基于有限元理論的某750kW塔筒-基礎動力特性分析

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(1.水電十四局大理聚能投資有限公司，云南 大理 542000；2.昆明理工大學土木工程學院，云南 昆明 650500)

基于有限元理論的某750kW塔筒-基礎動力特性分析

翟宸1，姚激2，孫偉1，曹亮2

(1.水電十四局大理聚能投資有限公司，云南 大理 542000；2.昆明理工大學土木工程學院，云南 昆明 650500)

0 引言

塔筒與基礎是風力機機組中重要的承載構件[1]。塔架的作用是支撐機艙和風輪，而基礎則是將風力機組上的荷載傳遞到地基。在工作環境下，塔筒不但要承載結構自重這類靜荷載作用，還要承受風向、風速和風壓變化以及風輪旋轉引起的動荷載作用[2]。塔筒受力復雜，尤其是動荷載作用導致塔筒的變形和振動，對塔筒結構安全影響更大。隨著風力機組朝著大型化方向發展，在眾多誘發塔筒振動的原因中，風輪旋轉誘發塔筒共振成為塔筒設計中的重要問題[3]。采用有限元理論，建立750kW風力機組塔筒-基礎的有限元模型，在得到了模型的固有頻率和振型的基礎上，研究風輪旋轉是否誘發塔筒共振[4-8]。一方面將為塔筒的安全性評價提供了理論依據，另一方面將為有限元理論[9]應用到風輪旋轉誘發塔筒共振研究提供借鑒。

1 工程概況

云南省某風場，地處高原。工程場地地形坡度較大，局部相對平坦。風電場風力發電機組選用的是定槳距失速型三葉片、水平軸、上風向單機容量為750kW的風力發電機組。塔筒為變截面圓柱狀鋼結構，塔筒高為47.3m，塔底與塔頂直徑分別為3.2m和2.162m。輪轂處距地面高為50m，風輪直徑為52m。

2 有限元模型

2.1 有限元模型

建模依據某750kW塔筒與基礎施工圖紙。在考慮模型的計算精度的基礎上，對模型進行了相應的簡化。簡化處理為：

a.不考慮法蘭、兩法蘭之間的接觸、法蘭上的螺栓和塔筒內部的附屬結構等構件的影響。

b.塔頂輪轂與機艙采用形狀類似的鋼質塊體模擬，鋼質塊體的質量與重心作用位置和原結構的質量與重心作用位置一致。

c.葉片簡化為集中質量作用于輪轂上。

d.為了考慮地基對風力機組體系進行模態的影響，建模考慮地基長、寬與高的尺寸為100m×100m×100m，基礎采用無質量地基模型[4]。模型X方向沿輪轂軸線方向，Y軸方向垂直于輪轂軸線方向，Z軸方向為塔筒的高度方向。

采用solid45三維實體單元劃分基巖、混凝土基礎以及機艙與輪轂部分，采用shell181殼單元劃分塔筒部分。最終建立的風力機組有限元模型如圖1所示。模型的單元總數為30961，節點總數為29 689。

圖1 風機機組有限元模型(含地基)

2.2 材料參數與約束條件

塔筒材料取Q345C鋼，基礎為天然地基淺基礎，混凝土基礎標號為C30。根據地勘資料，基礎持力層為碎石土層與強風化長石英砂巖、泥質粉砂巖及粉沙質泥巖。計算采用的材料性能指標如表1所示。

模型約束條件為：基巖四周采用法向的剛性約束，底面邊界采用固定約束。

表1 模型材料的物理性能

材料彈性模量/GPa密度/(kg·m-3)泊松比Q345C20678500．3C30混凝土2824000．2基巖1027600．28

3 計算結果與分析

3.1 自振頻率

結構的自振特性是其本身所固有特性，求結構的無阻尼自振頻率與振型，即求解結構的廣義特征值方程([K]-ω2[M]){Φ}={0}的特征值問題，常用的有逆迭代法、Reyleigh-Ritz法、子空間迭代法、廣義Jacobi法、Ritz向量迭代法和Lanczos向量迭代法。考慮到模型的特點以及計算規模，研究采用分塊Lanczos法對建立風力機組模型進行了模態分析，得五模型的前五階振型，模型的前五階振型及對應的頻率值如圖2所示。從圖2可看出，模型的第一階振型為前后一階彎曲振動，頻率為0.605 1Hz；模型的第二階振型為左右一階彎曲振動，頻率為0.608 1Hz；模型的第三階振型為扭轉振動，頻率為3.995 6 Hz；模型的第四階振型為前后二階彎曲振動，頻率為4.315 8 Hz；模型的第五階振型為左右二階彎曲振動，頻率為4.768 3Hz。模型的第一振型第二振型的頻率值基本相同，第四振型第五振型的頻率值數值也接近，這主要是模型的質量中心與幾何中心完全重合的緣故。自振頻率研究得到了塔筒動力特性計算有意義的振動模態有3種，即側向彎曲振動模態、前后彎曲振動模態和扭轉振動模態。

圖2 風機機組模型的前五階振型

3.2 葉輪旋轉誘發風力機組塔筒共振的研究

通過有限元分析得到了風力機組的前五階振型及相應頻率值。對于水平軸風力機組，風力機風輪旋轉是誘發風力機組共振的主要原因之一。由結構振動理論可以知道，當風力機風輪旋轉頻率值θ與塔筒固有頻率值ω相同時，則風力機組產生共振現象。

對于因水平軸風力機風輪周期旋轉引起塔筒耦合振動，其激勵頻率主要為風輪旋轉頻率n和3倍轉頻。對于分析模型，風力機風輪正常運營轉速為21.4r/min，故風輪旋轉頻率為0.357 Hz，3倍轉頻為1.07 Hz，因此，共振的激勵頻率為0.357 Hz與1.07 Hz。根據相關規范，塔筒的固有頻率要避開這2個值的10%左右。風力機組塔筒固有振動頻率與振源頻率對比結果如表2所示。

表2 風力機組塔筒固有振動頻率與振源頻率共振校核表

階次與頻率可能振源頻率?j/Hz葉輪工作頻率(?n)3倍轉頻(3?n)1．070．357階次固有頻率?z/Hz│?j-?z│/?j×100%一0．605169．5043．45二0．608170．3443．17三3．99561019．22273．42四4．31581108．91303．35五4．76831235．66345．64

表2中數據均為百分數，數值越小，誘發振動的可能性越大。從表2可以看出，采用有限元模擬計算得到的塔筒固有頻率均滿足頻率避開共振的設計要求(有10%以上的裕度)。這表明塔筒結構的動力特性滿足要求，風輪旋轉不會誘發產生塔筒的共振現象。

4 結束語

針對某750kW風力機組塔筒，基于有限元理論，分析了塔筒的動力特性，通過對風力機組塔筒固有振動頻率與振源頻率共振的校核，得出了風輪旋轉不會誘發塔筒共振的結論，為塔筒的安全性評價提供了理論依據。

[1] 賀 德．風工程與工業空氣動力學[M]．北京：國防工業出版社，2006．

[2] 芮曉明，柳亦兵，馬志勇.風力發電機組設計[M].北京:機械工業出版社，2010.

[3] 中國機械工業聯合會. JB/T 10300-2001風力發電機組設計要求[S].北京：機械科學研究院，2001.

[4] 李仁年，童 躍，楊 瑞．風力發電機塔架固有頻率和振型的有限元分析[J].甘肅科學學報，2011，23(3)：72-75.

[5] 黃東勝，王朝勝，鄒富順，等．風力機塔筒模態分析及應用[J].裝備制造技術，2009(9)：19-21.

[6] 王永勝，趙 萍，顏志偉，等．兆瓦級風力機塔筒的固有特性研究[J]. 功率變流技術，2013(3)：70-73.

[7] 李德源，劉勝祥，張湘偉．海上風力機塔筒在風波聯合作用下的動力響應數值分析[J].機械工程學報，2009，45(12):46-52.

[8] 王振宇，張 彪，章子華，等．1.5 MW風力機塔架一基礎的動力特性研究[J].能源工程，2011(2)：29-36.

[9] 謝龍漢，劉新讓，劉文超．ANSYS結構及動力學分析[M].北京：電子工業出版社，2012.

Analysis on the Dynamic Characteristics of a 750kW Wind TurbineTower-foundation Based on Finite Element Theory

ZHAIChen1，YAOJi2，SUNWei1，CAOLiang2

(1.Dali Shaped Investment Co.，Ltd. of the Branch of Water and Electricity，Dali 542000，China;2.School of Civil Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

建立750kW風力機組塔筒-基礎的有限元模型，采用分塊Lanczos法對模型的模態進行了分析，在得到了模型的固有頻率和振型的基礎上，對風輪旋轉誘發塔筒的共振進行了分析。研究結果表明，風輪旋轉不會引起塔筒與風輪共振。

塔筒；基礎；風力機；動力特性；有限元

The finite element model of a 750kW wind turbine tower-foundation was established in this paper，the modal of model was analyzed by using Block Lanczos method，then based on the natural frequencies and mode shapes of the model，the tower resonance induced by wind wheel rotation was analyzed. The research results showed that，the wind wheel rotation cannot cause the tower resonance.

tower; foundation; wind turbine; dynamic characteristics; finite element

2014-04-29

云南省應用基礎研究面上項目(2012FB123)；云南省教育廳科學研究基金項目(2012Y514)

TK83

A

1001-2257(2014)09-0045-02

翟宸(1966-)，男，湖北浠水人，高級工程師，研究方向為新能源發電技術、大型風力發電機組的應用；姚激(1974-)，男，湖南岳陽人，副教授，博士研究生，研究方向為風力機氣動性能與結構安全。