柔塔二階渦激振動阻尼值分析

李鵬 符鵬程 楊洪源 張宇

隨著國家對綠色能源發展的支持，除了風速較好的“三北”地區，中東南部低風速區域的風電機組裝機也越來越多。“三北”地區多采用高度相對較低的剛塔架，一般在100m以下，而低風速區域為了更好地捕獲風能會采用更高的塔架，比如柔塔，一般高度在120m以上。隨著塔架高度的增加，柔塔的固有頻率相對剛塔的要低，由于塔架頻率和渦激振動的臨界風速呈線性關系，柔塔比剛塔發生渦激振動需要的風速更低，即更易發生渦激振動。

本文以處在III類風能資源區的某風電場發生二階渦激振動破壞、安裝不到一年且處于非運行狀態下的140m柔塔（以下簡稱“事故柔塔”）為研究對象，推斷其發生渦激振動破壞的原因。由于缺少事故柔塔的詳細信息，本文將以頻率接近的另一臺140m柔塔為例對柔塔的二階渦激振動情況進行分析。

渦激振動介紹

在流體場中任何非流線型物體會在其兩側交替地產生脫離表面的旋渦，旋渦會對結構產生交替的橫向作用力。當塔架處在穩定風旋渦中且風旋渦的激振頻率與塔架固有頻率接近時，會在垂直于來風方向引起塔架的橫向振動，這種規律性的橫向振動反過來又會改變塔架尾流的渦流脫落形態，抑制表面旋渦的脫離。這種風和塔架之間的相互作用稱為塔架的渦激振動（Vortex-Induced Vibration，簡稱VIV），圖1為渦激振動示意圖。

在圓柱體繞流問題中，圓柱體后的脫渦和尾流情況與雷諾數相關。雷諾數Re是用來表征流體所受慣性力與粘性力的比值。雷諾數由式（1）得出：

式中，v為空氣的運動粘度系數，一般取1.5×10^-7m²/s。

渦激振動可能以多種形式發生。如圖2所示，在第一階模態振型中，振動形式為結構頂部左右擺動;而在二階模態振型中，在結構頂部附近會有一個近乎不動的節點，結構的最大偏移點位于底部和該節點之間。渦激振動分析方法

一、計算流程分析

目前通常采用風電行業公認的歐洲標準ENl991-1-4進行塔架渦激振動的計算，其計算流程如圖3所示。

如圖3所示，渦激振動分析中最重要的是計算塔架的慣性力，標準中直接給出了慣性力的表達式：

綜合分析以上公式可以看出，在與塔架渦激振動的慣性力有關的參數中結構尺寸、質量、頻率和空氣密度等都可以很方便地測量出來，振型可以通過有限元分析軟件計算出來，相關的風速也可以通過設計參數獲得。其中塔架振動過程中的阻尼主要包含結構阻尼和氣動阻尼，渦激振動時氣動阻尼較小，因此根據IEc61400-6cD標準要求，在計算渦激振動引起的損傷時，不考慮氣動阻尼部分。而結構阻尼作為在振動過程中阻礙結構振動的參數，由于其與結構形式、材料、幾何尺寸、內部構造及荷載等因素有關，該值具有離散性，因此選取工程上可用且較為合理的阻尼值，一直是國內外科學研究的難題。目前工程上的結構阻尼值多為根據測試數據總結的經驗值，而對于高度為120m及以上柔塔二階阻尼的研究文獻，筆者暫未找到。二階渦激振動案例

一、柔塔參數

本節以與事故柔塔相類似的某140m柔塔（其二階固有頻率為1Hz）為例，對標準中推薦的和實際測試數據分析得到的二階結構阻尼值兩種工況下的二階渦激振動進行分析。該柔塔部分二階渦激振動計算的參數見表2。

二、實測阻尼值

根據該140m柔塔（其二階固有頻率為1Hz）的測試數據，挑選其中具有二階振動成分（即頻譜分析為1Hz附近）的塔架停機過程數據進行頻譜分析，通過相應的matlab軟件分析處理二階振動的塔底載荷和時間曲線的擬合阻尼值，得到二階阻尼對數衰減率值為0.058。

三、二階渦激振動計算結果

IEC61400-6CD標準中推薦的塔架二階阻尼值為70m剛塔的測量結果，其是否適用于柔塔有待檢驗。該標準中推薦的塔架二階渦激振動的阻尼對數衰減率值δs=0.157，因此根據上文介紹的標準ENl991-1-4中的渦激振動分析方法，采用該阻尼值對該140m柔塔架的二階渦激振動進行分析的計算結果見表3。

通過表3可以看出，該140m柔塔要發生二階渦激振動破壞至少需累積該振動9500小時，遠大于1年中發生振動的風速區間的累計時間198小時，顯然與安裝不到1年的實際情況不符。

同時，上節中柔塔的測試結果顯示其二階阻尼對數衰減率值為0.058，按照該參數對該140m柔塔進行分析，其結果見表4。

通過表4可以看出，該阻尼值下累積二階渦激振動破壞所需時間和Ⅲ類風能資源區振動風速區間每年累積的時間接近且偏大。由于阻尼值越大，相應累積二階渦激振動破壞所需時間越長，因此初步推測事故柔塔的二階阻尼對數衰減率應比0.058略小。

柔塔在設計階段應充分考慮二階渦激振動及合適的二階結構阻尼參數，同時該參數應經過相應的測試驗證。如果想減小塔架二階渦激振動的破壞風險，建議對機組采取適當增加阻尼的措施。

總結

本文通過對某III類風能資源區風電場安裝不到一年且處于非運行狀態下的140m柔塔發生二階渦激振動破壞的情況進行簡單分析發現，IEC61400-6CD標準推薦的塔架二階阻尼對數衰減率值偏大，且分析出的破壞時間和實際情況偏差較大。同時對比某類似柔塔的二階阻尼測試結果發現，其理論破壞時間和實際時間較接近，因此推斷柔塔的二階阻尼對數衰減率值比標準推薦值要小。同時本文建議塔架設計方在設計柔塔時充分考慮二階渦激振動的影響，尤其是二階阻尼對數衰減率值應經過測試驗證，同時為了減小二階渦激振動對柔塔安全的影響，建議在停機和空轉狀態下采取適當增加阻尼的措施。

由于IEC61400-6CD標準推薦的塔架二階阻尼對數衰減率值偏大，為了使標準能更好地指導風電機組的塔架設計，應向PT61400-6塔架標準編制組反映該問題，以期其對該推薦值進行重新審定。