文 | 楊勇，陸道輝，黃冬明

3MW兩葉片海上風電機組整機模態(tài)分析

文 | 楊勇，陸道輝，黃冬明

風荷載和波浪荷載是風電機組結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載，這些載荷具有明顯的動力特性，高聳的風電機組結(jié)構(gòu)體系在這些動力載荷作用下將產(chǎn)生顯著的動力特性，而這些動力效應(yīng)總是趨向于增加應(yīng)力數(shù)值并降低結(jié)構(gòu)的長期承載能力。因此需要對風電機組結(jié)構(gòu)進行動力分析，以掌握結(jié)構(gòu)的動力特性和響應(yīng)。

整機一階、二階振動頻率尤其重要，因為它直接決定了風電機組的整機動力學行為。如果葉輪激振頻率在風電機組自然頻率附近，整機就會發(fā)生共振。對三葉片風電機組而言，由于葉輪激振頻率的一倍頻（1P）和三倍頻（3P）之間存在非共振區(qū)間，三葉片風電機組設(shè)計的整機自然頻率可以錯開葉輪激振頻率的一倍頻和三倍頻，避免共振；而對兩葉片風電機組而言，葉輪的激振頻率的一倍頻和兩倍頻（2P）區(qū)間范圍是重疊的，且頻率從一倍頻到兩倍頻范圍較寬，使得設(shè)計的兩葉片風電機組整機自然頻率，很難避開葉輪激振頻率一倍頻和兩倍頻的區(qū)間范圍。所以為了避免共振引起的結(jié)構(gòu)破壞及疲勞損傷，必須準確地計算出兩葉片風電機組的整機自然頻率，從而可以通過葉輪轉(zhuǎn)速控制策略，快速通過與整機自然頻率相對應(yīng)的葉輪激振頻率。

本文以珠海桂山項目為背景，對3MW兩葉片海上風電機組整機（包括導管架基礎(chǔ)、塔架、機艙、輪轂及葉片）進行建模，并對整機模型進行模態(tài)分析，計算得到整機自然頻率，為制定快速通過葉輪共振轉(zhuǎn)速控制策略提供參考數(shù)據(jù)。

3MW兩葉片海上風電機組整機模型

整機建模時，對于導管架基礎(chǔ)及塔架，根據(jù)圖紙進行全尺寸的建模；而對于結(jié)構(gòu)較復雜的機艙、輪轂及葉片，采用質(zhì)量點矩陣的形式模擬其整體質(zhì)量分布，簡化建模，但其對整機模態(tài)分析影響可以忽略。

一、導管架基礎(chǔ)及塔筒模型

導管架基礎(chǔ)及塔筒建模時，根據(jù)項目圖紙，真實還原了導管架基礎(chǔ)和塔筒結(jié)構(gòu)尺寸以及材料屬性，導管架采用梁單元建模時考慮了管節(jié)點位置處支撐桿件的偏移間隙等，塔筒采用分段建模的方式。為了考慮塔筒內(nèi)部布置的柜體電纜等附件對整體質(zhì)量分布的影響，本文通過改變塔筒材料密度的方式來實現(xiàn)，即將塔筒密度由原來的7.85 t/m3改成8.2425t/m3。

導管架基礎(chǔ)由三部分組成：主體支撐結(jié)構(gòu)、平臺梁結(jié)構(gòu)及過渡段結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

塔筒分段建模模型如圖2所示。

二、風電機組部件模型

風電機組部件參數(shù)，如下表1所示。

風電機組部件根據(jù)表1提供的質(zhì)量參數(shù)，以質(zhì)量點的形式進行建模，具體模型如下圖3所示。

三、彈簧單元邊界條件

對于海上風電機組，導管架基礎(chǔ)是通過基礎(chǔ)樁沉入海床面以下的土壤，來支撐整個風電機組結(jié)構(gòu)載荷的。而為了考慮樁土相互作用對整機模態(tài)分析的影響，本文將海上風電機組的基礎(chǔ)樁在泥面處的剛度矩陣作為導管架基礎(chǔ)的邊界條件，并且采用彈簧單元來模擬剛度矩陣。具體的建模方式，如圖4所示，而彈簧單元剛度矩陣的數(shù)值，如表2所示。

表1 風電機組部件重量重心及轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)

表2 彈簧單元剛度矩陣

整機模態(tài)分析

本文以有限元方法對珠海桂山項目3MW兩葉片海上風電機組及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)，即葉片+輪轂+機艙+塔架+基礎(chǔ)+地基系統(tǒng)進行了模態(tài)計算分析，得到風電機組整體系統(tǒng)的前10階模態(tài)，如表3所示。

同時給出對葉輪轉(zhuǎn)速控制策略起重要作用的一階、二階振型，如圖5、圖6所示。

本文采用的3MW兩葉片海上風電機組葉輪的最小轉(zhuǎn)速為5.54rpm、最大轉(zhuǎn)速為17.8rpm，即切入轉(zhuǎn)速與切出轉(zhuǎn)速，也就是葉輪激振頻率一倍頻范圍為0.092Hz－0.297Hz。由于風電機組為兩葉片機型，故同時需要考慮葉輪激振頻率兩倍頻范圍：0.185Hz－0.593Hz。綜上可以看出0.092Hz－0.593Hz是風電機組葉輪的激振頻率范圍，所以計算所得的整機自然頻率的一階頻率0.415 Hz和二階頻率0.435 Hz都是潛在的共振頻率。基于本文的計算結(jié)果，可以確定葉輪轉(zhuǎn)速控制策略需要考慮的葉輪轉(zhuǎn)速范圍，以便快速通過，避免共振。

表3 模態(tài)計算結(jié)果

結(jié)論

兩葉片結(jié)構(gòu)型式激振頻率一倍頻和兩倍頻重疊，使得整機固有頻率避開激振頻率難度較大，故必須準確計算出整機固有頻率，為控制策略編寫避開整機固有頻率，提供準確的依據(jù)。而對于海上風電機組，由于Bladed軟件無法完整的還原海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，即Bladed軟件只能建立簡單的梁單元結(jié)構(gòu)，對海上風電機組導管架基礎(chǔ)進行等效建模，如圖7所示，所以采用海工專業(yè)軟件計算海上風電機組的整機模態(tài)十分必要。

（作者單位：楊勇，陸道輝，黃冬明：廣東明陽風電產(chǎn)業(yè)集團有限公司；黃冬明：華南理工大學機械與汽車工程學院）