考虑运转工况的风力机结构体系抗风沙性能对比研究

于蛟; 李钢; 余丁浩

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20240621003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

考虑运转工况的风力机结构体系抗风沙性能对比研究

论文 | 更新时间：2026-04-15

- 考虑运转工况的风力机结构体系抗风沙性能对比研究
- Comparative Study on Wind and Sand Resistance Performance of Wind Turbine Structural Systems Considering Operating Conditions
- 防灾减灾工程学报 2026年46卷第2期页码：350-359
- 作者机构：
  
  大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024
- 作者简介：
  
  于蛟（1993—)，男，博士研究生。主要从事恶劣环境下的风电结构体系抗灾害性能研究。E‑mail:gremojzcondonhc@hotmail.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(52225804;52378219)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20240621003
  中图分类号： TU871
- 收稿：2024-06-21，
  
  修回：2024-07-10，
  
  纸质出版：2026-04-28
- 稿件说明：
移动端阅览
于蛟,李钢,余丁浩.考虑运转工况的风力机结构体系抗风沙性能对比研究[J].防灾减灾工程学报,2026,46(02):350-359.

YU Jiao,LI Gang,YU Dinghao.Comparative Study on Wind and Sand Resistance Performance of Wind Turbine Structural Systems Considering Operating Conditions[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2026,46(02):350-359.
于蛟,李钢,余丁浩.考虑运转工况的风力机结构体系抗风沙性能对比研究[J].防灾减灾工程学报,2026,46(02):350-359. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240621003.

YU Jiao,LI Gang,YU Dinghao.Comparative Study on Wind and Sand Resistance Performance of Wind Turbine Structural Systems Considering Operating Conditions[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2026,46(02):350-359. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20240621003.

摘要

我国规划在荒漠化区域建设4.5亿千瓦风电光伏基地，而这些区域又是多风沙地区，风力发电机在此类地区有1/10到1/6的时间都处于沙尘环境，导致风力机支撑结构所受荷载种类和失效风险增加，因此，对风力机支撑结构的抗风沙性能进行研究对于荒漠化地区的风力机建设具有重要意义。不同风速不仅导致支撑结构所受风沙荷载存在差异，还将引起风力机发电控制系统对叶轮转速进行调整，而不同运转工况的差异主要体现在叶轮转速上，不同转速引起叶轮不同程度的离心刚化效应，进而影响整机的动力响应，而现有风力机抗风沙性能相关研究并未考虑风力机运转工况的影响，且仅针对锥桶式风力机支撑结构，并未涉及其他形式的支撑结构体系。针对上述问题，分别建立了锥桶式和钢管混凝土格构式1.5 MW典型风电结构整机模型，并通过直接模拟叶轮转动复现叶轮在运转工况下的离心刚化效应，进一步考虑叶轮引起的不同刚化效应和不同等级风沙荷载变化共同耦合后对支撑结构的影响，对比研究了不同风力机支撑结构考虑其在运转工况下的抗风沙性能。结果表明：三肢柱式支撑结构由于刚度较大，其位移和加速度响应相比于锥桶式支撑结构更小；叶轮旋转对锥桶式支撑结构位移响应的影响较小，但对三肢柱式支撑结构的位移有一定影响；此外，考虑叶轮旋转导致的离心刚化效应后计算出的塔顶加速度、叶片变形和应力均较不考虑叶轮旋转情况显著降低，且在较低风速下叶轮旋转效应的影响更为明显。

Abstract

China plans to build 450 GW wind and solar power bases in desertified areas

which are characterized by frequent wind and sand activities. Wind turbines in such areas are exposed to sand and dust environments for 1/10 to 1/6 of the time

leading to an increase in the types of loads on wind turbine support structures and higher failure risks. Therefore

studying the wind and sand resistance performance of wind turbine support structures is of great significance for their future construction in desertified areas. Different wind speeds not only result in differences in the wind and sand loads on the support structures

but also cause the wind turbine power generation control system to adjust the impeller speed. The differences between various operating conditions are mainly reflected in the impeller speed. Different speeds lead to varying degrees of centrifugal stiffening effect of the impeller

which in turn affects the dynamic response of the entire turbine. However

existing research on the wind and sand resistance performance of wind turbines has not considered the impact of wind turbine operating conditions

and has focused only on the conical wind turbine support structure

without involving other forms of support structures. To address the above problems

this study established full-scale models of typical 1.5 MW wind turbine structures

namely the conical type and concrete-filled steel tubular lattice type

respectively. The centrifugal stiffening effect of the impeller under operating conditions was reproduced by directly simulating the impeller rotation. Furthermore

the coupled influence of different stiffening effects caused by the impeller and the different levels of wind and sand load changes on the support structures was considered. Additionally

a comparative analysis was conducted on the wind and sand resistance performance of different wind turbine support structures under operating conditions. The results showed that compared with the conical support structure

the three-legged column support structure exhibited smaller displacement and acceleration responses due to its higher stiffness. The impeller rotation had a relatively small impact on the displacement response of the conical support structure

but exerted certain influence on the displacement of the three-legged column support structure. In addition

the calculated tower-top acceleration

blade deformation

and stress when considering the centrifugal stiffening effect were significantly lower compared to those without considering impeller rotation

and the influence of impeller rotation was more pronounced at lower wind speeds.

关键词

Keywords

references

李德顺，刘念爽，马高生，等 . 风力机对沙尘输运影响的风洞试验研究［J］. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2023 ， 51 （ 7 ）： 104 - 109 .

Li D S ， Liu N S ， Ma G S ， et al . Wind tunnel experimental study on the impact of wind turbines on sand and dust transport ［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2023 ， 51 （ 7 ）： 104 - 109 . （in Chinese）

刘新喜，邓宗伟，高乾丰 . 基于时域法的不同塔架风力机抗台风分析［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2017 ， 44 （ 11 ）： 81 - 87 .

Liu X X ， Deng Z W ， Gao Q F . Analysis of Typhoon Resistance of Wind Turbines with different towers based on time domain method ［J］. Journal of Hunan University （Natural Science Edition）， 2017 ， 44 （ 11 ）： 81 - 87 . （in Chinese）

杨有福，刘敏，别雪梦 . 四肢格构式钢管混凝土轴压构件承载力研究［J］. 建筑钢结构进展， 2022 ， 24 （ 5 ）： 18 - 26 .

Yang Y F ， Liu M ， Bi X M . Research on the bearing capacity of four limb lattice steel tube concrete axial compression members ［J］. Progress in Building Steel Structures ， 2022 ， 24 （ 5 ）： 18 - 26 . （in Chinese）

黄志，俞科辰，陈俊炟，等 . 四肢钢管混凝土格构柱-箱梁节点抗震性能试验研究与优化分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2024 ， 44 （ 1 ）： 1 - 10 .

Huang Z ， Yu K C ， Chen J Y ， et al . Experimental study and optimization analysis of seismic performance of four limb steel tube concrete lattice column box beam joints ［J］. Journal of Disaster Prevention and Reduction Engineering ， 2024 ， 44 （ 1 ）： 1 - 10 . （in Chinese）

马跃强 . 风力发电塔系统整体建模与模态分析研究［J］. 石家庄铁道大学学报（自然科学版）， 2010 ， 23 （ 4 ）： 21 - 25 .

Ma Y Q . Research on overall modeling and modal analysis of wind power tower systems ［J］. Journal of Shijiazhuang Railway University （Natural Science Edition）， 2010 ， 23 （ 4 ）： 21 - 25 . （in Chinese）

柯世堂，曹九发，王珑，等 . 风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2014 ， 41 （ 4 ）： 87 - 93 .

Ke S T ， Cao J F ， Wang L ， et al . Time domain analysis of wind induced response of wind turbine tower blade coupling model ［J］. Journal of Hunan University （Natural Science Edition）， 2014 ， 41 （ 4 ）： 87 - 93 . （in Chinese）

戴靠山，赵志，易正翔，等 . 运转工况下风电塔抗震分析［J］ . 工程科学学报， 2017 ， 39 （ 10 ）： 1598 - 1605 .

Dai K S ， Zhao Z ， Yi Z X ， et al . Seismic analysis ofwind power towers under operating conditions ［J］. Journalof Engineering Science ， 2017 ， 39 （ 10 ）： 1598 - 1605 . （in Chinese）

李万润，范科友，杜永峰 . 考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析［J］. 工程力学， 2023 ， 40 （ 4 ）： 193 - 204，256 .

Li W R ， Fan K Y ， Du Y F . Wind seismic coupling response analysis of wind power tower structures considering blade rotation effect ［J］. Engineering Mechanics ， 2023 ， 40 （ 4 ）： 193 - 204，256 . （in Chinese）

席仁强，许成顺，杜修力，等 . 工作状态对风力发电机地震响应的影响［J］. 工程力学， 2019 ， 36 （ 4 ）： 80 - 88 .

Xi R Q ， Xu C S ， Du X L ， et al . The influence of working state on the seismic response of wind turbines ［J］. Engineering Mechanics ， 2019 ， 36 （ 4 ）： 80 - 88 . （in Chinese）

陈小波，李静，陈健云 . 考虑离心刚化效应的旋转风力机叶片动力特性分析［J］. 地震工程与工程振动， 2009 ， 29 （ 1 ）： 117 - 122 .

Chen X B ， Li J ， Chen J Y . Analysis of dynamic characteristics of rotating wind turbine blades considering centrifugal stiffness effect ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2009 ， 29 （ 1 ）： 117 - 122 . （in Chinese）

朱文智，程建军，张云鹏，等 . 土堤式挡风墙加高挡板稳定性分析及研究［J］. 铁道标准设计， 2015 ， 59 （ 1 ）： 16 - 20 .

Zhu W Z ， Cheng J J ， Zhang Y P ， et al . Analysis and research on the stability of earth embankment wind‑break wall with high dam board ［J］. Railway Standard Design ， 2015 ， 59 （ 1 ）： 16 - 20 . （in Chinese）

Rao A ， Curtis J S ， Hancock B C ， et al . Numerical simulation of dilute turbulent gas-particle flow with turbulence modulation ［J］. Aiche Journal ， 2012 ， 58 （ 5 ）： 1381 - 1396 .

逯博，买买提明·艾尼，金阿芳，等 . 基于SPH的风沙运动的数值模拟［J］. 力学学报， 2013 ， 45 （ 2 ）： 177 - 182 .

Lu B ， Maimaiting A ， Jin A F ， et al . Numerical simulation ofwind and sand movement based on SPH ［J］. Journal of Mechanics ， 2013 ， 45 （ 2 ）： 177 - 182 . （in Chinese）

张卓群，李宏男，李士锋，等 . 输电杆塔在风沙荷载激励下的动力响应分析［J］. 东南大学学报（自然科学版）， 2018 ， 48 （ 3 ）： 506 - 511 .

Zhang Z Q ， Li H N ， Li S F ， et al . Dynamicresponse analysis of transmission towers under wind and sand load excitation ［J］. Journal of Southeast University （Natural Science Edition）， 2018 ， 48 （ 3 ）： 506 - 511 . （in Chinese）

蒲鸥，吴红华，李正农，等 . 风沙对结构冲击作用的研究进展与展望［J］. 地震工程与工程振动， 2021 ， 41 （ 2 ）： 146 - 161 .

Pu O ， Wu H H ， Li Z N ， et al . Research progress and prospects on the impact of wind and sand onstructures ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 146 - 161 . （in Chinese）

李斌，吴益阳，高春彦 . 不同腹杆形式三肢柱钢管混凝土格构柱滞回性能研究分析［C］∥ 2021年工业建筑学术交流会论文集 . 北京：中冶建筑研究总院有限公司， 2021 ： 394 - 398 .

Li B ， Wu Y Y ， Gao C Y . Research and analysis on the hysteretic performance of three limb column steel tube concrete lattice columns with different web member forms ［C］∥ Proceedings of the 2021 Industrial Architecture Academic Exchange Conference . Beijing ： China Metallurgical Construction Research Institute Co.， Ltd . 2021 ： 394 - 398 . （in Chinese）

风力发电机组塔架： GB/T 19072—2022 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2022 .

单光坤，王晓东，姚兴佳，等 . 兆瓦级风力发电机组的稳定性分析［J］. 太阳能学报， 2008 （ 7 ）： 786 - 791 .

Shan G K ， Wang X D ， Yao X J ， et al . Stability analysisof megawatt level wind turbines ［J］. Journal of Solar Energy ， 2008 （ 7 ）： 786 - 791 . （in Chinese）

黄盼盼，胡艳 . 脉动风时程模拟及应用［J］. 实验技术与管理， 2021 ， 38 （ 5 ）： 158 - 161 .

Huang P P ， Hu Y . Simulation and application of pulsating wind time history ［J］. Experimental Technology and Management ， 2021 ， 38 （ 5 ）： 158 - 161 . （in Chinese）

曾庆川，刘浩， Che Wah LIM ，等 . 基于改进叶素动量理论的水平轴风电机组气动性能计算［J］. 中国电机工程学报， 2011 ， 31 （ 23 ）： 129 - 134 .

Zeng Q C ， Liu H ， LIM C W ， et al . Aerodynamic performance calculation of horizontal axis wind turbine based on improved blade element momentum theory ［J］. Chinese Journal of Electrical Engineering ， 2011 ， 31 （ 23 ）： 129 - 134 . （in Chinese）

李军向 . 大型风力机叶片气动性能计算与结构设计研究［D］. 武汉：武汉理工大学， 2008 .

Li J X . Research on aerodynamic performance calculation and structural design of large fan blades ［D］. Wuhan ： Wuhan University of Technology ， 2008 . （in Chinese）

GB/T 20480—2006 沙尘暴天气等级［S］. 北京：中国标准出版社， 2006 .

王修琼，崔剑峰 . Davenport谱中系数K的计算公式及其工程应用［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 2002 （ 7 ）： 849 - 852 .

Wang X Q ， Cui J F . The calculation formula for coefficient K in Davenport spectrum and its engineering application ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science Edition）， 2002 （ 7 ）： 849 - 852 . （in Chinese）

梅竹，胡皓，戴靠山，等 . 长周期地震动-脉动风耦合作用下风电塔架动力响应分析与混合试验初步验证［J］. 工程力学， 2021 ， 38 （增1 ）： 58 - 65 .

Mei Z ， Hu H ， Dai K S ， et al . Dynamic response analysis and preliminary verification of wind power tower under long-term seismic pulsation wind coupling ［J］. Engineering Mechanics ， 2021 ， 38 （ Sup1 ）： 58 - 65 . （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基坑爆破临近砖砌体墙动力响应特征及安全控制

倾滑断层动态破裂下衬砌隧道动力响应宽频高效模拟

强震作用下贡扎典型反倾岩质边坡动力响应研究

地震诱发滚石链生灾害下桥梁失效路径及动力响应特性研究

列车荷载激励下夯土遗址的振动响应特性研究