風電機組渦激振動的原因及抑制研究

婁源元

(國能思達科技有限公司,北京 100000)

0 引言

隨著我國風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,風機大型化已成必然趨勢,體現(xiàn)在大功率、高塔筒、長葉片三個方向。風機大型化塔筒高度增加,葉輪達到風速更高的區(qū)域,大葉片增大捕風效率,發(fā)電效能顯著提升,但是當塔高超過100 m后,按照傳統(tǒng)的鋼塔設(shè)計和制造工藝,重量會成指數(shù)增加,風速提升的電量已不足以彌補塔筒增高的成本[1]。

通過技術(shù)的發(fā)展,目前塔筒增高主要有兩種方式:第一種為混塔,使用混凝土替代一部分鋼材,基礎(chǔ)部分及下段為混凝土,上部分為鋼制塔段;第二種為自振頻率較低的柔塔。柔塔具有自重輕、建造成本低的特點,塔筒高度高,柔塔經(jīng)濟效益好,但柔塔需要克服共振與渦激的影響。

1 塔筒渦激振動原理

渦激振動即流體流經(jīng)非流線型物體時,在物體兩側(cè)產(chǎn)生交替脫落其表面的旋渦,旋渦在物體表面產(chǎn)生的脈動壓力與物體的彈性形變發(fā)生耦合振動,從而產(chǎn)生渦激振動。對于風電機組的渦激振動而言,風流經(jīng)圓柱形塔筒,流動從層流變到湍流,隨著雷諾系數(shù)的增加,風在塔筒表面出現(xiàn)旋渦脫落,形成旋渦,旋渦在塔筒的兩側(cè)產(chǎn)生周期性的渦激載荷。渦激載荷引起塔筒發(fā)生額外的應(yīng)力和形變,在塔筒上產(chǎn)生周期性的振動響應(yīng),即塔筒渦激振動。

在風力發(fā)電研究中將塔筒渦激振動問題簡化為流體圓柱繞流問題。雷諾數(shù)Re是無量綱常數(shù),表示流體所受到的慣性力與粘性力之比。在圓柱體繞流問題中,圓柱體后的脫渦頻率和尾流情況與雷諾數(shù)有關(guān),是影響渦激振動的主要因素之一[2]。

(1)

式中:V—流體速度,m/s;D—圓柱直徑,m;μ—流體粘滯系數(shù),kg/m·s;ρ—流體密度,kg/m3;d—特征長度,m。

不同雷諾數(shù)下流體尾流形態(tài)如圖1所示:

當Re<5時,外層流速低,流體沿著圓柱體前緣減速產(chǎn)生的壓力不大,沒有旋渦產(chǎn)生;

當5

當40

當150

當300

當3×105

當Re>3.5×106時,在圓柱后流體形成湍流渦街[3]。

旋渦每脫落一次,壓力分布相應(yīng)地變化一次,圓柱體便承受著交變力。旋渦脫落的頻率fs由式(2)給出。若圓柱體在流體中的自振頻率f與fs吻合,圓柱體將產(chǎn)生劇烈的共振現(xiàn)象。因此圓柱體發(fā)生渦激共振的條件是風速等于臨界風速[4]。

(2)

當fs=f時,

(3)

式中:V—流體速度,m/s;D—圓柱的直徑,m;St—斯特魯哈數(shù),無量綱系數(shù)。St與Re有關(guān),亞臨界狀態(tài)下約為0.2,過臨界狀態(tài)下約為 0.3。vcrit—渦激振動發(fā)生的臨界風速。

當流經(jīng)塔筒的風速到達一定時,風速變化將不再影響渦街脫落頻率,此時渦街脫落頻率固定在塔筒固有頻率上,便發(fā)生了渦激振動的“鎖定”現(xiàn)象。若風速為臨界風速,并發(fā)生了“鎖定”現(xiàn)象,塔筒便會在渦激振動的影響下產(chǎn)生共振,在垂直于來風方向上引起塔筒頂部橫向大幅度振動,將會造成塔筒結(jié)構(gòu)較大的疲勞損傷,導致塔筒斷裂、倒塌,因此控制塔筒的渦激振動對于機組的穩(wěn)定性是非常必要的。

2 減小渦激振動的措施

從渦激振動的理論出發(fā),可以采用以下方法減小渦激振動。

2.1 增大約化阻尼

約化阻尼的表達式:

(4)

式中:me—單位長度等效質(zhì)量;ε—結(jié)構(gòu)在流體中的阻尼率;ρ—流體密度。

從式(4)可以看出,增大質(zhì)量或結(jié)構(gòu)阻尼則可減小振幅,可采用阻尼率較大的材料,阻尼大的結(jié)構(gòu),或者加裝阻尼器等方式減小渦激振動。

2.2 提高結(jié)構(gòu)固有頻率

考慮流體約化速度對渦激振動頻率的影響,可采用提高固有頻率的方式,避免共振情況發(fā)生。吊裝過程中,使用纜風繩輔助固定塔筒,或在塔筒上安裝擾流條,破壞規(guī)律性泄渦,抑制渦激振動。另外在塔筒上安裝穩(wěn)索、斜撐等來提高結(jié)構(gòu)的固有頻率。通過加裝擺錘、水箱、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等方式對塔筒進行加阻,抑制渦激振動。

2.3 獨立變槳技術(shù)

為了消除渦激振動,避開共振區(qū),降低切變及湍流載荷,支持大功率、大葉輪,風機廠家開始研究獨立變槳技術(shù),獨立變槳控制(Individual pitch control,簡稱“IPC”):是指根據(jù)各個葉片的實際所受載荷,發(fā)出不同的變槳指令調(diào)節(jié)槳距角的變化,使每支槳葉處于不同的目標位置[5],降低葉輪不均衡疲勞載荷,調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速從而控制發(fā)電機組功率的輸出。

獨立變槳技術(shù)有效減小了葉片根部和主軸所受到的疲勞載荷,通過獨立變槳機組和協(xié)同變槳機組部件載荷分析比較,獨立變槳機組部件所受載荷的平均值雖然沒有太大變化,但風機結(jié)構(gòu)的各項振動加速度幅值均有較大程度下降,從而提高了設(shè)備的穩(wěn)定性,延長了設(shè)備的使用壽命。

渦激振動在未偏航對風的情況下,機艙側(cè)對風向時尤其嚴重,風機正常運行時無風險,機組自動偏航對風,塔筒振動方向葉片啟動阻尼大,從而抑制塔筒渦激振動。在機組未上電或電網(wǎng)斷電期時,通過機組UPS電源,利用變槳技術(shù)進入抗渦模式,獨立變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)葉片角度,從而增加整機各個方向啟動阻尼,抑制塔筒振動,降低渦激振動發(fā)生概率。

3 故障實列分析

山東德州某風電項目,塔筒采用反向平衡法蘭,塔筒高度100 m,使用錨栓工藝安裝,2019年11月份20號機組安裝完成,11月28日該機組塔筒發(fā)生晃動,由輪轂-機艙方向前后晃動,晃動幅度目測超過1 m,與鄰近機位主吊100 m位置獲得風速為6 m/s,風機三支槳葉均在89度位置,葉輪位置側(cè)對風向,葉輪旋轉(zhuǎn)緩慢。2019年12月4日風速在4.9 m/s左右,20號風機再次出現(xiàn)晃動情況。

原因分析:

1)基礎(chǔ)施工質(zhì)量問題,導致基礎(chǔ)傾覆剛度偏低,風輪推力作用下導致塔筒晃動;

2)塔筒螺栓預緊力不夠,導致塔筒彎曲剛度偏低,風輪推力作用下導致塔筒晃動;

經(jīng)檢查基礎(chǔ)報告、基礎(chǔ)沉降測試結(jié)果,校核塔筒、螺栓力矩,已排除上述兩條原因。

3)塔筒發(fā)生了渦激振動,當風吹過塔筒時,塔筒受到不對稱脫渦效應(yīng)的側(cè)向力,引起塔筒垂直于風向的橫向振動,從而發(fā)生渦激振動。渦激振動有兩個必要條件,一是有持續(xù)穩(wěn)定的脫渦效應(yīng),二是旋渦的脫落頻率接近塔筒的固有頻率。渦激振動是風電機組塔筒設(shè)計過程的一部分,根據(jù)EN1991-1-4標準核算該機組裝上機頭之后塔筒一階固有頻率為

0.252 Hz,與5 m/s風速條件下旋渦脫落頻率吻合,會使塔筒產(chǎn)生側(cè)向(垂直于風向)變形。

該臺風機側(cè)向來風風速,接近塔筒渦激振動的耦合風速,誘發(fā)了渦激振動。為消除渦激振動,對該臺機組安裝了葉片載荷監(jiān)控系統(tǒng),在葉根前緣和后緣位置距離葉片法蘭面約1 m處,安裝傳感器,每支葉片安裝4個應(yīng)變傳感器和4個溫度補償傳感器。溫度傳感器對測量點的應(yīng)變傳感器進行溫度補償。載荷監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器的波長變化可計算出葉根的載荷,然后通過Coleman坐標變換的方法將3支葉片的載荷情況,轉(zhuǎn)換成傾覆信號和偏航信號,再經(jīng)系統(tǒng)計算得到每支槳葉的位置值。該臺機組通過硬件安裝和主控、變槳程序更新,進入抗渦模式,槳葉一變槳至92°,槳葉二變槳至89°,槳葉三變槳至0,振動消除。

4 結(jié)論

隨著低風速風電開發(fā)的持續(xù)深入,風電機組大型化的發(fā)展,柔塔將迎來更為廣闊的應(yīng)用前景。在增加塔架高度的同時,還需要通過機組控制策略、安裝等技術(shù)手段來解決塔架增高帶來的挑戰(zhàn)。通過獨立變槳控制技術(shù)對葉片進行單獨變槳的能力改善了風機的性能,提高了年發(fā)電量,減少了葉片和葉根承受的載荷,有效抑制渦激振動發(fā)生的概率。獨立變槳技術(shù)將成為風電機組變槳控制的主要方式。