李鵬 符鵬程 楊洪源 張宇

隨著國家對綠色能源發(fā)展的支持，除了風(fēng)速較好的“三北”地區(qū)，中東南部低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)也越來越多?！叭薄钡貐^(qū)多采用高度相對較低的剛塔架，一般在100m以下，而低風(fēng)速區(qū)域為了更好地捕獲風(fēng)能會采用更高的塔架，比如柔塔，一般高度在120m以上。隨著塔架高度的增加，柔塔的固有頻率相對剛塔的要低，由于塔架頻率和渦激振動的臨界風(fēng)速呈線性關(guān)系，柔塔比剛塔發(fā)生渦激振動需要的風(fēng)速更低，即更易發(fā)生渦激振動。

本文以處在III類風(fēng)能資源區(qū)的某風(fēng)電場發(fā)生二階渦激振動破壞、安裝不到一年且處于非運(yùn)行狀態(tài)下的140m柔塔（以下簡稱“事故柔塔”）為研究對象，推斷其發(fā)生渦激振動破壞的原因。由于缺少事故柔塔的詳細(xì)信息，本文將以頻率接近的另一臺140m柔塔為例對柔塔的二階渦激振動情況進(jìn)行分析。

渦激振動介紹

在流體場中任何非流線型物體會在其兩側(cè)交替地產(chǎn)生脫離表面的旋渦，旋渦會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交替的橫向作用力。當(dāng)塔架處在穩(wěn)定風(fēng)旋渦中且風(fēng)旋渦的激振頻率與塔架固有頻率接近時，會在垂直于來風(fēng)方向引起塔架的橫向振動，這種規(guī)律性的橫向振動反過來又會改變塔架尾流的渦流脫落形態(tài)，抑制表面旋渦的脫離。這種風(fēng)和塔架之間的相互作用稱為塔架的渦激振動（Vortex-Induced Vibration，簡稱VIV），圖1為渦激振動示意圖。

在圓柱體繞流問題中，圓柱體后的脫渦和尾流情況與雷諾數(shù)相關(guān)。雷諾數(shù)Re是用來表征流體所受慣性力與粘性力的比值。雷諾數(shù)由式（1）得出：

式中，v為空氣的運(yùn)動粘度系數(shù)，一般取1.5×10^-7m²/s。

渦激振動可能以多種形式發(fā)生。如圖2所示，在第一階模態(tài)振型中，振動形式為結(jié)構(gòu)頂部左右擺動;而在二階模態(tài)振型中，在結(jié)構(gòu)頂部附近會有一個近乎不動的節(jié)點，結(jié)構(gòu)的最大偏移點位于底部和該節(jié)點之間。渦激振動分析方法

一、計算流程分析

目前通常采用風(fēng)電行業(yè)公認(rèn)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)ENl991-1-4進(jìn)行塔架渦激振動的計算，其計算流程如圖3所示。

如圖3所示，渦激振動分析中最重要的是計算塔架的慣性力，標(biāo)準(zhǔn)中直接給出了慣性力的表達(dá)式：

綜合分析以上公式可以看出，在與塔架渦激振動的慣性力有關(guān)的參數(shù)中結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量、頻率和空氣密度等都可以很方便地測量出來，振型可以通過有限元分析軟件計算出來，相關(guān)的風(fēng)速也可以通過設(shè)計參數(shù)獲得。其中塔架振動過程中的阻尼主要包含結(jié)構(gòu)阻尼和氣動阻尼，渦激振動時氣動阻尼較小，因此根據(jù)IEc61400-6cD標(biāo)準(zhǔn)要求，在計算渦激振動引起的損傷時，不考慮氣動阻尼部分。而結(jié)構(gòu)阻尼作為在振動過程中阻礙結(jié)構(gòu)振動的參數(shù)，由于其與結(jié)構(gòu)形式、材料、幾何尺寸、內(nèi)部構(gòu)造及荷載等因素有關(guān)，該值具有離散性，因此選取工程上可用且較為合理的阻尼值，一直是國內(nèi)外科學(xué)研究的難題。目前工程上的結(jié)構(gòu)阻尼值多為根據(jù)測試數(shù)據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗值，而對于高度為120m及以上柔塔二階阻尼的研究文獻(xiàn)，筆者暫未找到。二階渦激振動案例

一、柔塔參數(shù)

本節(jié)以與事故柔塔相類似的某140m柔塔（其二階固有頻率為1Hz）為例，對標(biāo)準(zhǔn)中推薦的和實際測試數(shù)據(jù)分析得到的二階結(jié)構(gòu)阻尼值兩種工況下的二階渦激振動進(jìn)行分析。該柔塔部分二階渦激振動計算的參數(shù)見表2。

二、實測阻尼值

根據(jù)該140m柔塔（其二階固有頻率為1Hz）的測試數(shù)據(jù)，挑選其中具有二階振動成分（即頻譜分析為1Hz附近）的塔架停機(jī)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，通過相應(yīng)的matlab軟件分析處理二階振動的塔底載荷和時間曲線的擬合阻尼值，得到二階阻尼對數(shù)衰減率值為0.058。

三、二階渦激振動計算結(jié)果

IEC61400-6CD標(biāo)準(zhǔn)中推薦的塔架二階阻尼值為70m剛塔的測量結(jié)果，其是否適用于柔塔有待檢驗。該標(biāo)準(zhǔn)中推薦的塔架二階渦激振動的阻尼對數(shù)衰減率值δs=0.157，因此根據(jù)上文介紹的標(biāo)準(zhǔn)ENl991-1-4中的渦激振動分析方法，采用該阻尼值對該140m柔塔架的二階渦激振動進(jìn)行分析的計算結(jié)果見表3。

通過表3可以看出，該140m柔塔要發(fā)生二階渦激振動破壞至少需累積該振動9500小時，遠(yuǎn)大于1年中發(fā)生振動的風(fēng)速區(qū)間的累計時間198小時，顯然與安裝不到1年的實際情況不符。

同時，上節(jié)中柔塔的測試結(jié)果顯示其二階阻尼對數(shù)衰減率值為0.058，按照該參數(shù)對該140m柔塔進(jìn)行分析，其結(jié)果見表4。

通過表4可以看出，該阻尼值下累積二階渦激振動破壞所需時間和Ⅲ類風(fēng)能資源區(qū)振動風(fēng)速區(qū)間每年累積的時間接近且偏大。由于阻尼值越大，相應(yīng)累積二階渦激振動破壞所需時間越長，因此初步推測事故柔塔的二階阻尼對數(shù)衰減率應(yīng)比0.058略小。

柔塔在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮二階渦激振動及合適的二階結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)，同時該參數(shù)應(yīng)經(jīng)過相應(yīng)的測試驗證。如果想減小塔架二階渦激振動的破壞風(fēng)險，建議對機(jī)組采取適當(dāng)增加阻尼的措施。

總結(jié)

本文通過對某III類風(fēng)能資源區(qū)風(fēng)電場安裝不到一年且處于非運(yùn)行狀態(tài)下的140m柔塔發(fā)生二階渦激振動破壞的情況進(jìn)行簡單分析發(fā)現(xiàn)，IEC61400-6CD標(biāo)準(zhǔn)推薦的塔架二階阻尼對數(shù)衰減率值偏大，且分析出的破壞時間和實際情況偏差較大。同時對比某類似柔塔的二階阻尼測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其理論破壞時間和實際時間較接近，因此推斷柔塔的二階阻尼對數(shù)衰減率值比標(biāo)準(zhǔn)推薦值要小。同時本文建議塔架設(shè)計方在設(shè)計柔塔時充分考慮二階渦激振動的影響，尤其是二階阻尼對數(shù)衰減率值應(yīng)經(jīng)過測試驗證，同時為了減小二階渦激振動對柔塔安全的影響，建議在停機(jī)和空轉(zhuǎn)狀態(tài)下采取適當(dāng)增加阻尼的措施。

由于IEC61400-6CD標(biāo)準(zhǔn)推薦的塔架二階阻尼對數(shù)衰減率值偏大，為了使標(biāo)準(zhǔn)能更好地指導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組的塔架設(shè)計，應(yīng)向PT61400-6塔架標(biāo)準(zhǔn)編制組反映該問題，以期其對該推薦值進(jìn)行重新審定。