017， 38（3）： 691-698.

LIU X F， YU L P. Minimum cost design of the concrete wind turbine tower［J］. Acta energiae solaris sinica， 2017， 38（3）： 691-698.

［15］""" 劉衛(wèi)紅. 風(fēng)力機(jī)葉片與整機(jī)的預(yù)應(yīng)力振動模態(tài)分析［J］. 湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 24（4）： 24-27.

LIU W H. The prestressed modal analysis on blade of wind turbine and entire machine［J］. Journal of Hunan Institute of Engineering （natural science）， 2014， 24（4）： 24-27.

［16］""" 李德源， 劉勝祥， 張湘?zhèn)? 海上風(fēng)力機(jī)塔架在風(fēng)波聯(lián)合作用下的動力響應(yīng)數(shù)值分析［J］. 機(jī)械工程學(xué)報， 2009， 45（12）： 46-52.

LI D Y， LIU S X， ZHANG X W. Dynamical response numerical analysis of the offshore wind turbine tower under combined action"" of"nbsp; wind"" and"" wave［J］." Journal"" of"" mechanical engineering， 2009， 45（12）： 46-52.

［17］""" 許斌， 李正超， 謝詠劍. 組合風(fēng)電塔架混凝土填充鋼箱連接段數(shù)值模擬［J］. 機(jī)械設(shè)計與制造， 2016（3）： 30-33.

XU B， LI Z C， XIE Y J. Numerical simulation on concrete-infilled steel box connection of hybrid wind turbine tower ［J］. Machinery design amp; manufacture， 2016（3）： 30-33.

［18］""" ZHANG S X， LUO K， YUAN R Y， et al. Influences of operating parameters on the aerodynamics and aeroacoustics of a horizontal-axis wind turbine［J］. Energy， 2018， 160： 597-611.

［19］""" KE S T， YU W， WANG T G， et al. Wind loads and load-effects of large scale wind turbine tower with different halt positions of blade［J］. Wind amp; structures， 2016， 23（6）： 559-575.

［20］""" Wind""" energy""" generation""" systems-Part""" 1：""" design requirements，" IEC61400-1" international" standard" fourth edition［S］." International" Electrotechnical" Commission， 2019.

［21］""" 辛欣瑤， 汪建文， 趙爽. 基于統(tǒng)計方法的自然風(fēng)風(fēng)向預(yù)測模型［J］. 工程熱物理學(xué)報， 2021， 42（6）： 1438-1445.

XIN X Y， WANG J W， ZHAO S. Prediction model of natural" wind" direction" based" on" statistical" method［J］. Journal" of" engineering" thermophysics，" 2021，" 42（6）： 1438-1445.

［22］""" 曾杰. 大型水平軸風(fēng)力機(jī)載荷計算和強(qiáng)度分析的方法研究［D］. 烏魯木齊： 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2001.

ZENG J. The research on method of horizontal axis wind turbine load calculation and intensity analysis［D］. Urumqi： Xinjiang Agricultural University， 2001.

［23］""" DOU B Z， GUALA M， LEI L P， et al. Wake model for horizontal-axis wind and hydrokinetic turbines in yawed conditions［J］." Applied" energy，" 2019，" 242（PT.1285-176）： 1383-1395.

［24］""" DOU B Z， GUALA M， LEI L P， et al. Experimental investigation of the performance and wake effect of a small-scale wind turbine in a wind tunnel［J］. Energy， 2019， 166： 819-833.

ANALYSIS OF STRESS CHARACTERISTICS OF WIND TURBINE TOWER CONSIDERING DYNAMIC CHANGE OF WIND DIRECTION

Yan Sijia1，2，Wang Jianwen1，2，Zhang Jianwei1，3

（1. College of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China；

2. Key Laboratory of Wind and Solar Energy of the Ministry of Education， Hohhot 010051， China；

3. Key Laboratory of Wind and Solar Utilization Mechanism and Optimization， Hohhot 010051， China）

Abstract：The wind turbine developed by the research group is taken as the research object and the dynamic change of wind direction is simulated through the dynamic rotating platform. The stress change on top and bottom of tower under the dynamic change of wind direction is studied， and the influence of the dynamic change of wind direction on tower stress is analyzed. It is found that with the increase of the angular velocity of wind direction change， the maximum principal stress value increases firstly and then decreases. When the angular velocity of wind direction change is 0.5（ °）/s， the maximum principal stress value has the smallest changes， and when the angular velocity of wind direction change is 1（ °）/s， the tower has the worst stability. With the increase of angle of wind direction change， the maximum principal stress value firstly increases and then decreases， and the minimum principal stress value decreases with the increase of wind direction change angle. When the wind direction change angle is 60°， the maximum principal stress value is the minimum， and the stress fluctuation is obvious when the wind direction change angle is within 30°.

Keywords：wind turbines； tower； stress； angle of wind direction change； angular velocity of wind direction change