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)

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)的振動特性，并為開展監(jiān)測提供依據(jù)，本文采用大型通用有限元軟件，對整機(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中的導(dǎo)管架式衛(wèi)星平臺，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)組振動的主要因素有：

（一）風(fēng)速、風(fēng)向變化引起的塔架振動

風(fēng)荷載包括平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分。平均風(fēng)在給定時間內(nèi)風(fēng)力大小、方向等不隨時間變化，相當(dāng)于靜力作用。脈動風(fēng)則隨時間隨機(jī)變化，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)的順風(fēng)向振動、橫風(fēng)向振動。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，還將產(chǎn)生空氣動力扭矩，風(fēng)輪迎風(fēng)裝置動作，以保證風(fēng)輪機(jī)葉輪總是對準(zhǔn)風(fēng)向。

（二）葉輪旋轉(zhuǎn)引起的振動

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中，葉輪每轉(zhuǎn)一周就會有k次振動（k為葉片數(shù)目），葉輪轉(zhuǎn)速為n r/min，則每分鐘就會有kn次振動。已有研究表明，塔架固有頻率f＜kn的稱為“硬塔”，“硬塔”造價較高；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

主要是發(fā)電機(jī)、磁極運(yùn)動產(chǎn)生的振動，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱產(chǎn)生的振動等。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力特性，海上高聳的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)體系在這些動力荷載作用下將產(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)是一個相互作用高度耦合的動力系統(tǒng)，需采用結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動力分析，以掌握結(jié)構(gòu)的動力特性和響應(yīng)。在整機(jī)頻率分析時，需要分析塔筒振動問題、葉片振動問題、整機(jī)振動問題等，其中塔筒振動及葉片振動主要是在塔筒及葉片設(shè)計及安全校核時采用，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)計時需要考慮的整機(jī)固有頻率允許范圍，可見，該區(qū)域非常狹小，加之設(shè)計時還需要根據(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)計的過“柔”，則容易低于該區(qū)域下限而產(chǎn)生共振，若設(shè)計的過“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，因此對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高要求。

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。

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

對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)動對塔體的影響，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€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?；A(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

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樁完全嵌固。

本文按照上述方法二，根據(jù)CCS《海上平臺入級與建造規(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)測亦重點(diǎn)結(jié)合一階和二階振型曲線來布設(shè)監(jiān)測儀器。此外，前四階振型均在相互垂直的兩個方向，因此在布置傳感器時也應(yīng)分別考慮兩個不同方向進(jìn)行布設(shè)。

2 固有頻率及后期監(jiān)測反饋

由于此處有限元計算為停機(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)測分析獲得的塔體固有頻率進(jìn)行直接對比，不需要知道塔體處于什么運(yùn)行階段，這將會簡化之后的工作。

在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)實(shí)施后，在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺以及塔架不同高度設(shè)置了傾角計、加速度傳感器以及應(yīng)變計等，通過監(jiān)測及剔除“噪聲”后的分析，對其中兩臺風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的監(jiān)測結(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)測及計算

圖7 #2風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)固有頻率監(jiān)測及計算

表3 固有頻率計算及監(jiān)測結(jié)果

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

考慮到實(shí)際工程的頻率監(jiān)測中“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)際工程中計算模擬與監(jiān)測看，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)測系統(tǒng)的設(shè)計，通過后期監(jiān)測反饋與對比，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)電場的風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)屬于柔性或半柔性設(shè)計，整機(jī)自振頻率分析與監(jiān)測的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，建議在開展監(jiān)測前做好充分的模擬分析，對于樁式基礎(chǔ)應(yīng)考慮約束條件的模擬、結(jié)構(gòu)剛度、水動力及土壤阻尼等因素，而在監(jiān)測時應(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)：華東勘測設(shè)計研究院有限公司）