风力发电项目高寒塔架振动控制研究

风力发电项目高寒塔架振动控制研究

风力发电机在塔架中的应用随着传统能源的日益匮乏和环境问题的日益突出，风力可作为一种清洁、无害的可能源能源，受到世界各国的越来越多关注。风能分布广泛、储量巨大,具有广阔的开发利用前景,据估算,仅地面风力的1%,就能满足全球发电能量的需求,由此可见,风力是一个相当巨大的电力能源宝库。风能资源的分布特点,决定了我国风电开发的“大规模发展,集中式建设,远距离输送”的趋势。根据《中国风电发展路线图2050》塔架是风力发电机组中的主要支承装置,它将风机与地面相连接,为水平轴叶轮提供需要的高度。塔架除承受机组自身的振动外,由于其所处的特殊环境,还要承受风荷载、地震荷载以及海浪和冰振等动力作用。如何高效、经济地降低塔架结构的振动,成为风力发电技术中的一个重要问题,假若采用增加塔架结构自身刚度的方法,利用自身的能力来耗散振动能量,比如加大构件的截面尺寸或提高材料的强度等级等,既不经济,又存在较大问题,而结构振动控制是解决这一问题的有效方法。1格构式塔架质量标准风力发电机组(简称风机)是将风能转化为电能的设备,主要包括三叶片、轮毂、机舱和钢塔架,属于一种高耸结构,其受力特点与一般的建筑结构并不完全相同,通常水平荷载起到控制作用。而因其包含叶轮和机舱部分,顶部体型和质量较大,又属于典型的长周期结构。塔架是风机的主要承载部件,安全运行的基础,将风机与地面连接。根据结构形式的不同,主要分为锥台型塔筒和格构式塔架两种。锥台型塔筒是目前大型风机市场中最典型的结构形式。从外观看,由若干段长20~30m的锥筒通过法兰连接而成,由底向上直径逐渐减小,整体呈圆台状,因此也称此类塔架为圆台式塔架。其主要优点是美观大方、构造简单、安全性能好、占地面积少、安装与维修方便等,但目前存在的主要缺点是,整体材料的利用率低、运输中易受道路条件限制、经济性差等。格构式塔架与输电塔架外观相似,在早期小型风机中大量使用,其主要优点是制造简单、耗材少、成本低、运输方便,但其主要缺点是施工过程中连接的零部件较多、现场施工周期长、占地面积大、通向塔顶的检修梯子不好安排等,在大型风机中逐渐被锥台型塔筒替代。但在国外一些高度超过100m的塔架中,格构式塔架又重新受到重视,主要原因在于,在高度和刚度设计要求相同的情况下,格构式塔架比锥台型塔筒的材料利用率高,使其材料消耗减少约40%;同时,格构式塔架的构件尺寸小,可大幅降低运输成本。风机塔架的重量占总重量的1/2,其成本占机组的15%左右;目前,风机容量最高已达到7.3MW,风轮直径达80~100m,塔架高度达到100m;随着风力发电机容量的增加,其高度和重量也在不断增加,需重新进行更为缜密的荷载计算,完善塔架和基础的抗震与耗能减振设计,来抵抗风荷载与地震等作用,延长塔架的使用寿命。2风荷载作用机制塔架作为细长的高耸结构,风荷载、地震以及波浪荷载等是最典型的外部作用,在其作用下发生振动,最大危害是使塔筒连接部位和其上的某些机舱构件产生疲劳,从而导致塔架材料的强度大大降低,缩短塔架使用寿命。从承载能力极限状态考虑,风机在风荷载、地震以及波浪荷载作用下应确保不发生强度破坏、屈曲、折断和整体倾覆;从正常使用极限状态考虑,为了保证发电效率和叶片不至于与塔架碰撞,结构不能有过大的变形和倾斜。风荷载是对风机塔架作用较大的主要荷载之一,风机叶轮将给风机支撑塔架带来较大的倾覆弯矩,因此风荷载在风机塔架结构体系动力分析过程中是主要的控制荷载。对风荷载的计算主要有两方面的内容,一是风场模型的模拟,二是荷载作用机制的描述。在风荷载计算之前首先应研究风场的模拟方法,自然风主要包括平均风和脉动风两部分Davenport脉动风速功率谱公式:式中,S地震作用对风机塔架、高层建筑等类似的长周期结构的破坏通常是尤为严重的。近年来,随着风力发电规模急剧增长,风机已难以避开地震高烈度区,对照我国风电场分布图和地震带分布图可知,风能资源丰富地区多集中在地震带附近或地震带上。地震作为一种突发式的自然灾害,会引起各类工程结构的破坏,造成人民生命和财产的损失,然而我国是一个地震频发的国家,故对风机塔架结构进行减振控制是十分必要的。地震理论式中,F为最大水平底部剪力,即总水平地震作用;m为体系的质量;G为体系的重量;S波浪荷载是近海风机结构的重要环境荷载之一,不断变化的波浪荷载使得风机塔架结构内部产生不断变化的应力,交变应力的不断积累会造成风机塔架结构的疲劳损伤。波浪作用可考虑为两类:一类是极限荷载,是风机塔架可能遇到的极少数重现期很长的大浪产生的;另一类是正常工作情况下的波浪作用,是结构疲劳分析的主要荷载,施加在风机塔架结构上的波浪作用主要包含阻力和惯性力,阻力是由流体的粘性效应产生,通常假设它与水质点相对于塔架结构的速度的平方成正比,惯性力与水和结构间的相对加速度成正比,如式(3)所示式中,f(t)为波浪力;u(t)为波浪速度;a(t)为波浪加速度;C3风致响应及地震响应分析随着风机塔架结构的大型化发展,长细比增大、刚度减小、自振频率降低,总体结构变得柔性化,环境荷载对风机塔架结构的作用更加显著。其中风荷载发生频率高,地震对结构的作用同样强烈,因此对风机塔架结构设置有效的振动控制装置可积极抵御灾害。我国对于风机塔架的振动控制研究相对较晚,通过对结构的风致响应及地震响应分析,可以明确引起塔架结构振动的主要原因。国内许多学者对塔架结构的消能减振和调频减振装置进行了设计和理论研究,并取得了一定成果,简要从以下几个方面作一回顾。3.1风机塔架动力响应分析研究风机塔架结构属于典型的柔性结构,结构的自振周期相对较长,对风荷载等周期相对较长的荷载较为敏感。一般情况下,风荷载是风机塔架结构的主要控制荷载,风荷载作用下会产生较大的变形和动力响应,甚至会失效破坏。风机塔架系统风致响应分析是对其进行振动控制的基础,国内外已有部分学者对风机塔架系统动力响应分析进行了研究,主要体现在结构整体模型和简化模型、风荷载模型、风场的模型以及风与塔架结构的耦合问题等方面。风机塔架结构基于有限元法进行建模可分为整体建模和细部建模两种。在整体建模的研究中,Lobitz在实际计算中,没有必要也无需对模型中所有点进行风速时程仿真,通常可对风机塔架整体结构进行离散简化。Bazeos等目前,风荷载通常按照脉动风速功率谱密度函数获得,按是否考虑湍流积分尺度随高度的变化分为两大类,一是不考虑随高度变化的,如Davenport谱、Harris谱、VonKarman谱等;另一类是考虑随高度变化的,如Simiui谱、Kaimal谱、Hino谱等。对脉动风荷载的模拟主要有两类:一类是基于一系列三角函数加权叠加的谐波叠加法,另一类是采用自回归模型的线性滤波法3.2地震响应分析随着越来越多的风机塔架结构在地震活跃地区兴建,地震作用很可能成为风机塔架结构的控制荷载之一,有必要对其在地震作用下的破坏及倒塌做合理的分析。目前,国内外学者已经开始关注风机塔架这种柔性结构的地震动力响应问题。主要体现在塔架-基础-地基相互作用、地震动的输入及分析方法等方面。地基与结构之间的相互作用(SSI效应)是影响结构地震响应的关键因素之一,高柔的塔架结构如建立在软质地基土上,基础相对地基发生平移和转动,将使上部结构的实际变形与按刚性地基假定计算的结果之间产生一定的差别,因此,对于处在柔性地基上的风机塔架结构在计算地震响应时应考虑SSI效应。Lavassas等结构的地震响应不仅取决于结构本身的动力特性,同时也取决于输入地震波的幅值、频谱特性和持续时间,依据建筑场地类别和设计地震分组来选择输入的地震波,由于场地的固有周期和场地地震效应的影响,地震时结构的破坏程度随场地条件的不同而变化。同时,也要考虑地震的多维性,其不仅具有水平和竖向三个正交平动分量,同时还具有扭转和摇摆转动分量。因此,在研究风机塔架结构地震动力响应时要考虑场地条件和多维输入问题。La-vassas等风机塔架结构地震响应分析都采用确定性方法,其又分为反应谱法和时程分析法两种。反应谱法既考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系,又充分应用了静力理论,巧妙地将动力问题静力化,使得复杂结构地震作用及其效应的计算变得简单易行。对于较规则的结构,一般采用反应谱法进行计算,对于不规则且具有明显薄弱部位的结构,采用时程分析法做补充计算。时程分析法通过动力方法计算得到地震波作用时的各时刻各个质点的位移、速度、加速度以及各构件的内力,反映地面运动的方向、特性及持续作用的影响。从理论上,时程分析方法比反应谱法更为先进,可校核结构是否存在承载力、刚度方面的薄弱部位,以避免大震下的结构倒塌等严重破坏。Lavassas等3.3应用消能减振装置的必要性消能减振装置适用于高柔结构与高耸塔架,可吸收和耗散地震、风振等能量,以减小塔架结构振动响应。在小风或小震作用下,消能装置和结构共同作用,结构本身处于弹性状态并满足正常使用要求;在大震或强风作用下,随着结构侧向变形的增大,消能装置产生较大阻尼,大量消耗输入结构的地震或风振能量,使结构的动能或变形能转化成热能等形式耗散掉,迅速衰减结构的地震或风振反应,使主体结构避免发生危及生命或丧失使用功能的破坏。消能减振装置可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置,受到风机塔架结构特殊性的制约,只能设置在塔架上,宜设置在塔身变形较大的位置,其数量和分布应通过综合分析合理确定,并有利于提高整个塔架结构的消能减振能力,形成合理的受力体系。而塔架的变形通常为弯曲变形,剪切型消能减振装置不易发挥作用,因此,关键问题是根据风机塔架这种柔性弯曲结构的特点,设计出能高效发挥作用的消能减振装置。许多学者利用粘弹性材料的耗能设计了不同的减振装置。李杰等风机塔架一般为圆形截面,且截面面积有限,对耗能器的使用起到一种制约作用。马人乐等3.4调谐液体阻尼器调频减振装置是塔式结构振动控制中应用最为广泛的一种控制装置,因其造价低、构造简单、易安装、维护方便、可靠性高等优点,在高耸柔性结构领域获得普遍应用,已有试验和数值分析研究表明,对第一振型为主的高耸柔性结构,调频减振控制装置对风荷载和地震引起的振动都有明显的减振效果。调频减振装置主要有调频质量阻尼器(TMD)和调频液体阻尼器(TLD)两类。调频质量阻尼器由主结构和附加在主结构上的子结构组成,其中子结构包括固体质量、弹簧减振器和阻尼器等,通过改变质量或刚度调整子结构的自振频率,使其尽量接近主结构的基本频率或激励频率,当主结构受激励而振动时,子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在结构上,使主结构的振动反应衰减并受到控制。Si等与TMD的减振原理相似,调谐液体阻尼器(TLD)是利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧压力和耗能起到减振作用的。TLD在地震或风荷载作用下将产生振动,从而引起TLD中的液体的晃动,并在液体表面形成波浪,晃动的液体和波浪对TLD箱壁产生动压力差,同时液体运动也将引起惯性力,由动压力差和液体惯性力形成了TLD对结构的减振作用。TLD主要分为两类,第一类是矩形、圆柱形或圆环形的水箱,称为普通的TLD;第二类是U形管状水箱,称为调频液体柱状阻尼器,简称TLCD。由于TLD振动的频率与其振动方向的边长和液体高度有关,对于风机塔架的振动控制而言,需要TLD的尺寸较大,在实际工程中很难实现。然而,不受尺寸限制的TLCD却能起到很好的减振作用。Balendra等4风力机风机塔架减振控制的展望随着风机装机容量的不断增加,塔架支撑结构也不断向大型化发展,超过100m的塔架已非常普遍。与高耸结构类似,这种细长柔性结构在风荷载、地震作用、海浪作用等动力荷载作用下会产生显著的动力响应和大幅弯曲变形。对风机而言,塔体过大的弯曲变形及振动将不仅影响机舱内传动系统的正常工作,降低风机的发电效率,而且塔体的频繁振动也会缩短塔体的寿命,甚至可能导致强度破坏或疲劳破坏、塔架的屈曲、倾覆等事故,带来不可估量的损失。目前,虽然在风机塔架的风致响应、地震响应、耗能减振控制、调频减振控制等方面取得一些研究成果,仍然存在许多具有挑战性的问题需要进一步解决:(1)进一步改进反映风机塔架实际构造的整体模型。目前,通常选取风机塔架结构的简化模型进行分析,为了能够更科学地模拟风机塔架结构的动力特性,应详细考虑叶片-机舱-塔架-基础-地基的实际构造,建立更加详细的模型。(2)进一步研发考虑风机塔架结构特点及振动特性的减振控制装置。目前,风机塔架结构的减振控制技术多来自于建筑结构振动控制领域,使用剪切型的耗能装置和质量调频减振装置比较多,考虑塔身弯曲变形特点的控制装置很少。(3)进一步研究考虑风机塔架结构的多维地震动作用的振动控制技术。目前,大多数学者认为地震动水平分量对风机塔架结构的响应起主要作用,高烈度区的竖向地震作用对高耸塔架结构的影响显著。事实上,风机塔架结构对多维地震输入是比较敏感的。鉴于风机大规模发展难以避开地震活跃区,应对包括竖向地震作用在内的风机塔架结构多维地震响应进行更详细的研究。(4)进一