三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的共振分析

李益 凡威

摘? 要：該文對三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了共振分析。通過有限元軟件ANSYS，建立了海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了前十階的自振頻率和固有振型。然后分析了引起結(jié)構(gòu)振動的主要振源，計(jì)算了這些振源的振動頻率，將其與海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行了共振分析。結(jié)果表明各種主要振源不會引起海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的共振。

關(guān)鍵詞：三樁基礎(chǔ);海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu);模態(tài)分析;共振分析

中圖分類號：TK83? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

對比陸上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)，海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)有直徑更大的葉片、高度更高的塔筒，相應(yīng)風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)也有更大的柔性。海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對地基承載力要求高。海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)除了風(fēng)荷載的作用外，還常受到復(fù)雜的外載激勵，如海冰荷載、海流荷載和波浪荷載等海洋環(huán)境荷載的影響，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的外載激勵增多，所以對三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。

1 模態(tài)分析

該文研究的海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式為三樁門架式，屬于三腳架式基礎(chǔ)。采用大型通用有限元軟件ANSYS，建立了三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)——“基礎(chǔ)—塔筒—機(jī)艙—輪轂—葉片”的有限元模型，考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用的影響，然后根據(jù)m法對其進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的前十階自振頻率和固有振型，結(jié)果如下。

第一階自振頻率：0.277 Hz，固有振型：塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片沿y方向擺動。第二階自振頻率：0.284 Hz，固有振型：塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片振動沿x方向振動。第三階自振頻率：0.395 Hz，固有振型：三葉片各自沿y方向振動，左邊的葉片振動最大。第四階自振頻率：0.443 Hz，固有振型：塔三葉片各自沿y方向振動，右下的葉片振動最大。第五階自振頻率：0.536 Hz，固有振型：塔筒沿y方向振動較小，三葉片同步地沿著y方向振動。第六階自振頻率：0.737 Hz，固有振型：塔筒沿x方向振動較小，三葉片繞著輪轂旋轉(zhuǎn)振動。第七階自振頻率：1.004 Hz，固有振型：三葉片各自繞輪轂旋轉(zhuǎn)振動，左邊葉片振動最大。第八階自振頻率：1.042 Hz，固有振型：塔筒振動很小，左邊的葉片振動較小，右邊兩葉片繞輪轂對稱振動。第九階自振頻率：1.540 Hz，固有振型：基礎(chǔ)沿y方向振動，塔筒沿高度方向彎曲，葉片沿長度方向彎曲。第十階自振頻率：1.594 Hz，固有振型：基礎(chǔ)振動很小，機(jī)艙和輪轂繞塔筒扭轉(zhuǎn)，葉片呈波浪形扭動。

2 機(jī)械共振理論

所謂的機(jī)械共振理論，即為當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的激勵頻率與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無阻尼自由振動的固有頻率相同時(shí)，結(jié)構(gòu)體系的位移將無限放大的理論。在工業(yè)運(yùn)用中，要盡量避免機(jī)械共振現(xiàn)象的發(fā)生。

3 振源識別與分析

三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)一般會受到復(fù)雜的外載激勵，其中有自身葉片旋轉(zhuǎn)頻率引起的振動、風(fēng)荷載引起的渦泄頻率、波浪荷載作用引起的沖擊振動以及海冰荷載作用引起的碰撞振動等。海上風(fēng)機(jī)一般采用柔性基礎(chǔ)，因此對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系的振動基頻有嚴(yán)格限制，一般要滿足一定的作用范圍——風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速（1P）和3倍轉(zhuǎn)速（3P）之間，同時(shí)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的低階振型對應(yīng)的自振頻率還需與波浪、海流和海冰等海洋環(huán)境荷載的主頻保持足夠的錯開度。

3.1 葉片的旋轉(zhuǎn)頻率

現(xiàn)在國內(nèi)大型海上風(fēng)機(jī)通常采用三葉片式葉輪，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)速在葉片作用的不同，葉輪每轉(zhuǎn)一周，每個(gè)葉片所受的風(fēng)荷載大小就不同，就相當(dāng)于3個(gè)不同荷載作用在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上，所以風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)于受到了3次荷載激勵，葉片在轉(zhuǎn)動時(shí)所受的荷載激勵是引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振的主要振源。所以風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的低階固有自振頻率必須在一定范圍內(nèi)避開風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速（1P）和3倍轉(zhuǎn)速（3P）。該文研究的海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)葉片的額定轉(zhuǎn)速為22.8 r/m，則葉片的旋轉(zhuǎn)頻率1P=0.38 Hz， 3P=1.14 Hz。

3.2 波浪頻率

該文采用的設(shè)計(jì)波浪分為50年一遇和5年一遇。波浪的傳入方向分為8個(gè)：N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE。50年一遇波浪的周期范圍為6.34 s～9.17 s，平均周期為7.86 s，50年一遇波浪的頻率范圍為0.109 Hz～0.158 Hz，平均頻率為0.129 Hz。5年一遇波浪的周期范圍為5.79 s～8.28 s，平均周期為7.13 s，5年一遇波浪的頻率范圍為0.121 Hz～0.173 Hz，平均頻率為0.143 Hz。該文取波浪荷載的平均頻率。

3.3 渦泄頻率

當(dāng)風(fēng)荷載作用在塔筒上時(shí)，風(fēng)荷載會在塔筒上發(fā)生圓柱繞流現(xiàn)象——圓柱繞流是流體與結(jié)構(gòu)相互作用中的常見問題之一。圓柱繞流現(xiàn)象會產(chǎn)生一個(gè)渦泄頻率，當(dāng)產(chǎn)生的渦泄頻率與風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時(shí)，會引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的振動。渦泄頻率可由Strouhal公式計(jì)算，渦泄頻率與塔筒的直徑成反比與風(fēng)速成正比。同時(shí)該公式包含一個(gè)Strouhal常數(shù)，Strouhal常數(shù)一般取0.2。由Strouhal公式計(jì)算得到的風(fēng)荷載頻率為0.608 Hz。

3.4 冰荷載頻率

對于冰荷載的周期和頻率，前人已經(jīng)做了大量的研究，得到一些通用的計(jì)算公式，該文采用許寧的實(shí)際觀測資料。選取了14個(gè)觀測樣本，所有觀測樣本的周期范圍為1.52 s～2.69 s，平均周期為1.99 s，所有觀測樣本的頻率范圍為0.372 Hz～0.685 Hz，平均頻率為0.525 Hz。該文取冰荷載的平均頻率。

4 機(jī)械共振分析

為避免風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的機(jī)械共振，要求振源的頻率和風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的自振頻率有一定的錯開度。頻率的錯開度計(jì)算公式為錯開度=| fi- f0 | /fi×100%，fi為結(jié)構(gòu)的自振頻率，Hz;f0為振源的激勵頻率，Hz。經(jīng)過計(jì)算各種振源頻率與三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的前十階自振頻率的錯開度，該文只考慮了20%以內(nèi)的頻率錯開度值，結(jié)果表明。1）50年一遇波浪荷載的平均頻率與海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的前十階自振頻率的錯開度最小為114%，遠(yuǎn)大于20%。5年一遇波浪荷載的平均頻率與海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的前十階自振頻率的錯開度最小為94%，遠(yuǎn)大于20%，所以波浪荷載引發(fā)結(jié)構(gòu)共振的情況可以忽略。2） 海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的前4階自振頻率與渦泄頻率的錯開度都大于20%，只有第五階和第六階自振頻率與渦泄頻率的錯開度小于20%，而風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振的最主要振源，所以渦泄頻率不會引起海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的機(jī)械共振。3）海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的前三階自振頻率與冰荷載平均頻率的錯開度都大于20%，只有第四階和第五階自振頻率與渦泄頻率的錯開度小于20%，而風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振的最主要振源，所以冰荷載不會引起海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的機(jī)械共振。4） 只有海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的第三階和第四階自振頻率與葉片的轉(zhuǎn)頻1P比較接近，錯開度小于20%。只有結(jié)構(gòu)的第七階和第八階自振頻率與葉片的轉(zhuǎn)頻3P比較接近，錯開度小于20%，而風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振的最主要振源，所以葉片的旋轉(zhuǎn)頻率不會引起海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的機(jī)械共振。

5 結(jié)論

由以上分析可知，海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率與風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速（1P）和3倍轉(zhuǎn)速（3P）、波浪荷載、冰荷載和渦泄頻率的錯開度都遠(yuǎn)大于20%，所以在海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中，各個(gè)振源不會導(dǎo)致海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的顯著機(jī)械共振。

參考文獻(xiàn)

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