风力发电塔架振动特性联合仿真应用研究

程友良,薛占璞

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

风力发电塔架振动特性联合仿真应用研究

程友良,薛占璞

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

风力机塔架是整个风力发电机组的支撑部件，其承载能力决定风力发电机组的安全性与正常运行。针对风力发电塔架振动引起的风力发电机组失稳问题，运用联合仿真技术，在Solidworks中建立塔架三维结构动力学模型。利用有限元分析软件ANSYS对塔架的振动特性及风致响应进行分析，提取模态分析的前五阶非零模态振型，对各阶的位移与振型图进行分析。针对塔架在极端环境下动力响应变化情况，进行脉动风速下塔架应力变化分析。风致响应是衡量塔架正常运行的重要指标，应力变化幅度决定塔架强度是否满足强度要求，以防止塔架结构断裂。分析结果表明，塔架前三阶振型为横向弯曲，无明显位移偏移量；第四阶振型出现横向弯曲和扭转变形，振动位移和应力变化幅度较大；第五阶振型出现扭转。该结果为塔架的振动特性提供了依据，从而避免了风力发电机组失稳现象的发生。

风力发电塔架； 振动特性； 位移； 有限元分析； 联合仿真； 结构动力学

0 引言

随着煤、石油等传统能源日益减少及环境污染引发社会、生活等各类问题，风力发电作为一种清洁、无污染的可再生能源技术，越来越受到世界各国的重视，已成为全球应对能源危机的重要举措。风力机单机容量从6 MW逐渐趋于10 MW，甚至15 MW超大容量。随着单机容量的逐渐增大，塔架高度也随之增加。塔架在风力发电系统中除了承受风力机及机舱重力之外，还承受风切变、振动等载荷作用，并且载荷的随机性与交变性更为显著[1-2]，塔架振动特性是保证风力发电系统稳定运行的关键。

近年来，许多学者对风力机塔架进行振动特性分析，对锥筒式和分段式塔架的模态振型图进行比较，并根据各个模态分析结果，选择一种最佳方案[2-3]。但是以往的塔架振动特性分析多采用单一仿真技术，而较少采用联合仿真分析技术。为准确分析风力机塔架振动特性，本文利用联合仿真技术，基于振动特性基本理论，通过有限元分析软件Solidworks及ANSYS对风力机塔架的振动特性及脉动风速下的响应情况进行分析，得到塔架在不同频率下的振型图及应力变化分布，从而为塔架的应用及参数在线监测提供参考。

1 振动特性基本理论

(1)

式中:M为塔架结构的整体质量矩阵；K为塔架结构的整体刚度矩阵。

非零矢量φi的比例解为：

φi=[φ1iφ2iφ3iφ4i]T

(2)

将n个特征矢量φi按列排成n×n阶阵，可得系统的特征矢量矩阵：

φ=[φ1φ2…φn]

(3)

此时特征矢量为模态矢量或模态矩阵，即为模态振型。

2 风力机塔架结构动力学模型

利用Solidworks建立1.5 MW风力机塔架三维结构动力学模型，底部直径为4.2 m，顶部直径为2.5 m，高度为70 m，叶片和机舱的质量为78 300 kg，塔架材料为合金钢，弹性模量E=2.0×1 011 Pa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.85×103kg/m3，塔架可分为两段，法兰直径为4 m。为了保证风力机塔架振动特性分析与实际结构相一致，增加风力机及机舱，构成风力发电系统。塔架三维结构动力学模型如图1所示。

图1 塔架三维结构动力学模型

根据塔架的实际情况作出如下简化。

①省略塔架连接处螺栓及法兰连接的配合情况，近似刚性连接;

②不考虑螺栓装配的预应力;

Dynamic Simulation of Impact of Shipping Services on Port

③简化对于风力机及机舱不重要的装配孔;

④地面与塔架的连接刚度无限大，塔架与地面连接进行六自由度全约束。

根据结构简化要求，在Solidworks中进行模型的修改，格式保存成“.x-t”，并通过接口技术导入到ANSYS中。设置单元类型为六面体三维实体单元solid45，每个节点有三个移动自由度[6-8]。根据简化的风力塔架三维结构动力学模型，其计算域如图2所示。

图2 风力机塔架计算域

计算域大小为长40 m、宽30 m、高120 m，塔架模型位于计算域的中心位置。在网格划分方面，塔架壁面的网格质量起着至关重要的作用，塔架网格数量约为3.84×105。

3 塔架振动特性分析

3.1 模态分析

在塔架结构模态分析中，前五阶非零模态振型是所有振型的基础，与其对应的模态频率是振动特性分析的重点[9-11]。振型图表明：前三阶振型中无明显扭转变形，第四阶模态振型显示径向挤压及扭转变形。第一阶、第二阶振型为摆振，第三阶振型为挥舞。根据振动特性基本理论，在振动过程中塔架的能量主要在第一阶、第二阶频率处，塔架的主要振动是摆振，而非扭振。

塔架前五阶固有频率、振型和总振幅如表1所示。由表1可知，前三阶模态振型主要是横向弯曲，变形量不大；第四阶模态振型出现了纵向弯曲及扭转，总振幅为0.115 m，变形最大的节点位于塔架的顶部处，属于扭曲变形，应避免以该频率(f=3.488 Hz)工作，否则会产生由于振动位移过大发生塔架结构断裂。随着频率的增加，塔架振型由横向弯曲逐渐转变为扭转振动。实际运行时应根据频率及对应的振型进行监测，避免由于振动现象导致的破坏。

表1 塔架前五阶固有频率、振型和总振幅

3.2 脉动风载荷作用下动力响应分析

为了分析风力机塔架在极端环境下的动力响应情况，对其应力变化进行分析，以保证塔架足够的强度适应风力发电系统运行。施加脉动风载荷，数值计算采用Simple算法，设置残差小于10-6，对塔架周围风载荷满足的连续性方程、动量方程、能量方程等参数趋于渐近值时达到收敛。

塔架应力变化曲线如图3所示。

图3 塔架应力变化曲线

由图3可知：最大应力为45 kPa，对应的频率为2.39 Hz；最小应力为30 kPa，对应的频率为3.81 Hz。塔架在30 s内应力变化幅度不大，属于允许范围内，不易发生应力集中以及振动破坏。从对应的频率与振动位移量可知，模态频率有10%裕度，不易发生共振。

4 结束语

结合风力机塔架结构参数，利用联合仿真技术，在Solidworks建立风力机塔架模型，并通过ANSYS对其进行模态分析及极端载荷下的应力变化分析。

由模态分析可知塔架的固有频率、振型及总振幅，振动特性频率主要集中在0.357～3.726 Hz,最大变形量为0.115 m，应力变化平缓，不易发生应力集中。

振动特性结果为塔架的设计及运行状态的监测提供了理论依据，塔架的动力学分析是未来研究的重点。

[1] 张丰豪,何榕.结构阻尼对风力机塔架振动特性的影响[J].太阳能学报,2015,36(10):2467-2473.

[2] 张伟.基于ANSYS的糊底机机架模态分析[J].自动化仪表,2016,37(12):23-28.

[3] 赵荣珍,吕钢.水平轴风力发电机塔架的振动模态分析[J].兰州理工大学学报,2009,35(2):33-36.

[4] 黄珊秋,陆萍.ZONDZ-40风力机塔架的模态分析[J].太阳能学报,2001,22(2):153-156.

[5] 张羽,蔡新,高强,等.风力机塔架结构研究概述[J].工程设计学报,2016,23(2):108-115.

[6] 周长城,胡文喜,熊文波.ANSYS基础与典型范例[M].北京：电子工业出版社,2007.

[7] 柯世堂,王同光,曹九发,等.考虑叶片旋转和离心力效应风力机塔架风振分析[J].太阳能学报,2015,36(1):33-40.

[8] 应有,朱重喜,杨帆,等.大型风电机组塔架主动阻尼控制技术研究[J].太阳能学报,2015,36(1):54-60.

[9] 戴建鑫.风力机塔架的有限元建模及静动态特性分析[D].兰州:兰州理工大学,2011.

[10]王振宇,张彪,赵艳,等.台风作用下风力机塔架振动响应研究[J].太阳能学报,2013,34(8):1434-1442.

[11]闫梁.风力发电机塔架结构风压数值模拟研究[D].包头:内蒙古科技大学,2014.

Study on Application of Joint Simulation of Wind Power Generation Tower Vibration Performance

CHENG Youliang,XUE Zhanpu

(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Wind turbine tower is the supporting component of the whole wind power generation unit; its bearing capacity determines the safety and normal operation of wind power unit.To solve the instability problem of wind power unit which is caused by the vibration of wind power generation tower,by using joint simulation technology,the three-dimensional structural dynamics model of tower is established in Solidworks.The vibration characteristics of the tower and the wind-induced response are analyzed by adopting the finite element analysis software ANSYS,the first five orders non-zero modal vibration types of modal analysis are extracted,and the displacement and vibration pattern of each order are analyzed.In accordance with the dynamic response variations of tower under extreme environment,the stress changes of tower under pulsed wind speed are analyzed.To avoid the fracture of tower,the wind-induced response is the important index to determine whether the strength of tower meets the requirement or not.The analysis results show that the first three orders vibration types of tower are lateral bending and no obvious shift; the fourth vibration type is bending and torsion deformation,its vibration displacement and the stress changes are large; torsion may occur in the fifth order vibration type.The results provide the basis for the vibration characteristics of the tower,so as to avoid the occurrence of instability phenomenon of wind power generation unit.

Wind power generation tower; Vibration characteristics; Displacement; Finite element analysis; Joint simulation; Structural dynamics

中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(2016XS107)

程友良(1963—)，男，博士，教授，主要从事流体动力学理论及其应用、流体设备与节能、可再生能源理论及其应用、清洁能源利用技术与设备等方向的研究。E-mail:shenghuo166@163.com。

TH-39;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706006

修改稿收到日期：2017-03-10