md控制风力发电塔系统振动台试验研究

md控制风力发电塔系统振动台试验研究

风力发电系统的研究随着人们对能源和环境的关注和可持续发展的理念的迫切需要，我们越来越多地关注治理能力，并正在迅速发展。愈来愈多的风力发电塔在地震活跃地区兴建,因而对风力发电塔在地震作用下的响应及如何控制减小这种响应进行研究具有非常重要意义。风力发电塔系统的现有研究工作主要集中在系统建模及动力响应分析方面。Lobitz提出了风力发电高塔系统的质量-阻尼-弹簧模型,将塔体和浆叶离散为多自由度质点体系,对风塔结构进行了风荷载动力时程分析;Bazeos等采用改进前人的质量-阻尼-弹簧模型将塔体分三段,每段采用相同尺寸建模,对风力发电高塔系统进行了地震动力时程分析;Murtagh等提出了基于剪力传递的浆叶和塔体耦合的有限元模型,明确了塔体和浆叶的耦合机制,对并对结构进行了风荷载动力时程分析。目前风力发电塔系统抗震性能的试验及减振控制研究还较少。质量调谐阻尼(TMD)是土木工程振动控制领域较为成熟的一种被动控制技术,它是通过一外加子结构对主结构进行动力调谐,以减小主结构的振动,而无须对主结构采用传统的加强措施。本文对风力发电塔系统的地震动力响应及TMD振动控制效果进行了试验及数值仿真分析研究。1振动源试验研究1.1灾国家重点实验室完成灾国家重点实验室完成灾国家重点实验室完成灾国家重点实验室完成灾国家重点实验室风力发电塔系统模型的振动台试验在同济大学土木防灾国家重点实验室完成。试验在TMD质量比和频率比确定的情况下进行,试验内容包括:风塔模型的自振特性测定和结构有无TMD设置时的地震响应测试。1.2试验模型和td装置的性能1.2.1片螺旋叶塔体结构风力发电塔原型实际高度为129.16m,模型结构高度的尺寸缩比定为1/13,即模型高度9.934m。从整体上看,结构由三片螺旋桨叶、机舱、塔体构成,三片螺旋桨叶均匀汇集于轮毂,并通过机舱与塔体刚接。塔体结构由下向上共分4节段,塔底外径300mm,厚度4mm,塔顶外径196mm,外径3mm。机舱长920mm,宽760mm,高460mm,重量551kg。桨叶长2400mm,截面采用中空矩形,尺寸为80mm×40mm×3mm。模型材料为Q345D。1.2.2tmd装置结构与外框连接试验所采用质量调谐阻尼器为双向TMD系统,TMD装置的质量块通过弹簧与外框连接,外框利用螺栓刚性连接在风塔顶部。通过增减弹簧数量可以改变TMD装置的刚度,同时配合质量块的质量改变可以得到需要的TMD结构与主结构的质量比和频率比。试验时,TMD质量块的质量为23.5kg。1.3试验设计和试验过程振动台台面加速度输入有:实际地震记录El-Centro波、Chichi波、风-海浪等效波DX1和DX2。试验中所有地震动输入均采用X向输入。风轮转速分别为0、15rpm和30rpm。首先进行无控试验,然后安装TMD,进行有控试验。为考察风塔在不同转速下的自振特定,试验中不同转速的工况均进行白噪声扫频。1.4试验结果的数据分析1.4.1模型识别白噪声激励下,得到无控和有控状态下风塔不同高度处的X向前两阶振型的自振频率如表1所示。1.4.2不同因素下响应的响应在振动台试验中,设置桨叶转速为0、15rpm和30rpm三级,用来研究桨叶旋转对风塔在不同地震波下响应的影响。以塔顶相对位移、绝对加速度作为对比对象,在不同加速度幅值的El-Centro波输入下,风塔模型塔顶相对位移及绝对加速度的对比结果如图1所示。由图1中可以看出,在实际地震动作用下,桨叶的旋转可以降低风塔的塔顶响应,但降低幅度很小且随着地震波加速度峰值的增高,这种影响越来越小。1.4.3tmd对风力发电高架系统响应的控制效果在桨叶静止状态,以相对位移、绝对加速度为对比对象,在El-Centro波和Chichi波和等效波DX1作用下,风塔型在控制前后X向塔顶相对位移和绝对加速度相对位移和绝对加速度的时程曲线对比结果如图2所示,可见TMD对风力发电高塔系统具有良好的减震控制效果。限于篇幅,本文不给出所有工况下塔顶响应的时程曲线,将所有工况下试验所测TMD对塔顶相对位移及绝对加速度的控制效果汇于表2和表3种中。由表中数据可知,TMD能有效减弱风力发电塔在风-海浪等效荷载作用及实际地震作用下风力发电高塔的动力响应,且在风-海浪等效作用下的控制效果优于在实际地震作用的控制效果;在实际地震作用下,TMD对于风力发电塔的控制效果也各不相同,且实际地震波加速度幅值越高,TMD对塔顶响应的控制效果越好;在实际地震作用下桨叶转速15rpm时的控制效果最好,优于静止和转速为30rpm的工况;在风-海浪等效荷载下,随转速的提高,控制效果逐渐减弱。2试验模型的有限分析2.1语言特性分析采用大型通用有限元分析软件ANSYS对风塔模型结构进行有限元建模。考虑到塔体与桨叶一个方向的尺寸和另两个方向的尺寸相差较大,采用Shell181单元模拟。在整体分析过程中,我们只关心机舱和轮毂的质量及转动惯量,而不关注其内部构件的细部特征,将机舱用Beam189单元模拟,轮毂用Mass21单元模拟,桨叶截面形状简化为中空矩形,采用Beam188单元模拟,桨叶、轮毂、机舱间用cerig命令刚性连接。风力发电塔系统一体化有限元模型如图3所示。2.2风塔模型模态分析为了确定风塔模型结构的动力特征及建模的有效性,为其后的时程分析做准备,首先利用ANSYS软件对风塔模型结构进行模态分析。有限元模拟第一阶振型为X向振动,第二阶振型为Y向振动,与试验频率识别结果一致。模态分析所得频率结果与试验数据识别结果对比如表4。由表4中数据可见,ANSYS数值分析结果与试验识别结果差别很小,证明用该有限元模型模拟原风塔模型的动力学行为是有效可行的。2.3el-centro波下的塔架位移利用ANSYS软件对风塔有限元模型进行时程分析,以风塔塔顶位移为对象,在El-Centro波下塔顶位移时程曲线见图4和图5。从图中可见:结构顶点位移时程曲线与振动台试验记录的位移时程曲线吻合良好。3tmd对塔塔响应的影响通过风力发电塔TMD控制振动台试验和有限元分析综合研究,可得出如下结论:(1)TMD能够有效减弱风力发电高塔系统在不同地震动输入下的振动响应,减弱效果与地震动输入的频率分布有