柔塔二階渦激振動(dòng)阻尼值分析

李鵬 符鵬程 楊洪源 張宇

隨著國(guó)家對(duì)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(lái)越多。“三北”地區(qū)多采用高度相對(duì)較低的剛塔架，一般在100m以下，而低風(fēng)速區(qū)域?yàn)榱烁玫夭东@風(fēng)能會(huì)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(duì)剛塔的要低，由于塔架頻率和渦激振動(dòng)的臨界風(fēng)速呈線性關(guān)系，柔塔比剛塔發(fā)生渦激振動(dòng)需要的風(fēng)速更低，即更易發(fā)生渦激振動(dòng)。

本文以處在III類風(fēng)能資源區(qū)的某風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生二階渦激振動(dòng)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(jiǎn)稱“事故柔塔”）為研究對(duì)象，推斷其發(fā)生渦激振動(dòng)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(tái)140m柔塔為例對(duì)柔塔的二階渦激振動(dòng)情況進(jìn)行分析。

渦激振動(dòng)介紹

在流體場(chǎng)中任何非流線型物體會(huì)在其兩側(cè)交替地產(chǎn)生脫離表面的旋渦，旋渦會(huì)對(duì)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(shí)，會(huì)在垂直于來(lái)風(fēng)方向引起塔架的橫向振動(dòng)，這種規(guī)律性的橫向振動(dòng)反過來(lái)又會(huì)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(dòng)（Vortex-Induced Vibration，簡(jiǎn)稱VIV），圖1為渦激振動(dòng)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(lái)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(dòng)粘度系數(shù)，一般取1.5×10^-7m²/s。

渦激振動(dòng)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(dòng)形式為結(jié)構(gòu)頂部左右擺動(dòng);而在二階模態(tài)振型中，在結(jié)構(gòu)頂部附近會(huì)有一個(gè)近乎不動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的最大偏移點(diǎn)位于底部和該節(jié)點(diǎn)之間。渦激振動(dòng)分析方法

一、計(jì)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(dòng)的計(jì)算，其計(jì)算流程如圖3所示。

如圖3所示，渦激振動(dòng)分析中最重要的是計(jì)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(dòng)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(cè)量出來(lái)，振型可以通過有限元分析軟件計(jì)算出來(lái)，相關(guān)的風(fēng)速也可以通過設(shè)計(jì)參數(shù)獲得。其中塔架振動(dòng)過程中的阻尼主要包含結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼，渦激振動(dòng)時(shí)氣動(dòng)阻尼較小，因此根據(jù)IEc61400-6cD標(biāo)準(zhǔn)要求，在計(jì)算渦激振動(dòng)引起的損傷時(shí)，不考慮氣動(dòng)阻尼部分。而結(jié)構(gòu)阻尼作為在振動(dòng)過程中阻礙結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(guó)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(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)值，而對(duì)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(dòng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的和實(shí)際測(cè)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(dòng)進(jìn)行分析。該柔塔部分二階渦激振動(dòng)計(jì)算的參數(shù)見表2。

二、實(shí)測(cè)阻尼值

根據(jù)該140m柔塔（其二階固有頻率為1Hz）的測(cè)試數(shù)據(jù)，挑選其中具有二階振動(dòng)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(dòng)的塔底載荷和時(shí)間曲線的擬合阻尼值，得到二階阻尼對(duì)數(shù)衰減率值為0.058。

三、二階渦激振動(dòng)計(jì)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(cè)量結(jié)果，其是否適用于柔塔有待檢驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)中推薦的塔架二階渦激振動(dòng)的阻尼對(duì)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(dòng)分析方法，采用該阻尼值對(duì)該140m柔塔架的二階渦激振動(dòng)進(jìn)行分析的計(jì)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(dòng)破壞至少需累積該振動(dòng)9500小時(shí)，遠(yuǎn)大于1年中發(fā)生振動(dòng)的風(fēng)速區(qū)間的累計(jì)時(shí)間198小時(shí)，顯然與安裝不到1年的實(shí)際情況不符。

同時(shí)，上節(jié)中柔塔的測(cè)試結(jié)果顯示其二階阻尼對(duì)數(shù)衰減率值為0.058，按照該參數(shù)對(duì)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(dòng)破壞所需時(shí)間和Ⅲ類風(fēng)能資源區(qū)振動(dòng)風(fēng)速區(qū)間每年累積的時(shí)間接近且偏大。由于阻尼值越大，相應(yīng)累積二階渦激振動(dòng)破壞所需時(shí)間越長(zhǎng)，因此初步推測(cè)事故柔塔的二階阻尼對(duì)數(shù)衰減率應(yīng)比0.058略小。

柔塔在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮二階渦激振動(dòng)及合適的二階結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)，同時(shí)該參數(shù)應(yīng)經(jīng)過相應(yīng)的測(cè)試驗(yàn)證。如果想減小塔架二階渦激振動(dòng)的破壞風(fēng)險(xiǎn)，建議對(duì)機(jī)組采取適當(dāng)增加阻尼的措施。

總結(jié)

本文通過對(duì)某III類風(fēng)能資源區(qū)風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)破壞的情況進(jìn)行簡(jiǎn)單分析發(fā)現(xiàn)，IEC61400-6CD標(biāo)準(zhǔn)推薦的塔架二階阻尼對(duì)數(shù)衰減率值偏大，且分析出的破壞時(shí)間和實(shí)際情況偏差較大。同時(shí)對(duì)比某類似柔塔的二階阻尼測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其理論破壞時(shí)間和實(shí)際時(shí)間較接近，因此推斷柔塔的二階阻尼對(duì)數(shù)衰減率值比標(biāo)準(zhǔn)推薦值要小。同時(shí)本文建議塔架設(shè)計(jì)方在設(shè)計(jì)柔塔時(shí)充分考慮二階渦激振動(dòng)的影響，尤其是二階阻尼對(duì)數(shù)衰減率值應(yīng)經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，同時(shí)為了減小二階渦激振動(dòng)對(duì)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(duì)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(jì)，應(yīng)向PT61400-6塔架標(biāo)準(zhǔn)編制組反映該問題，以期其對(duì)該推薦值進(jìn)行重新審定。