在役风电塔架极端荷载下结构损毁机理及灾变控制方法研究

China owns the largest wind turbine capacity in the world and wind power is one of main energy resources for today's China. However, most existing Chinese large-scale wind farms are located in regions prone to earthquake and typhoon and many structural failures due to seismic and strong wind loads have been reported. To evaluate seismic and strong wind risks for in-service wind turbine tower structures and to develop corresponding mitigation strategies, this research, based on previous study results, proposes the following tasks: (1) to investigate wind turbine tower dynamic response and failure mechanism through structural analysis; (2) to develop a novel viscous damper and to study its performances through an experimental program; (3) to develop a system for vibration depression and buckling resistance of the wind turbine tower and to validate its workability through lab testing. Considering the geographical distribution feature of Chinese wind farms, this proposed research focuses on in-service wind turbine towers. Extensive numerical simulations are to be conducted. Through this work, it is expected to improve wind turbine tower structural resilience. The outcomes of this research will also provide basic knowledge for life-cycle maintenance of wind farm facilities.

中国风电装机总量世界第一，风电已成为我国第三大能源。然而，我国已建风场多分布在地震或台风影响范围内，有多起倒塔事故的报道。作为支撑机组的塔架，具有不同于一般土木结构的特点。为科学评估在役风电塔极端荷载下结构性能，并发展相应减灾方法，本课题在前期研究基础上，计划深入开展以下工作：（1）开展风电塔动力分析，揭示在役风电塔动力响应特点和极端荷载下的破坏规律；（2）发展适应于风电塔减振的新型舌板黏滞阻尼器，通过试验研究其力学性能；（3）研究风电塔结构振动控制方法，提出减振和防屈曲双重功效的在役塔架保护技术。课题基于我国风电场分布地理环境特点，聚焦在役风电塔的性能提升，综合考虑风机气动效应和塔架结构精细分析要求，利用数值仿真和模型试验开展工作，揭示在役塔架在极端荷载下的破坏机理并提出相应灾变控制策略。项目成果将为发展风电塔全寿命管理提供理论基础，并对提高我国风电设备防灾水平有重要意义。

风力发电机组在服役过程中，受场地和环境激励的影响，尤其是在极端载荷作用下，其塔架支撑体系面临倒塔等结构安全问题。本项目针对在役风电塔架极端荷载下的结构损毁机理及灾变控制方法开展了系统深入的研究和探讨，完成了计划书中的研究内容。主要成果有：1）考虑在土-结构相互作用下，通过建立非线性有限元模型，分析了陆上风电塔架在强震和强风等极端荷载作用下的倒塔损毁机制，并比较了不同极限状态下风电塔的易损性和失效概率；2）分析了运转工况下风电塔的气动阻尼，提出了在风震耦合作用下结构响应的简化计算方法；3）探究了不同类型设备和方式在现实风电塔健康监测中的适用性，并结合结构特点发展了相关模态分析和状态监测理论；4）研究了风电塔在长周期地震动以及下击暴流下的结构响应特征，并提出了相应的机组控制策略；5）开发了多种新型灾变控制装置并提出了对应的设计方法，包括舌板粘滞阻尼器、调谐质量阻尼器减振系统（包括被动、半主动、混合控制方式）、惯容式调谐质量减振系统以及利用塔筒变形的剪刀支撑式和拉索式耗能减振系统等；6）探讨了混合试验在风电塔非线性动力分析中的应用，并开发了相应的虚拟实验平台，此外还分析了混合试验方法在未来风电塔中的应用场景。本项目在风电塔建模和动力分析、减振装置开发、机组控制策略、装置参数优化、结构健康监测、试验分析等方面均取得一定的成果，为在役风电塔的结构安全评估、动态监测以及未来新建机组的设计指导均提供了重要的实用借鉴价值。