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        基于多樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組整機(jī)自振特性分析

        2014-01-13 08:19:06高宏飆季曉強(qiáng)姜貞強(qiáng)
        風(fēng)能 2014年12期
        關(guān)鍵詞:塔架振型固有頻率

        文 | 高宏飆,季曉強(qiáng),姜貞強(qiáng)

        基于多樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組整機(jī)自振特性分析

        文 | 高宏飆,季曉強(qiáng),姜貞強(qiáng)

        江蘇如東150MW海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目位于江蘇省如東環(huán)港外灘離岸3km-7km的潮間帶區(qū)域,在國內(nèi)首次采用多樁鋼構(gòu)架風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)。為了解整機(jī)的振動(dòng)特性,并為開展監(jiān)測(cè)提供依據(jù),本文采用大型通用有限元軟件,對(duì)整機(jī)自振特性進(jìn)行分析。

        多樁鋼構(gòu)架風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征類似于海洋石油平臺(tái)中的導(dǎo)管架式衛(wèi)星平臺(tái),其差異在于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)除承受較大的波浪等水平荷載外,上部空氣動(dòng)力荷載產(chǎn)生了巨大的彎矩,成為結(jié)構(gòu)受力的控制性因素之一。而更重要的是,為避免發(fā)生共振造成風(fēng)電機(jī)組故障、壽命降低甚至出現(xiàn)安全事故,由地基、基礎(chǔ)、塔架、上部機(jī)組等各部分組成的整體自振頻率必須滿足風(fēng)電機(jī)組廠家給出的頻率范圍要求。

        海上風(fēng)電機(jī)組頻率要求

        海上風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)的主要因素有:

        (一)風(fēng)速、風(fēng)向變化引起的塔架振動(dòng)

        風(fēng)荷載包括平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分。平均風(fēng)在給定時(shí)間內(nèi)風(fēng)力大小、方向等不隨時(shí)間變化,相當(dāng)于靜力作用。脈動(dòng)風(fēng)則隨時(shí)間隨機(jī)變化,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)的順風(fēng)向振動(dòng)、橫風(fēng)向振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)向變化、風(fēng)力作用點(diǎn)與結(jié)構(gòu)彈性中心不重合時(shí),還將產(chǎn)生空氣動(dòng)力扭矩,風(fēng)輪迎風(fēng)裝置動(dòng)作,以保證風(fēng)輪機(jī)葉輪總是對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。

        (二)葉輪旋轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)

        風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中,葉輪每轉(zhuǎn)一周就會(huì)有k次振動(dòng)(k為葉片數(shù)目),葉輪轉(zhuǎn)速為n r/min,則每分鐘就會(huì)有kn次振動(dòng)。已有研究表明,塔架固有頻率f<kn的稱為“硬塔”,“硬塔”造價(jià)較高;塔架固有頻率n<f<kn的稱為“軟塔”;塔架固有頻率f<n的稱為“甚軟塔”。海上風(fēng)電機(jī)組一般均為上述的“軟塔”。

        (三)機(jī)艙內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)

        主要是發(fā)電機(jī)、磁極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng),風(fēng)電機(jī)組齒輪箱產(chǎn)生的振動(dòng)等。其中,風(fēng)和波浪是海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)承受的主要荷載,這些荷載具有明顯的動(dòng)力特性,海上高聳的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)體系在這些動(dòng)力荷載作用下將產(chǎn)生顯著的動(dòng)力特性,而這些動(dòng)力效應(yīng)總是趨向于增加應(yīng)力數(shù)值并損害結(jié)構(gòu)的長期承載能力。因此,風(fēng)電機(jī)組-塔架-基礎(chǔ)-地基系統(tǒng)是一個(gè)相互作用高度耦合的動(dòng)力系統(tǒng),需采用結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力分析,以掌握結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和響應(yīng)。在整機(jī)頻率分析時(shí),需要分析塔筒振動(dòng)問題、葉片振動(dòng)問題、整機(jī)振動(dòng)問題等,其中塔筒振動(dòng)及葉片振動(dòng)主要是在塔筒及葉片設(shè)計(jì)及安全校核時(shí)采用,而整機(jī)頻率校核則影響到整機(jī)運(yùn)行安全及壽命。

        圖1 恒定/變轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組允許頻率范圍示意圖

        圖1為恒定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組及變轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的允許頻率范圍示意圖。對(duì)于變轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組,以3葉片為例,其1P與3P頻率之間的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的整機(jī)固有頻率允許范圍,可見,該區(qū)域非常狹小,加之設(shè)計(jì)時(shí)還需要根據(jù)規(guī)范預(yù)留5%-10%的安全裕度,則該區(qū)域更為狹小,若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過“柔”,則容易低于該區(qū)域下限而產(chǎn)生共振,若設(shè)計(jì)的過“剛”,則容易高于該區(qū)域上限產(chǎn)生共振,加之,處于經(jīng)濟(jì)性考慮,整機(jī)固有頻率又不宜超越3P上限,因此對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高要求。

        模態(tài)分析基本原理

        一、模態(tài)分析基本原理

        動(dòng)力學(xué)基本方程可表示為:

        其中:[M]、[C]、[K]分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣;分別為節(jié)點(diǎn)的加速度、速度、位移向量。

        對(duì)于模態(tài)分析而言,其假定為忽略阻尼的自由振動(dòng)形式(即[C]=0;F(t)=0):

        對(duì)于典型的無阻尼模態(tài)分析而言,基本方程的求解實(shí)質(zhì)上是特征值求解問題:

        二、模態(tài)分析

        (一) 有限元模型

        1 塔筒

        在忽略法蘭連接的情況下,可認(rèn)為塔筒是變截面殼體。根據(jù)其幾何主要受力特性,可采用板單元或殼單元,由于殼單元除了彎曲變形還有中面變形,而且殼體的彎曲內(nèi)力和中面內(nèi)力相互聯(lián)系、相互影響,但板單元的變形只為彎曲變形,因此,塔筒采用殼單元SHELL181最為合理。由于本塔筒沿高度方向厚度變化多,共11種壁厚參數(shù),在建模時(shí)完全按照實(shí)際情況進(jìn)行了建模,如圖2。塔架幾何參數(shù)見表1。

        2 槳葉、機(jī)艙和輪轂

        槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與固有頻率相差較大,采用傳統(tǒng)的建模方法,不考慮槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)塔體的影響,即為停機(jī)狀態(tài)下的風(fēng)電塔。將槳葉、機(jī)艙與輪轂作為集中質(zhì)量作用于塔頂,考慮使得質(zhì)量在塔頂分布均勻,因此將質(zhì)量平均分散在塔頂?shù)氖畟€(gè)節(jié)點(diǎn)上,均采用mass21質(zhì)量單元模擬。

        3 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

        風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為五樁鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu),鋼構(gòu)架部分均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模,考慮均為連續(xù)的殼體結(jié)構(gòu),采用殼單元SHELL181來模擬,如圖3。基礎(chǔ)導(dǎo)管架幾何參數(shù),見表2。

        圖2 塔筒模型

        圖3 五樁鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模型

        表1 塔架幾何參數(shù)

        表2 基礎(chǔ)導(dǎo)管架幾何參數(shù)

        4 邊界條件設(shè)計(jì)

        為了合理地反映真實(shí)的情況,需要根據(jù)樁土相互作用的原理來確定泥面以下五樁的嵌固端??紤]樁土相互作用通常有兩種方式:一是考慮地基的非線性變形,在泥面下采用一組彈簧和阻尼器模擬樁土非線性作用,即將泥面一下的樁基用非線性彈簧單元模擬,按地基的P-y曲線給出非線性彈簧的剛度隨側(cè)向位移的變化關(guān)系,同時(shí)用阻尼單元模擬土體的阻尼作用;二是采用假想嵌固點(diǎn)的方法,在泥底面一下一定深度處將平臺(tái)樁完全嵌固。

        本文按照上述方法二,根據(jù)CCS《海上平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》(1992)的規(guī)定,將圖中的樁按若干倍樁徑取為剛性固定端,來近似考慮土體的特性。且一般有Leq=αD,其中Leq為等效樁長度,D為樁外徑,α為等效系數(shù)。淤泥質(zhì)土取7-8.5、硬粘土去3.5-4.5.考慮到五樁基礎(chǔ)的底部剛度較大,土體屬于淤泥質(zhì)土,因此取泥面一下嵌固長度為7倍樁徑。圖4為邊界圖。

        (二)模態(tài)分析

        1 振型分析

        圖5為前四階振型的俯視圖和正視圖,從圖中可見一階振型和二階振型分別為塔體向兩個(gè)方向的彎曲變形,最大位移在塔頂。三階振型和四階振型分別為塔體向兩個(gè)方向的兩自由度的變形,最大位移在塔體中部。一階和二階頻率均為0.3265Hz,三階和四階頻率分別為3.355Hz和3.357Hz,約為前兩階頻率的10倍,在實(shí)際情況下,三階和四階振型不容易被激發(fā),為規(guī)避整機(jī)共振,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注一階和二階頻率及振型,監(jiān)測(cè)亦重點(diǎn)結(jié)合一階和二階振型曲線來布設(shè)監(jiān)測(cè)儀器。此外,前四階振型均在相互垂直的兩個(gè)方向,因此在布置傳感器時(shí)也應(yīng)分別考慮兩個(gè)不同方向進(jìn)行布設(shè)。

        2 固有頻率及后期監(jiān)測(cè)反饋

        由于此處有限元計(jì)算為停機(jī)狀態(tài)下的風(fēng)電塔,雖然固有頻率是只與結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼和剛度有關(guān)的量,體現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身特性,由于槳葉旋轉(zhuǎn)過程中存在的軸向慣性力使得槳葉剛度增大,造成頻率增大;但又由于槳葉旋轉(zhuǎn)與其變形的耦合將導(dǎo)致其剛度的弱化,綜合二者因素,頻率從數(shù)值來看基本接近,槳葉的旋轉(zhuǎn)剛化效應(yīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)雖有影響,但是影響不大,因此可以將算出的停機(jī)階段的固有頻率與實(shí)際監(jiān)測(cè)分析獲得的塔體固有頻率進(jìn)行直接對(duì)比,不需要知道塔體處于什么運(yùn)行階段,這將會(huì)簡化之后的工作。

        在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)實(shí)施后,在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)以及塔架不同高度設(shè)置了傾角計(jì)、加速度傳感器以及應(yīng)變計(jì)等,通過監(jiān)測(cè)及剔除“噪聲”后的分析,對(duì)其中兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6和圖7。

        圖4 五樁基礎(chǔ)嵌固端邊界圖

        圖5 前四階振型的俯視圖和正視圖

        圖6 #1風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)固有頻率監(jiān)測(cè)及計(jì)算

        圖7 #2風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)固有頻率監(jiān)測(cè)及計(jì)算

        表3 固有頻率計(jì)算及監(jiān)測(cè)結(jié)果

        通過對(duì)有限元模擬與實(shí)際選取的兩臺(tái)典型機(jī)位監(jiān)測(cè)結(jié)果(表3)進(jìn)行的對(duì)比看,二者非常接近。

        考慮到實(shí)際工程的頻率監(jiān)測(cè)中“噪聲”處理難度較大,獲取的整機(jī)自振頻率值與實(shí)際難免存在偏差,而結(jié)構(gòu)模擬存在諸多的邊界條件及簡化處理,因此存在誤差是必然的。經(jīng)實(shí)際工程中計(jì)算模擬與監(jiān)測(cè)看,二者差異很小,與選取的“典型”機(jī)位有關(guān)系,并不完全反應(yīng)實(shí)際的頻率差異,但可以說明的是,模擬與監(jiān)測(cè)的自振頻率總體上在較為接近的水平,整機(jī)自振頻率在0.31Hz-0.34Hz的范圍。

        結(jié)語

        本文利用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算,得到塔體固有頻率、振型、變形和應(yīng)力分布,分析結(jié)果可用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過后期監(jiān)測(cè)反饋與對(duì)比,說明本文所述的模擬方法基本可行、可信,可為類似工程提供參考。

        此外,鑒于海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)屬于柔性或半柔性設(shè)計(jì),整機(jī)自振頻率分析與監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要,建議在開展監(jiān)測(cè)前做好充分的模擬分析,對(duì)于樁式基礎(chǔ)應(yīng)考慮約束條件的模擬、結(jié)構(gòu)剛度、水動(dòng)力及土壤阻尼等因素,而在監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)著重研究各種海洋環(huán)境以及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行造成的“噪聲”影響,科學(xué)合理地“剔噪”,以獲得更準(zhǔn)確的自振頻率值。

        (作者單位:高宏飆、季曉強(qiáng):江蘇海上龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司;姜貞強(qiáng):華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

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