蘇毅 任仕凱 施鎬

南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 210037

引言

塔架是風(fēng)電機(jī)組中的主要支撐結(jié)構(gòu)，它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙與地面連接，為葉輪提供必要的高度，同時還要承受風(fēng)載、地震荷載以及上部機(jī)艙數(shù)十噸的重力載荷。隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量逐漸增大，風(fēng)輪直徑相應(yīng)增大，因此塔架的高度和結(jié)構(gòu)承載力也需要隨之增大，這對結(jié)構(gòu)的安全性提出了越來越高的要求［1］。

設(shè)置振動控制裝置對風(fēng)力發(fā)電高塔進(jìn)行振動控制，能有效降低風(fēng)塔的動力響應(yīng)。但是目前在風(fēng)機(jī)塔架中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器［2，3］存在著風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部空間有限，控制裝置安裝不易［4］實(shí)現(xiàn)等問題；同時，TMD中的質(zhì)量單元由于受到空間限制，其擺動或振動位移幅度不能太大，減振效果受到極大制約［5］。此外，TMD作為子結(jié)構(gòu)放置于風(fēng)機(jī)塔架上，也會增加塔架負(fù)擔(dān)［6］。

本文提出用于塔架減振的固定質(zhì)量阻尼器（FMD，fixed mass damper），它通過改變塔架與上部結(jié)構(gòu)的連接方式，在機(jī)艙與塔架之間設(shè)置彈簧和阻尼單元，利用機(jī)艙、葉片等上部結(jié)構(gòu)作為質(zhì)量單元去減小塔架的振動。由于該連接較柔，使原風(fēng)電機(jī)組的基本周期大為延長，顯著地減小了高階振型對結(jié)構(gòu)的影響。這樣的設(shè)計使得FMD結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊的質(zhì)量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的TMD結(jié)構(gòu)，且無需受到裝設(shè)空間的限制，因此可有效地降低塔架與上部結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。

對此，本文以某2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架為例，建立FMD-塔架結(jié)構(gòu)模型，通過流場數(shù)值模擬的方式，分析FMD-塔架結(jié)構(gòu)的減振效果。

1 塔架受控結(jié)構(gòu)

1.1 TMD-塔架結(jié)構(gòu)

風(fēng)電塔架中應(yīng)用較多的TMD布置形式為筒壁內(nèi)支撐和懸吊式，本文分析時采用支撐式的TMD減振裝置，即將TMD結(jié)構(gòu)置于塔架內(nèi)部靠近塔頂處，底部支撐鋼板通過塔架兩端的法蘭盤螺栓現(xiàn)場連接而成，如圖1所示。

圖1 TMD布置形式Fig.1 TMD arrangement

1.2 FMD-塔架結(jié)構(gòu)

固定質(zhì)量阻尼器（FMD）是將機(jī)艙與塔架通過阻尼器和彈簧連接起來，兩者的連接可以理想化為線性彈簧和黏滯阻尼器并聯(lián)，如圖2所示。

圖2 理想化連接模型Fig.2 Model of the idealized connection

FMD-塔架結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中頂部機(jī)艙作為固定質(zhì)量坐落于振動控制裝置上。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生風(fēng)致振動時，頂部機(jī)艙可在兩層正交的滑臺上滑動，通過黏滯阻尼器耗散振動能量，彈簧則使其復(fù)位并改變其振動周期。振動控制裝置使上部機(jī)艙與塔筒之間相互制動，且通過雙導(dǎo)軌的設(shè)置使結(jié)構(gòu)可在水平兩個方向內(nèi)自由振動。FMD振動控制裝置之間的構(gòu)造關(guān)系如圖4所示。

圖3 FMD-塔架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 FMD-tower tube construction

圖4 FMD振動控制裝置布置Fig.4 FMD vibration control device layout

2 塔架模型及風(fēng)荷載流場模擬

2.1 風(fēng)機(jī)塔架有限元模型

本文用于分析的風(fēng)機(jī)塔架原型為某2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架。塔架高度為76.865m，重量為164.635t，塔底直徑為4.200m，塔頂直徑為3.005m。由四段塔架組成，各部分塔筒壁厚隨高度均勻漸變。塔筒鋼材為Q345E，彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

利用ABAQUS有限元軟件對塔架建模，塔架上部結(jié)構(gòu)利用一個重88.8t，距離塔筒頂部中心偏心距為1.2m的質(zhì)量點(diǎn)模擬［7］，分析時主要以質(zhì)量慣性參與風(fēng)電機(jī)組的振動。質(zhì)量點(diǎn)與塔筒之間采用剛性約束，兩個結(jié)構(gòu)之間沒有相互作用。塔筒底部全約束，與基礎(chǔ)剛性連接。無控塔架模型如圖5所示。

圖5 無控塔架頂部Fig.5 The top of the uncontrolled tower model

為了驗(yàn)證固定質(zhì)量阻尼器（FMD）在風(fēng)機(jī)塔架中的減振效果，本文建立裝置TMD結(jié)構(gòu)的塔架模型，TMD耗能裝置安裝于塔架內(nèi)部［8］，其質(zhì)量塊由重5.4t的質(zhì)量點(diǎn)模擬，如圖6所示。

圖6 塔架頂部TMD結(jié)構(gòu)Fig.6 TMD structure at the top of the tower

在FMD-塔架結(jié)構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)仍用質(zhì)量點(diǎn)模擬，但不再與塔架剛接，而是采用彈簧單元和阻尼單元連接，如圖7所示。

圖7 FMD-塔架結(jié)構(gòu)Fig.7 FMD-tower structure

2.2 風(fēng)荷載流場模擬

利用CFD軟件STAR-CCM模擬塔架外部風(fēng)荷載流場。風(fēng)機(jī)塔架所處風(fēng)場非常復(fù)雜，模擬實(shí)際中的風(fēng)荷載需要考慮眾多因素，計算工作風(fēng)場復(fù)雜。因此，本文只對順風(fēng)的脈動風(fēng)場速度進(jìn)行研究，不考慮實(shí)際風(fēng)況下脈動風(fēng)的隨機(jī)過程。三維實(shí)際風(fēng)場簡化成一維，結(jié)合脈動風(fēng)垂直向的梯度分布，脈動部分簡化為余弦函數(shù)分布，脈動周期為運(yùn)動周期T，參考高度處脈動風(fēng)幅值5m/s［9，10］。

式中：V（z，t）、Vz0為z、z0高度處的參考風(fēng)速；vx（z，t）為脈動風(fēng)速；z、z0為高度。

通過脈動風(fēng)的函數(shù)對脈動風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值模擬［10］，在計算域的入口邊界生成脈動風(fēng)。通過ABAQUS建立塔架模型，STAR-CCM＋建立風(fēng)載流場，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置STAR-CCM＋中啟動耦合進(jìn)程，計算結(jié)束后進(jìn)行結(jié)果保存和分析。

3 塔架流固耦合動力響應(yīng)分析

本文計算采用隱式耦合，耦合時間步為0.01s，計算時間為100s［11］。模擬考慮額定風(fēng)速和切出風(fēng)速兩種風(fēng)況，即風(fēng)機(jī)輪轂高度處平均風(fēng)速為11.7m/s和25m/s。

以塔架頂點(diǎn)1和每段塔架頂點(diǎn)2、3、4為觀測點(diǎn)，從位移和加速度這兩動力響應(yīng)結(jié)果分析比較傳統(tǒng)TMD裝置和固定質(zhì)量阻尼減振技術(shù)（FMD）對塔架的減振效果，風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)布置位置如圖8所示。

圖8 風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)Fig.8 Wind turbine tower structure

3.1 額定風(fēng)況

額定風(fēng)況下塔架測點(diǎn)位移與加速度均值如圖9所示。

由圖9a可知，額定風(fēng)況下塔架頂部FMD位移響應(yīng)較TMD有了明顯的改善。在塔架高度方向上FMD位移均值變化比較平緩，曲線無明顯突變，較為連續(xù)均勻。由圖9b可知，F(xiàn)MD在塔架頂部加速度增大，但在其他塔段處FMD加速度響應(yīng)要明顯小于TMD結(jié)構(gòu)。

圖9 額定風(fēng)況下塔架測點(diǎn)均值Fig.9 Average of tower measuring points under rated wind conditions

表1和表2分別給出了額定風(fēng)況下三種塔架結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均值和加速度響應(yīng)均值，可知：（1）額定風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為32%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為45%，故FMD-塔架結(jié)構(gòu)的位移減振效果最好；（2）額定風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)加速度平均減振率為33.4%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)（控制點(diǎn)2、3、4）加速度平均減振率為26.6%，但頂部機(jī)艙（控制點(diǎn)1）的加速度增大到1.40倍。由表2可知，塔筒上的2、3、4測點(diǎn)處的加速度響應(yīng)遠(yuǎn)小于無控結(jié)構(gòu)，也比TMD控制下的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)小很多。這表明由風(fēng)致振動引起的塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力大為減少，F(xiàn)MD起到了較好的減振作用。但頂部機(jī)艙的測點(diǎn)1處的加速度則均大于無控結(jié)構(gòu)和TMD減振結(jié)構(gòu)。頂部機(jī)艙作為固定質(zhì)量座落于振動控制裝置上，加速度的增大并未增加其自身內(nèi)力多少，且采用彈簧和黏滯阻尼器的振動控制連接使其與下部塔架不會同頻振動，即由頂部機(jī)艙加速度引起的塔筒附加內(nèi)力不會顯著增大。此外，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［12］第3.0.11條可知，其加速度不到規(guī)范限值0.15g的三分之一。綜上，頂部測點(diǎn)加速度放大引起的負(fù)面效果不大。

表1 額定風(fēng)況位移響應(yīng)均值（單位：m）Tab.1 Mean displacement response of rated wind regime（unit：m）

表2 額定風(fēng)況加速度響應(yīng)均值（單位：m/s2）Tab.2 Mean acceleration response of rated wind conditions（unit：m/s2）

3.2 切出風(fēng)況

切出風(fēng)況下塔架測點(diǎn)位移與加速度均值如圖10所示。

圖10 切出風(fēng)況下塔架測點(diǎn)均值Fig.10 Average of tower measuring points under cutting wind conditions

由圖10a可知，切出風(fēng)況下塔架頂部FMD位移響應(yīng)最小。在塔架高度方向上FMD位移均值變化比較平緩，曲線無明顯突變，較為連續(xù)均勻。由圖10b可知，F(xiàn)MD在塔架頂部加速度增大，但在其他塔段處FMD加速度響應(yīng)要明顯小于TMD結(jié)構(gòu)。

表3和表4分別給出了切出風(fēng)況下三種塔架結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均值和加速度響應(yīng)均值，可知：（1）切出風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為38%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為54%，故FMD-塔架結(jié)構(gòu)的位移減振效果最好；（2）切出風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)加速度平均減振率為39%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)（控制點(diǎn)2、3、4）加速度平均減振率為35%，但頂部機(jī)艙（控制點(diǎn)1）加速度增大到1.25倍。FMD對頂部機(jī)艙加速度的增大原因分析與額定風(fēng)況類似。

表3 切出風(fēng)況下位移平均響應(yīng)（單位：m）Tab.3 Displacement average response（unit：m）

表4 切出風(fēng)況下加速度平均響應(yīng)（單位：m/s2）Tab.4 Acceleration average response（unit：m/s2）

4 結(jié)論

本文針對塔架減振設(shè)計出一種應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組塔架的固定質(zhì)量阻尼減振裝置，通過流固耦合數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

1.FMD減振裝置改變了塔架與機(jī)艙的連接方式，由于塔頂結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致了塔頂加速度響應(yīng)有所增大，但在整個塔架高度方向上位移和加速度響應(yīng)控制效果明顯。

2.額定風(fēng)況下FMD結(jié)構(gòu)位移和加速度的減振率分別為45%和26%，TMD結(jié)構(gòu)減振率分別為32%和33%；切出風(fēng)況下FMD結(jié)構(gòu)位移和加速度的減振率分別為54%和35%，TMD結(jié)構(gòu)減振率分別為38%和39%。可知FMD結(jié)構(gòu)對塔架的風(fēng)載動力響應(yīng)控制效果明顯。

3.FMD耗能減振裝置，從構(gòu)造上避免了傳統(tǒng)TMD結(jié)構(gòu)安裝不易、加重塔體負(fù)擔(dān)等缺點(diǎn)，對于風(fēng)機(jī)塔架的振動控制具有較好的應(yīng)用前景。