西北典型风资源环境下大型风力机组动态特性问题研究

拟对甘肃省酒泉地区河西走廊风资源环境下工作的大型风力机组系统动态特性问题进行研究。该系统动态特性指构成机组各子系统间运动规律与风力环境间的关系。将在构造出描述该地区风力特性的数学模型基础上，采用将风轮载荷等效转化为作用在风轮轴上的三正交力、三正交力偶方式，分离出风力机机械系统与塔架。拟建立考虑受风压、风剪切作用的塔架对风力机机械系统施加随机激励扰动时，两者相互约束的多体系统动力学模型，解决两者间动力学耦合关系的理论建模问题，解决偏航中风力机组动态响应的仿真模拟方法。预期目标是建立河西走廊区域考虑塔架风载影响的风力机机械系统动态性能计算模型，提供其动态响应的仿真模拟方法。欲为我国兆瓦级风力机组的结构性能优化设计，获得偏航中的核心控制策略等，提供理论依据。.本研究属机械系统动力学、结构动力学、多体系统动力学学科交叉问题。它对建立我国风力机动态设计的理论体系，有重要基础作用。

以在甘肃省河西走廊风资源环境下运行的风电机组为研究对象，依据多体系统动力学、空气动力学等力学原理，对风电机组传动链系统的若干种刚柔耦合子系统动态响应计算的动力学方程建立、数值计算方法和动态响应规律进行了探讨。预期目标是欲为我国兆瓦级风力机组动态性能的结构优化设计、解决偏航过程中的核心控制策略等提供理论参考依据。为此开展的研究专题情况如下：1）在三点式、四点式两种支撑方式下，水平轴式风电机组传动链系统的动力学方程建模方法研究；2）随机风载下大型风电机组整个传动链系统的动力学方程统一模型建立与动态响应分析；3）考虑关键部件的时变动刚度、时变动态阻尼等内外激励因素的影响作用时，传动链系统动力学模型的等效简化与动力学方程组构造、振动响应的数值计算和振动抑制方法探讨；4）在三维空间中，风电增速箱的非线性振动方程建立和振动响应的数值模拟方法；5）考虑偏航轴承齿轮副碰撞干扰影响作用时，偏航系统的动力学方程建立、偏航轴承的静态与瞬时动力学响应规律分析；6）由叶片—轮毂—主轴—主轴轴承构成的多体子系统，其力学响应的数值仿真方法与分析；7）柔性叶片、刚性轮毂构成的叶轮子系统，其结构动态响应规律与稳定性分析等。.经数值仿真途径得到的结果基本上是以显示各部件的动态响应位移线图为主。典型的如考虑了轴承刚度阻尼的激励、轴承间隙、叶片的柔性变形对风电机组稳定性的影响作用，根据仿真结果得到的结论是：风剪切作用导致的气动力不平衡对主轴轴系的稳定性影响较大、叶片根部受交变弯矩作用、叶尖处会出现周期性摆振。在对风电机组低速轴端子系统动力学性能计算中，提出了一种能够为主轴轴承的选择、叶片强度分析和整机系统参数确定提供良好支撑的计算方法。研究发现，刚柔耦合多体系统动力学理论是揭示风电机组动态响应规律的基础理论依据，但仿真结果受制于所考虑干扰因素的数目及对其进行数学物理模型描述的可靠度所决定。因此细化随机激励因素的综合干扰作用，探讨多源激励、多因素耦合作用下风力机组整机系统的非线性动态响应规律，是本研究需继续关注的基础问题。但结构庞大、无法在实验室进行运行性能模拟的客观事实显示出，关于风电机组动力学基础问题研究的思路需尽快拓展。而推动该方面的研究向基于大数据技术理念指导的，即通过积累海量数据资源、经数据挖掘途径去揭示出复杂机械系统的动态响应规律，是需尽快引起关于机械系统动力学方向关注的新型基础性课题。