風力發(fā)電塔架振動特性聯合仿真應用研究

程友良,薛占璞

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

風力發(fā)電塔架振動特性聯合仿真應用研究

程友良,薛占璞

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

風力機塔架是整個風力發(fā)電機組的支撐部件，其承載能力決定風力發(fā)電機組的安全性與正常運行。針對風力發(fā)電塔架振動引起的風力發(fā)電機組失穩(wěn)問題，運用聯合仿真技術，在Solidworks中建立塔架三維結構動力學模型。利用有限元分析軟件ANSYS對塔架的振動特性及風致響應進行分析，提取模態(tài)分析的前五階非零模態(tài)振型，對各階的位移與振型圖進行分析。針對塔架在極端環(huán)境下動力響應變化情況，進行脈動風速下塔架應力變化分析。風致響應是衡量塔架正常運行的重要指標，應力變化幅度決定塔架強度是否滿足強度要求，以防止塔架結構斷裂。分析結果表明，塔架前三階振型為橫向彎曲，無明顯位移偏移量；第四階振型出現橫向彎曲和扭轉變形，振動位移和應力變化幅度較大；第五階振型出現扭轉。該結果為塔架的振動特性提供了依據，從而避免了風力發(fā)電機組失穩(wěn)現象的發(fā)生。

風力發(fā)電塔架； 振動特性； 位移； 有限元分析； 聯合仿真； 結構動力學

0 引言

隨著煤、石油等傳統(tǒng)能源日益減少及環(huán)境污染引發(fā)社會、生活等各類問題，風力發(fā)電作為一種清潔、無污染的可再生能源技術，越來越受到世界各國的重視，已成為全球應對能源危機的重要舉措。風力機單機容量從6 MW逐漸趨于10 MW，甚至15 MW超大容量。隨著單機容量的逐漸增大，塔架高度也隨之增加。塔架在風力發(fā)電系統(tǒng)中除了承受風力機及機艙重力之外，還承受風切變、振動等載荷作用，并且載荷的隨機性與交變性更為顯著[1-2]，塔架振動特性是保證風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵。

近年來，許多學者對風力機塔架進行振動特性分析，對錐筒式和分段式塔架的模態(tài)振型圖進行比較，并根據各個模態(tài)分析結果，選擇一種最佳方案[2-3]。但是以往的塔架振動特性分析多采用單一仿真技術，而較少采用聯合仿真分析技術。為準確分析風力機塔架振動特性，本文利用聯合仿真技術，基于振動特性基本理論，通過有限元分析軟件Solidworks及ANSYS對風力機塔架的振動特性及脈動風速下的響應情況進行分析，得到塔架在不同頻率下的振型圖及應力變化分布，從而為塔架的應用及參數在線監(jiān)測提供參考。

1 振動特性基本理論

(1)

式中:M為塔架結構的整體質量矩陣；K為塔架結構的整體剛度矩陣。

非零矢量φi的比例解為：

φi=[φ1iφ2iφ3iφ4i]T

(2)

將n個特征矢量φi按列排成n×n階陣，可得系統(tǒng)的特征矢量矩陣：

φ=[φ1φ2…φn]

(3)

此時特征矢量為模態(tài)矢量或模態(tài)矩陣，即為模態(tài)振型。

2 風力機塔架結構動力學模型

利用Solidworks建立1.5 MW風力機塔架三維結構動力學模型，底部直徑為4.2 m，頂部直徑為2.5 m，高度為70 m，葉片和機艙的質量為78 300 kg，塔架材料為合金鋼，彈性模量E=2.0×1 011 Pa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.85×103kg/m3，塔架可分為兩段，法蘭直徑為4 m。為了保證風力機塔架振動特性分析與實際結構相一致，增加風力機及機艙，構成風力發(fā)電系統(tǒng)。塔架三維結構動力學模型如圖1所示。

圖1 塔架三維結構動力學模型

根據塔架的實際情況作出如下簡化。

①省略塔架連接處螺栓及法蘭連接的配合情況，近似剛性連接;

②不考慮螺栓裝配的預應力;

Dynamic Simulation of Impact of Shipping Services on Port

③簡化對于風力機及機艙不重要的裝配孔;

④地面與塔架的連接剛度無限大，塔架與地面連接進行六自由度全約束。

根據結構簡化要求，在Solidworks中進行模型的修改，格式保存成“.x-t”，并通過接口技術導入到ANSYS中。設置單元類型為六面體三維實體單元solid45，每個節(jié)點有三個移動自由度[6-8]。根據簡化的風力塔架三維結構動力學模型，其計算域如圖2所示。

圖2 風力機塔架計算域

計算域大小為長40 m、寬30 m、高120 m，塔架模型位于計算域的中心位置。在網格劃分方面，塔架壁面的網格質量起著至關重要的作用，塔架網格數量約為3.84×105。

3 塔架振動特性分析

3.1 模態(tài)分析

在塔架結構模態(tài)分析中，前五階非零模態(tài)振型是所有振型的基礎，與其對應的模態(tài)頻率是振動特性分析的重點[9-11]。振型圖表明：前三階振型中無明顯扭轉變形，第四階模態(tài)振型顯示徑向擠壓及扭轉變形。第一階、第二階振型為擺振，第三階振型為揮舞。根據振動特性基本理論，在振動過程中塔架的能量主要在第一階、第二階頻率處，塔架的主要振動是擺振，而非扭振。

塔架前五階固有頻率、振型和總振幅如表1所示。由表1可知，前三階模態(tài)振型主要是橫向彎曲，變形量不大；第四階模態(tài)振型出現了縱向彎曲及扭轉，總振幅為0.115 m，變形最大的節(jié)點位于塔架的頂部處，屬于扭曲變形，應避免以該頻率(f=3.488 Hz)工作，否則會產生由于振動位移過大發(fā)生塔架結構斷裂。隨著頻率的增加，塔架振型由橫向彎曲逐漸轉變?yōu)榕まD振動。實際運行時應根據頻率及對應的振型進行監(jiān)測，避免由于振動現象導致的破壞。

表1 塔架前五階固有頻率、振型和總振幅

3.2 脈動風載荷作用下動力響應分析

為了分析風力機塔架在極端環(huán)境下的動力響應情況，對其應力變化進行分析，以保證塔架足夠的強度適應風力發(fā)電系統(tǒng)運行。施加脈動風載荷，數值計算采用Simple算法，設置殘差小于10-6，對塔架周圍風載荷滿足的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程等參數趨于漸近值時達到收斂。

塔架應力變化曲線如圖3所示。

圖3 塔架應力變化曲線

由圖3可知：最大應力為45 kPa，對應的頻率為2.39 Hz；最小應力為30 kPa，對應的頻率為3.81 Hz。塔架在30 s內應力變化幅度不大，屬于允許范圍內，不易發(fā)生應力集中以及振動破壞。從對應的頻率與振動位移量可知，模態(tài)頻率有10%裕度，不易發(fā)生共振。

4 結束語

結合風力機塔架結構參數，利用聯合仿真技術，在Solidworks建立風力機塔架模型，并通過ANSYS對其進行模態(tài)分析及極端載荷下的應力變化分析。

由模態(tài)分析可知塔架的固有頻率、振型及總振幅，振動特性頻率主要集中在0.357～3.726 Hz,最大變形量為0.115 m，應力變化平緩，不易發(fā)生應力集中。

振動特性結果為塔架的設計及運行狀態(tài)的監(jiān)測提供了理論依據，塔架的動力學分析是未來研究的重點。

[1] 張豐豪,何榕.結構阻尼對風力機塔架振動特性的影響[J].太陽能學報,2015,36(10):2467-2473.

[2] 張偉.基于ANSYS的糊底機機架模態(tài)分析[J].自動化儀表,2016,37(12):23-28.

[3] 趙榮珍,呂鋼.水平軸風力發(fā)電機塔架的振動模態(tài)分析[J].蘭州理工大學學報,2009,35(2):33-36.

[4] 黃珊秋,陸萍.ZONDZ-40風力機塔架的模態(tài)分析[J].太陽能學報,2001,22(2):153-156.

[5] 張羽,蔡新,高強,等.風力機塔架結構研究概述[J].工程設計學報,2016,23(2):108-115.

[6] 周長城,胡文喜,熊文波.ANSYS基礎與典型范例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[7] 柯世堂,王同光,曹九發(fā),等.考慮葉片旋轉和離心力效應風力機塔架風振分析[J].太陽能學報,2015,36(1):33-40.

[8] 應有,朱重喜,楊帆,等.大型風電機組塔架主動阻尼控制技術研究[J].太陽能學報,2015,36(1):54-60.

[9] 戴建鑫.風力機塔架的有限元建模及靜動態(tài)特性分析[D].蘭州:蘭州理工大學,2011.

[10]王振宇,張彪,趙艷,等.臺風作用下風力機塔架振動響應研究[J].太陽能學報,2013,34(8):1434-1442.

[11]閆梁.風力發(fā)電機塔架結構風壓數值模擬研究[D].包頭:內蒙古科技大學,2014.

Study on Application of Joint Simulation of Wind Power Generation Tower Vibration Performance

CHENG Youliang,XUE Zhanpu

(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Wind turbine tower is the supporting component of the whole wind power generation unit; its bearing capacity determines the safety and normal operation of wind power unit.To solve the instability problem of wind power unit which is caused by the vibration of wind power generation tower,by using joint simulation technology,the three-dimensional structural dynamics model of tower is established in Solidworks.The vibration characteristics of the tower and the wind-induced response are analyzed by adopting the finite element analysis software ANSYS,the first five orders non-zero modal vibration types of modal analysis are extracted,and the displacement and vibration pattern of each order are analyzed.In accordance with the dynamic response variations of tower under extreme environment,the stress changes of tower under pulsed wind speed are analyzed.To avoid the fracture of tower,the wind-induced response is the important index to determine whether the strength of tower meets the requirement or not.The analysis results show that the first three orders vibration types of tower are lateral bending and no obvious shift; the fourth vibration type is bending and torsion deformation,its vibration displacement and the stress changes are large; torsion may occur in the fifth order vibration type.The results provide the basis for the vibration characteristics of the tower,so as to avoid the occurrence of instability phenomenon of wind power generation unit.

Wind power generation tower; Vibration characteristics; Displacement; Finite element analysis; Joint simulation; Structural dynamics

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金資助項目(2016XS107)

程友良(1963—)，男，博士，教授，主要從事流體動力學理論及其應用、流體設備與節(jié)能、可再生能源理論及其應用、清潔能源利用技術與設備等方向的研究。E-mail:shenghuo166@163.com。

TH-39;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706006

修改稿收到日期：2017-03-10