风力发电机组塔架结构动力学分析.docx

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1、摘 要风力发电总装机的动力学解析一般是基于具体共振以及平稳性而开展。当风力涡轮机在自然风环境中运作时，由于此设备叶片上的空气动力、惯性力以及弹力出现交变载荷。弹性振动体的叶片和塔架两者间会出现耦合振动。假定外界激振力频率和本身固有频率一样，此时会出现共振现象，进而对风力发电机组造成很大的毁坏。因此，为了消除共振，系统固有频率的频率应通过系统固有频率来避免。经过查找众多研究信息，深入探讨叶片转动和塔架弯曲的耦合振动，且分析方位角p的作用。此时风轮旋转部分的划分，并对不旋转塔架开展分析。采用模态研究方式来创建转子轮毂与机组塔架的运动方程式。此后，在轮毂与塔架变形一样的时候，采用耦合上述运动方程，创

2、建转子/塔架系统的运动方程。在创建此模型的时候，在一定程度上简化叶片与塔架模型，且寻找确定塔的等效刚度和等效半径的有效办法。对沈阳工业大学的1 MWS ut - 1000模型进行了分析和验证,得到了系统的固有频率。结果表明，该装置的励磁频率与风力机的励磁频率不一致，响应曲线表明该装置运行平稳。叶片、轮、舱室质量与塔架结构被当做是风力涡轮机原本就具备的频率影响关系。为了验证j，SUT - 1000模型分析的准确性，采用叶片风力机相关设计工具与ANSYS通用有限元研究软件开展统计。不同方式统计结论大致类似。利用上述研究。风力发电机机的自主设计开发过程、风力机转子/塔架系统的稳定性分析、风力机整体性

3、能的提高和整体高效设计具有关键的理论与实践价值。关键词：风力发电机组，共振，模态分析法，固有频率AbstractWind power generators primary problem of dynamic researching is the systematic resonance and stability for the、ind turbineWind power generators alternate loadair driving force inertial force and elastic force etcthat be pressed on the blade of

4、wind turbine，call bdng on coupling vibration of the elasticblade and tower when the wind turbine works in the condition of natural windIf thefrequency of outside force approaches the systematic natural frequency，the resonance will be happened and arousing intense destroying for wind turbineTherefore

5、，only making the systematic natural frequency keep away from the frequency of outside force can avoidresonanceBy looking up a lot of data,the coupled rotor brandishing and tower front and backbending system is analyzedWind power generators azimuth angle is consideredFirstly,tower and rotor aresepara

6、tedA motion equation is set up which could describe rotor hub and nacelle tower with mode analytical methodThen，the consistent condition of hub and tower is performed toestablish the coupled rotortower motion equationWind power generators methods that can reasonable predigestthe blade and towermodel

7、 is discoveredWind power generators 1MW wind turbine of Shenyang University of Technology SUT-1000 is analyzedabove modelThe systematic natural frequency and response curve are obtainedThe results indicate that the wind turbine work is steady and the systematic natural frequency is not coincided wit

8、h the rotor frequencyWind power generators effect relation between each parts weight and towerstructure on wind turbine natural frequency is caughtIn order to prove the mathematical modal is correct，the wind turbine SUT-1000 is also analyzed and calculated witll Bladed wind turbine special design so

9、ftware combined with ANSYS finite element analysis softwareIt is important to analyze the stability of coupled rotortower system in the course of wind turbine independent design by the above analysisIt has important theory value and actual significance for wind turbine in enhancing capability and op

10、timal designKey Words Wind Turbine，ModeAnalytical Method，Natural Frequency，Resonance目 录 摘 要1Abstract21前言31.1风力发电机组发展现状和趋势312风力发电机组的动态特性413国内外风力发电机组动力学研究现状5131国外风力发电机组动力学研究现状5132国内风力发电机组动力学研究现状714风力发电机组设计软件现状715本课题的来源、意义及研究内容8151课题的来源8152选题的意义8153课题主要研究内容82风力发电机组的载荷分析921载荷分类和来源9211载荷分类9212负载来源1022载荷的

11、确定方法11221叶素理论11222塔影效应模型12223风力发电机组主要载荷的确定方法133基于BIaded软件的动态计算1431模型建立1532计算结果164风轮转子塔架系统的建模与稳定性分1941模态分析法1942坐标系的建立2043系统的稳定性分析2144影响系统稳定性的因素226结论与展望2561研究工作总结2562工作展望251前言伴随经济与科技的发展以及工业化水平的提高，工业4.0随之来临，能源与环境问题逐渐变成影响大众生存与发展的主要阻碍。为了处理能源不足的问题，可再生能源的开发使用也开始得到不同国家的关注与认可。风能是重要的、没有限额的无污染能源，也是目前具备发展潜力的能源。

12、此能源的发展不只能节约一般能源，此外也便于环保事业的发展。风力发电是优化能源结构、避免环境问题的主要方式，因此具备较高的经济、社会与环境三方面效益。我国是全球风能资源最充足的国家，其是重要的无污染能源，在国内能源总量内所占比值不断提高，对于风力发电机组性能优异的设计和开发，对国内经济发展产生相对积极的现实影响。1.1风力发电机组发展现状和趋势风力发电是目前我们使用的重要方式。一直到2004年，全球各个地区创建在此类发电站装机容量为31.77万千瓦。欧洲拥有最多的风能，其次是美国。根据表1.1可知近期全球重要风力发电国家发电的现实状况。目前，德国、美国、西班牙和印度是世界上影响最大、增长最快的国

13、家。当前，世界MW级机组比值显著提高。在1997年，此比值低于10%，然而在2001年则超过50%，在2002达到了62.1%。风力发电装机容量2003为1.2mW。随着海上风电场的建设，2.5兆瓦机组正在运行，从3兆瓦到5兆瓦的巨型机组。2002年安装的最大原型是enercon，德国的e112装置，直径12米。额定功率4.5兆瓦。其次是ge 3.6机组，ge公司的美国风力机直径为100 m，额定功率为3.6 mwl 4。51 .欧洲国家已经发展了兆瓦级的机组单机容量，有关科技也较为完善。伴随设计观念更加成熟以及现实经验的积累，商业化水平也得到明显的提升。当前在世界风电产业内占据重要位置。表1

14、1 2005年底世界主要国家风电装机容量从上表中可以看出，中国在世界上还有很长的路要走，即使是在和印度一样的发展中国家，由于我国商业大型风电产业起步较晚，还存在较大差距，如欧洲和美国，与发达国家。“95”时期，叙述借鉴生产科技的方式，利用学习与国产化，顺利设计出600 kw失速型风力机。“十五”时期，我国863规划开始设计容量较大的兆瓦级风电机组。但是，即便我国经济发展水平不断提高，但是我国和其余风电国家也存在不小的差距，现实问题是设计能力不高。12风力发电机组的动态特性风力机是刚性与柔性相融合的多体系统。重点弹性振动器是叶片与塔。机舱稳定，通常与质量惯性振动相关。参考图1.1可知，属于叶片与

15、塔架振动，前者是风力涡轮机中最复杂的部分，具有长生成、短字符串和良好的灵活性，它是易受振动波及的细长弹性体，风力涡轮机的内部机械振动最先出现在叶片。另外，其是比较明显的气动元件。在旋转时期，叶片不只可以承担环境气体阻力的影响，此外也会出现升力，促使其变成机械振动与气动力的气动弹性零件。振动、摆动以及扭转是其振动的主要类型。挥动表示叶片在垂直在旋转平面方向上的弯曲振动。前轮摆振是叶片基于自身在旋转平面内的可变轴线的扭转振动以及指状物伴随可变轴线的扭转振动。上述机械振动与气动围绕产生气动弹性现象。假如彼此影响弱化，运动相对平稳，不然会出现颤振以及发散。上述不平稳的伤害性运动相对明显，在此类设计时期

16、需要重点分析与思考。图1.1叶片和塔架的振动情况风力机塔架是重要的细长形结构，装置在塔底顶部，风轮周期性转动，质量高，对风轮固有振动特点产生积极作用。风力机塔架不只在风轮旋转阶段周期性的受到影响，此外和随机风荷载也有一定的关系。因为上述部分彼此影响，塔架会出现振动，通常包含三类振动，也就是横向弯曲、弯曲与扭转三类振动。上述振动不只会导致塔架的附加应力，此外也作用于结构强度，作用于顶部风轮变形以及振动情况。在风机运行的自然风况下，由于空气动力风力机叶片的作用、惯性力和交变载荷的弹力，身体会出现弹性振动叶片以及塔架耦合振动，其中风力发电机叶片摆动振动和塔架侧弯耦合振动、前后弯耦合振动波风力机叶片和

17、塔架两种形式。在叶片旋转频率靠近联轴器原本频率时，出现共振问题，出现很高的动应力，造成结构疲劳损坏，减少设备的使用时间，不利于风力机的功能与平稳性。13国内外风力发电机组动力学研究现状风力机的动力学领域是包含结构、空气、系统等众多动力学知识的复杂领域。结构动力特性研究重点探索工程机械的固有频率与振型，研究结构在外荷载功能下的动力特点。131国外风力发电机组动力学研究现状风力涡轮机在开放的大气中运行，具有随机和风切变效应。为了获得更好的气动特性，叶片形状不对称，并固定在高度柔性的塔架上。所以，其内部结构动力研究和普通工程机械相对更加复杂。因此，国外许多研究机构对大型风力机进行了结构动力分析，包括

18、柔性叶片和柔性塔架，主要分为两种试验方法和计算方法。主要方式是把激励信号增加到叶片与塔架上。利用测试输入与输出响应信号，使用参数辨别方式对风力机结构参数的动态特点开展研究。其是对相应风力涡轮机的重要分析，最终结果相对稳定且高效，也是我们经常使用的研究方式。答案是，对于规模庞大的风力涡轮机容量提高，叶片与塔架一般是几十米或乃至更多，在上述状况下，设施装置与操作无法顺利达到测试标准，从风力涡轮机设计理论上进行分析也不符合现实情况。比较重要的计算与研究方式是利用数值积分来求解耦合运动方程。上述方式一般任务量较多，尤其是对于多自由度耦合体系，解的值相对繁琐。通常来说，此时需要简化方程内容。比如，使用G

19、alerkin方式简化上述方程内容，然后利用flo队列估计动态系统的稳定性，并用积分法求解。这种方法工作量大，难以解决高阶情况。近年来，风力发电机组动力分析常用模态法与有限元法。前者的一般方式是把运动方程耦合成布朗方程与独立方程。利用求解不同独立方程得出不同模态的特征参数。之后使用得出的模态参数对系统运动特性实施预估与研究。后者的主要理论是，把接连不断的求解区域离散成一组有限个、此外依照相应形式彼此联系起来的单元组合体，通过不同单元连接的元素组合，所有解域内的未知场函数利用假设在不同单元内的近似函数来表示。这是为了解决一个简单的问题而不是一个复杂的问题。基于风力机主要部件与塔架、传动系统和偏航

20、系统之间的强耦合，研究了风力机的动态特性。所有系统的动态特性表现出繁杂的不平稳性、弹性与共振，分析的重点是耦合系统的动力学建模。当前，上述问题一般是使用结构动力知识处理。第一，一般采用直升机旋翼桨叶普遍使用的等效铰链模型。叶片相当于刚体，根部通过弹性柱铰链(也称为半刚性模型)连接到轮毂。由于大型风力机塔架的动力特性和相关耦合系统与直升机旋翼-机体耦合系统类似，所有在直升机部分寻找到的完善分析方法也适用于1281个问题。肼的电火花加工釉是给予了特别关注基于直升机的无铰旋翼气动弹性问题，并建立了无铰旋翼系统的气动弹性模型，可以估计的更不稳定的空气动力学效果比直升机桨叶。单个叶片的气动弹性稳定性和动

21、力响应扩展到整个系统和底部铰接叶片的转子组件，并未关注到叶片的扭转变形，只思考滞后以及波浪变形，假设塔架梁的弯曲以及扭转具备零自由度连续性:塔架和底部两者间的柔性连接偏转、线性弹簧以及阻尼器的轴与转子塔架的运动方程、车轮力与扭矩平衡方程和风力涡轮机塔架耦合的运动方程。当前，转子与塔架运动方程的对应主要适用多种建模方式。施泰由于列出转子塔架系统的线性运动方程，采用Hamilton理论对塔架与桨叶弹性连续体推测出包含边界要素在内的偏微分方程。采用Galerkin公式、位移和塔底两个水平方向的四个俯仰和偏转自由度来表示塔的模态坐标，完成塔的运动方程。模型辅助函数叙述变量，主要包含采用塔架内的不同弯曲

22、与扭转振动以及静态叶片振动分离塔架的非旋转和旋转转子部分，然后使用模式和耦合方法求解转子和塔架的运动方程。132国内风力发电机组动力学研究现状然而通过二十多年的科技分析，在我国相关组织与地区政府的扶持下，沟内风能相关科技出现明显的进步，积攒较多的发展经验。但是，对风力机动态特点的分析才开始，通常是学习其他国家的经验开展建模以及研究。在风力发电机组转子/塔架耦合系统建模内，在此类气动弹性耦合转子/塔架/机房响应分析资料内，使用基于Hamilton或Hamilton理论的有限元方式，对5节点2节点18自由度以及12自由度梁单元模型实施离散，把机舱以及塔架变成刚体，创建简单的模型。使用弹性铰法建立了

23、水平轴风力机转子/塔架耦合系统的简化模型。研究了塔架叶片摆振和横向弯曲振动。对塔内前后的叶片拍打和弯曲振动进行了研究。以上只是对中小型风力机动态特性的研究，尚未对兆瓦级风力机进行研究，兆瓦级风力机动态特性比较复杂。14风力发电机组设计软件现状德国、丹麦等西方国家与瑞典等的风电科技研发时间较长，表现出领先的计算机科技、较强的CAD / cam基础与能力和领先的制造能力，且在科技层面位于领先位置。当前，西方国家的风力发电机组计算机辅助设计和生产科技逐渐完善，此外在商业领域内使用。典型的工具为英国Garrad Hassan企业设计的“Bladed for Windows”、荷兰Delf学校设计的“F

24、OCUS”与ECN企业设计的 “BladedforWindows”属于成熟的风力机设计软件，其主要包含风场位置、叶片设计和核查、塔筒的核查、轮毂设计和核查和所有功能统计等。具备相对强大的软件作用。“FOCUS”是目前普遍使用的风力涡轮机设计工具，主要使用在风力涡轮机的结构动力学研究、叶片与塔架设计等部分。“PHATASII”通常使用在风力机关键部分的时域动态载荷统计。在目前最新出现的“PHATASIV”内，增加其扭曲叶片以及塔架的结构动力研究统计。其具备领先的计算模型与方式，主要包含工作站与微机两类，对硬件提出严苛的标准，表示此后的发展趋势。我国风力发电科技目前位于发展早期，相关设计工具较少。

25、当前，西方国家大多数软件全部是辅助统计，并未出现风力发电机组设计工具。15本课题的来源、意义及研究内容151课题的来源为了研发使用国内充足的风能，掌控风力发电机的重要科技，独立研发与设计规模庞大的风力发电机，国家有关组织把兆瓦级变速恒频风力发电机的设计规划添加到“十五”规划等重大规划内。本分析主要将国家“863”科技攻关活动( 2003aa 510020 )当做宏观环境，分析兆瓦级风力发电机组的动态特性，为机组整体结构设计寻找合理凭证。152选题的意义从以上研究可知，转子/塔架系统的耦合振动对综合平稳性产生关键作用。在风轮的转动频率靠近联轴器的固有频率时，出现共振问题，出现较高的动应力，造成结

26、构过度受损，减少设施的使用时间。所以，风力发电机组的平稳性研究逐渐变成关键的分析内容。但是，与此部分相关的分析不足，在我国，兆瓦级风力发电机组的设计逐渐开始。为了防止风机共振造成的负面影响，需要充分分析整机的结构动态特点。所以，在风力机后续设计研发时期，对风力机转子/塔架系统开展深入研究，提高风力机整体性能，对风力机整体科学设计带来关键的理论与实践意义。153课题主要研究内容我们将沈阳工业大学轮机1MW风sut-1000真实模型当做案例，分析风力机转子/塔架系统结构的动态特点，重点达成下述任务。（1）对风力机的负荷进行分析，掌握风机在运行过程中的负荷确定方法。（2）对1MW风力机进行建模，利用

27、叶片风力机专业设计软件计算。（3）参观各个国家的有关信息，融合有关分析结论，创建转子/塔架系统的数学模型。第一，创建叶片轮毂的数学模型。第二，创建机舱塔架运动的数学模型。第三，对应轮毂和机舱，创建旋翼/塔架系统的综合数学模型。（4）使用MATLAB工具求解风力机转子/塔架系统的数学模型，得出综合固有频率以及系统振动，且和叶片软件的统计结论进行对比，寻找出科学的模型。对系统开展研究，明确系统是否平稳，寻找出和系统固有频率相关的条件。（5）依照所创建的具体模型，在ANSYS通用有限元研究工具，创建对照的简化模型，与1MW风力机开展大致的研究与统计。统计结果和模型的结果开展对比，检验出模型科学性。2

28、风力发电机组的载荷分析风力涡轮机依赖风轮把动能转变成机械能，所以其是风力涡轮机中最重要的力分量。风力发电机的其他部分的负载主要是由风轮上的负载造成。风轮上载荷影响风轮力与力矩，其具备气动力、惯性力与结构力，此处空气动力相对繁琐。当风力涡轮机在野外运行时，自然风中有一阵风和湍流。在遇到风的时候，瞬间内风速变化可超过几十秒，对风力涡轮机造成显著的瞬时负荷。在风力机的问题造成紧急暂停时，会导致风力发电机组承担较高的瞬时负荷。因为风速与风向不断变动，风力涡轮机在地球重力场内持续旋转，因此会导致其出现相对复杂与严重的交变载荷。所以，出现在风力涡轮机内的负载会显著作用于整体强度与使用。21载荷分类和来源2

29、11载荷分类出现在风力发电机组上的力以及力矩被叫做负载或载荷，上述负载可被划分成七类：(1)静态负载(不转动)适用于静止的结构不变的负载，如应用于静态的风力涡轮机零件的负荷。(2)稳态负载(转动)出现在运动结构内的恒定载荷，比如施加到平稳旋转的风力涡轮机叶片上的载荷以及其余零件。( 3 )周期性载荷通常是因叶片旋转造成的载荷，和叶片重量、风切变、偏航运动、综合结构振动以及构件振动相关。负荷变动周期是风机转速变动的整数倍，比如单叶片风力机，负荷周期为1倍，3叶片风力机有3倍的循环负荷。（4）瞬时载荷、动载荷或者动态冲击对瞬态载荷的反应。时变载荷通常由瞬时响应振荡以及最终衰减反应。（5）脉动载荷的

30、短周期载荷也许造成较大峰值。比如，叶片塔效应与叶片铰链部分的减振器均反映成脉动载荷。（6）时变载荷伴随随机载荷表现出显著的随机特点，平均值也许较为平稳，然而幅值较大。比如，叶片在紊流内的作用力。（7）谐振感应负载源自风电机组固有频率的动态共振响应的周期性载荷。其并非某类别的负载，需要独立列出，由于其也许会导致负面结果。一般来说，风机的动态响应是因负面运行条件或不科学设计导致的。图21风力发电机组所受载荷的来源212负载来源参考图21可知，负载关键来源为（1）空气动力是负载的主要来源，这与风力发电和风力涡轮机的结构设计相关。思考为风与气动载荷造成疲劳受损。在叶片依旧位于风中时，此刻阻力是关键思考

31、条件，而在其旋转时，升力是关键思考条件。（2）重力重力是影响叶片的关键动力，尤其是对于规模庞大的风力涡轮机。机舱重量对于塔架设计以及机组装置十分关键。（3）惯性力（包含离心力与陀螺力）在叶片旋转时出现离心力，这是由于部件运动产生的力。当叶片在偏航中旋转时，会产生陀螺力，当偏航率较高时，陀螺力会很大。(4)来自于控制系统的运行载荷在风轮机运作时，由控制出现的负载，比如制动、偏航、间距与净去除，会造成结构与部件上的负载变动。22载荷的确定方法221叶素理论叶素理论的主要着手点是把叶片沿着展向划分成大部分微段，叫上述微段是叶素。假定影响每个叶片单元上的气流彼此不影响。换句话说，叶元素被当做二维翼型。

32、当影响每个叶片元件上的力与力矩沿方向延伸时，影响风轮上的力与力矩可得出1401。对于所有叶子，其速度被划分成垂直在风轮的旋转面分量与平行于此转动面的平面分量。速度三角形与空气动力分量参考图2.2可知。数字超过了流入的角度，攻击出口角，0叶的几何速扭叶角，K流速。从动量观点我们就能知道，在思考风轮尾迹的时候，尾迹随之旋转。此处，A为轴向诱导器，B为诱导器的圆周。因此，V速叶空气速度的合成可以表示为：叶素处的入流角和攻角大于口：图22作用在叶索上的力和气流流速这样，获得攻击角度后，此时得出升力系数C与叶元的阻力系数CD依照翼型的气动特性曲线，图2.3是关系图NACA0012翼型的升阻比与/攻角。合

33、成气流速度造成的影响，在长度是咖叶素上的空气动力可被划分成法向力 dF与切向力Jr,，识和dE可全面表达成：其中： p空气密度；c叶素剖面弦长；G、c主要代表法向力与切向力系数，也就是图23升阻比与攻角的关系222塔影效应模型由于空气流动的堵塞，塔的上游和下游将降低流速，这被称为塔阴影效应。对于大型风力发电机组，通常采用圆柱塔。对于圆柱形塔，因为空气分离与涡流出现，塔影效应突出。在出现宝塔效应时，垂直在风轮旋转平面的速度可被表达成：其中：月一塔架高度；（x，y）水平平面的不同方向内的坐标。223风力发电机组主要载荷的确定方法风力发电机组的外界载荷一般影响叶片，而作用于塔架内的载荷(包含扭矩、轴

34、向与横向弯矩一般是因叶片载荷导致的。影响桨叶载荷的主要是空气动力与惯性力的交变以及重力载荷“1”，详情参考图2.4可知。图24风力发电机组所受的载荷(1)空气动力载荷影响叶片载荷的主要是摆振方向的剪力Qy与弯矩M，、挥舞方向的剪力Q与弯矩肘，和变桨距时与距力相平衡的叶片俯仰力矩M：。叶片内空气动力载荷主要依照叶素知识开始统计，统计轴向与周向诱导因子B的开放统计，之后依照式25 得出叶素内气流速度三角形和影响叶素法向力识与切向力，之后利用积分得出影响叶片的空气动力载荷Q、g、M与M，。其中：R风轮的半径； ，车轮半径。一般来说，翼型气动信息和翼L4弦的方位相关，所以俯仰力矩可被表达成：其中，C是

35、翼型俯仰力矩系数。(2)重力载荷出现在叶片重力载荷对叶片造成摆振方向的弯矩，其伴随具体方位角的变动表现出周期变化，是此部分的重要疲劳载荷。所有叶片都重视质量，M，因其出现的重力扭矩。是：(3)惯性载荷叶片惯性载荷主要是离心力与陀螺力。离心力因为风轮转动，导致叶片离心力始终依照叶片。在其挥舞方向远离风轮旋转面的时候，叶片方向的离心力出现的弯矩可弱化偏差问题，被叫做离心力刚性叶片效应。出现在叶片Q内的离心力可表达成：其中，M是从I段到风轮的旋转之长度。陀螺力在风轮旋转且在偏航运动的时候，叶片会出现垂直在风轮旋转平面的陀螺力。风轮是顺时针旋转速度Q，偏航顺时针旋转速度是人，之后因陀螺力出现弯矩M。其

36、能被表达成：3基于BIaded软件的动态计算“Bladed forWindows”是世界知名GarradHassan企业设计的风力发电机组。上述工具可统计与仿照风力机的空气动力以及结构动力特点与承担的负荷。也是目前普遍使用的软件，可以进行设计与检验，1421。图3.1是软件的关键部分。Bladed软件逐渐被普遍使用在模型测试中，利用真实测试信息，比如维斯塔斯V27，Nordtank500KW、NedWindlMw等。本文最先使用Bladed软件测试与统计沈阳工业大学lmwsutol000模型，且统计单位的自然频率。图31“Bladed forWindows”软件的主界面图32叶片的模型31模型

37、建立(1)叶片模型创建此模型的时候，把叶片分类成二十五个截面，之后填写上述诸多截面的几何参数、质量以及刚度分布等信息，参考图32可知。(2)塔架模型此模型的创建和上述创建方式相同。把塔架分类成二十一段，确定不同部分的直径、厚度、质量与刚度分布等信息，参考图3.3可知。图33塔架的模型(3)机舱模型因为机舱在统计时期对载荷的作用较小，不需要创建精准的模型，所以机舱模型的创建使用简单的方式，只把机舱当做六面体，确定质心位置、质量以及转动惯量等信息就可以，参考图34内容。图34机舱的模型图35风力发电机组振动的坎贝尔图32计算结果以上模型创建结束之后，就能对风力发电机组实施模拟统计，通过计算可得出系

38、统固有频率以及系统振动的位移状况，从统计结论可知风力发电机组运作的平稳性。(1)系统固有频率图35是通过Bladed工具统计之后得出的坎贝尔图(也就是系统共振图)，代表系统固有频率和风轮转速倍数两者间的关系。对三叶片风力发电机组来说，需要回避风轮激励的1倍与3倍频率。根据图中我们就能知道系统固有频率是O478Hz，此外在风车轮转速的运作领域内12r/分钟21.5r/分钟，和它不相交的1倍频和3倍频率。因此，该系统在工作速度范围内运行稳定。图36叶片的桨距角 Bladed工具在统计的时候思考风力发电机组叶片桨距角Y的作用，图35是叶片桨距角Y=0。统计得出的坎贝尔图，在叶片变桨时，桨距角出现改变

39、，所以叶片截面惯性矩出现改变，参考图36可知，x轴是旋转平面，确定叶片弦长和风轮平面平行时桨叶的俯仰角是0。图3.7主要利用转变叶片的俯仰角统计的系统固有频率的变化关系曲线。根据图内我们就能知道，其中固有频率伴随桨距角的变大而变大。风轮在真实运作中，桨距角在OO与30范畴内，根据图内信息可知，系统在上述范围内具备较低的固有频率，此外相同。图37桨距角对系统固有频率的影响(2)系统振动位移状况图38一图31l是风力发电机组在仿照周期接连风速激力下叶片与机舱随时间的振幅图，因此我们就能知道，机舱与叶片前后方向振动幅度很大，此外侧向振动幅度不大，根据第二章内的研究我们就能知道，主要是由于气动推力对风

40、力发电机组的振动影响比较大。图38机舱的前后位移图39机舱的侧向位移图310叶片的前后位移图311叶片的侧向位移4风轮转子塔架系统的建模与稳定性分风力机的动力学分析一般与系统共振以及平稳性相关。在外界激振力的频率和系统固有频率类似时，就会出现共振现象，此现象会影响机组的正常运作。所以，为了去除共振问题，需要利用系统固有频率来避免。对当前综合固有频率以及响应开展分析。最关键的是创建制度系统。内部参数与运作条件需要添加到数学模型，关键的是转子和塔架两者间的耦合。本文叙述叶片方位角度，进而呈现出叶片在多个方位时叶片对固有频率的作用。以桨叶挥舞、塔架前后弯曲为案例，分析第一非旋转塔架和风轮部分转动的划

41、分状况。通过模态法来创建转子轮毂与吊舱塔架的运动方程，之后使用轮毂系统类似的变形条件、转子轮毂和塔架的耦合运动方程、转子/塔架系统的运动方程来进行。最终引入模态坐标对耦合方程实施解耦，得出综合响应曲线。研究整体稳定性，寻找与系统固有频率相关的条件。41模态分析法模态分析是明确无阻尼自由振动环境中结构的固有频率与振型。其是分析结构动力特性的主要近似方式，是系统辨别在工程振动行业内的使用。模态是机械结构原本的振动特点，不同模态都具备相应的固有频率与振型。当结构在相应固有频率下振动时，结构方式是固有频率对照的模式。上述模态参数可利用统计或测试得出，进而把统计或测试研究的过程叫做模态研究。振动模式是弹

42、性结构的本质特点。使用模态研究法得出结构在给定频率范畴内的重要模态特点，可预估结构在不同内外源下的真实振动响应。所以，模态研究就是结构动力设计的主要方式。在机械设计时期，研究弹性体的振动问题可以回避共振，混凝土的力学结构可被当做具备多自由度的振动体系，具备众多固有频率、阻抗实验表示多重共振，结构自由振动的主要振动特点被叫做结构阅读模式。结构模式是由结构与材料特性所影响，其和外界载荷以及其他因素没有关系。42坐标系的建立图43确定创建风力发电机组系统动力学方程时的坐标系，不同坐标系概念详情为：(1)惯性坐标系(oxrz)，并不转动。其原点出现在轮毂未移动时的X轴垂直在Z轴风匕首的方位。此坐标系内

43、的单位向量为I、J与K.。（2）轮毂坐标系（O，X，Y，Z）是确定轮毂和其变形的坐标系。因此原点在轮毂中心，伴随轮毂中心位方位的改变而改变。主要单位向量为i.j.k.（3）叶坐标系（O，XYZ）是叙述叶片弹性变形与运动的坐标系。因此起源就是轮毂中心。X轴和叶片利用变形的弹性轴与Z轴旋转时，针对风的方向，参考图3.4可知。单位向量是I,j,k,。（4）塔架坐标系（O，X，Y，Z）是叙述塔架弹性变形与运动的坐标系。其中心位于塔的中心线和旋转轴两者的交点处。主要单位向量为i，j，K.图43风力发电机组坐标系图44叶片坐标系和叶片的弹性变形43系统的稳定性分析(1)式418是单自由度系统的特征方程，式

44、419是上述方程的不同特征根，对于三自由度系统，出现三对共轭的特征根。依照系统平稳性的判定依据，假如全部特征根的实部全部是负，此时属于稳定，否则，假如某个或多个特征根在特征根中具备正实部，此时属于不稳定。所以，站在本系统进行分析，得出的固有频率都超过0，此外阻尼比0f1，因此，本系统全部的特征根实部均是负，此系统相对平稳。此外，根据系统响应图413中我们就能知道，系统在额定风速的激励下，在150秒之后更加平稳。(2)判定系统是否稳定，主要查看此系统固有频率是否和外部激励的频率耦合出现振动，对于沈阳工业大学1MWSUT-1000来说，风轮运作转速是12rrain到215rmin，因此对照的工作频

45、率主要是1260=02Hz和21560=03583Hz。由于风轮出现三个叶片，此外在不同叶片旋转到底端时，塔被刺激。所以，在风力涡轮机设计时期，其低阶固有频率需要回避风的旋转频率的一倍与三倍。【O2Hz，03583Hz和r06Hz，10749Hz两个区间，工程上通常指出在10左右【40j。此系统二阶频率是16325Hz，在风轮转速为1632560=9795rmin时与系统出现共振，但是风力发电机组的运作最高转速是215ffmin，无法顺利达到较高的转速，所以，风力发电机组思考系统内固有频率。图414主要依照表41得出的一阶固有频率所设计的坎贝尔图，根据图中可知系统一阶固有频率并未和风轮旋转频率

46、的1倍与3倍频率区间重叠，此外距离是O2Hz与10749Hz很远，和O3583Hz与O6Hz进行比较，频率主要差异27与22，所以此系统相对平稳，满足项目标准。因为工作转速在96rmin，10rmin范围内运作时把和系统的固有频率重叠，所以，在风力发电机组开启时期，需要高速跳过此区间，管控风力发电机组防止在此范畴内长久运作。图43风力发电机组振动的坎贝尔图44影响系统稳定性的因素根据系统特征根表达式419与响应式484我们就能知道，与整体稳定性相关的条件是固有频率脚。与阻尼比善。站在风力发电机组的角度上进行分析，其阻尼比明显低于1，此外无法顺利调节，所以，必须从系统固有频率入手。和机组固有频率

47、相关的条文有很多，接下来主要从下述多个部分对此类影响因素开展研究。(1)固有频率m和质量m为反比，和刚度k为正比。所以，伴随叶片、轮毂与机舱质量的提升，固有频率会逐渐下降。在式475内，为了依次转变质量，可得到质量对固有频率的作用曲线。图44叶片质量对系统吲有频率的影响由于风力机塔架的质量明显超过叶片质量，此质量对系统的频率没有较大的作用。根据图4.15可知，系统固有频率伴随叶片质量变动而出现细微变动。但是，叶片质量提高，其固有频率缩减，在塔架固有频率靠近叶片固有频率时，在上述振动频率的系统内，无法分割出塔架与叶片的耦合振动。所以需要管控叶片数目，促使叶片和塔架固有频率相划分，普通项目内都将塔架当做柔性结构，其固有频率明显不如叶片。根据图416中我们就能知道，伴随轮毂质量的提高，固有频率变化率不断变大。由于轮毂和塔架的中心保持现有的距离，因此，塔架顶端支撑物质量的偏心对其固有频率产生较大的作用。图416轮毂质量对系统固有频率