大型風電機組塔筒動力學特性與壽命損耗研究進展

樊昂，李錄平*，張世海，歐陽敏南，文賢馗，陳尚年

(1.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南省 長沙市410114；2.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州省 貴陽市550002)

0 引言

塔筒是大型水平軸風力發電機組的重要部件。風力發電機組工作環境復雜，塔筒所承受的載荷具有高度的隨機性與多變性，這對其結構性能產生很大影響。隨著塔筒高度的增加，其結構的剛度、強度和穩定性的要求也會隨之提高。由于薄壁錐形塔筒分段安裝的特性，其自身存在大量結構缺陷，特別是連接處，在交變載荷與極端載荷的作用下，更易遭受破壞。

塔筒的主要失效形式為剛度不足、強度不足、失穩和連接處失效。目前，針對塔筒的研究主要圍繞模態分析、動態響應特性分析、結構損傷分析與狀態監測等方面展開。

風力發電機組塔筒性能直接關系到風力機能否安全穩定地運行，一旦塔筒出現故障，輕則停機檢修，影響風電機組的效率，重則會出現倒塔等嚴重事故，造成巨大經濟損失。據統計，僅2020年就發生了數起風力機塔筒事故：2020年1月2日，黑龍江某風電場29號機組發生倒塔事故；2020年7月17日，河北某風電場11號風機由于第1節與第2節塔筒連接螺栓斷裂而發生一起倒塔事故等，因此有必要對塔筒結構動力學特性與壽命損耗進行研究。

1 塔筒結構特點與載荷特性

1.1 風力機塔筒結構特點

目前流行的塔筒結構形式有錐筒型鋼制塔筒、混凝土塔筒和鋼-混復合型塔筒。較為常見的鋼制塔筒為薄壁型變直徑高聳結構，由多段筒節經法蘭螺栓連接而成，與基礎相連的底部筒節設有門洞，塔筒內部設有爬梯、平臺等裝置。由于其安裝特性，鋼制塔筒具有大量結構缺陷，在復雜載荷作用下極易發生損壞。因此眾多學者開展了塔筒結構優化設計的研究，并提出多種優化設計方案[1-2]。

相比鋼制塔筒，混凝土塔筒、鋼-混復合型塔筒具有更好的抗壓能力，研究表明，超過100 m的塔筒采用混凝土塔筒性能更好[3-4]。但這2種塔筒安裝過程復雜，目前眾多學者已對其進行結構設計優化[5]。

1.2 風力機塔筒載荷特性

塔筒載荷模型如圖1所示。塔筒承受載荷主要有：葉輪與機艙重力、頂部質量引起的偏心彎矩、塔筒風壓載荷、水平軸向推力。

圖1 塔筒載荷模型圖Fig.1 Model diagram of tower load

葉輪與機艙重力[6]：

式中：mr,mz分別是葉輪與機艙質量，kg；g為重力加速度。

偏心彎矩[6]：

式中e為葉輪與機艙重力偏心距，m。

塔筒風壓載荷[7]：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；At為塔筒受風面積，m2；v為平均風速，m/s；Ce為阻力系數。

水平軸向推力[7]：

式中：Ab為掠葉面積，m2；Ct為推力系數。

式(3)、(4)中風速v具有時間上的隨機性與空間上的不均勻性，當塔筒高于100 m時影響更為顯著[8]。目前常用威布爾分布函數來描述風速隨時間的變化[9]；用垂直風廓線來表示風速隨塔筒高度的變化[10]，分別有學者將其考慮為沿塔筒高度均勻分布[11]、分段分布[12]和曲線分布[13]。Enjun等[14]根據IEC和JG2010標準，評估了風機塔筒風荷載的必要參數。

此外作用于塔筒的還有控制系統載荷、海浪載荷、冰載荷、地震載荷等。不同工況下塔筒承受載荷也會有變化[15]。

2 塔筒結構動力學特性分析

2.1 塔筒結構模態特性分析

風機運行頻率要避開塔筒固有頻率f0±10%區域。通過模態分析可以避免因固有頻率與激振力頻率相同而發生共振，為結構設計提供技術指導。

2.1.1 塔筒模型的建立

目前常用GH Bladed或ANSYS有限元軟件建立塔筒模型。常見的塔筒簡化模型有2種：一種是一端固定的自由振動懸臂梁模型；另一種是底端固定、頂端自由的變截面薄壁圓筒模型。

2020年Chen等[16]提出基于葉素理論和氣動載荷線性化的塔筒-轉子耦合建模方法。塔筒頂部設備剛度比塔筒剛度大很多，因此可以簡化為質量單元節點。2021年Bozdogan等[17]將塔筒建模為等效變截面連續彎曲梁，以塔頂集中質量點代替葉片質量。

在建模時基礎的質量和剛度也應充分考慮。陳法波[18]建立了風機基礎結構體系模型，對基礎結構進行模態分析。Adhikari等[19]將地基考慮為彈性支撐，建立彈性基礎模型；Bazeos等[20]在塔基底端和地基接觸面設置彈簧-阻尼系統來模擬塔筒基礎。Filho等[21]建立了八自由度連續梁模型，將葉片作為兩自由度系統連接在質量彈簧表示的機艙，并在底部加雙向旋轉剛度的彈簧來模擬土壤-結構耦合。

2.1.2 塔筒模態分析

塔筒的n個自由度振動微分方程[22]為

式中：M,C,K分別為塔筒的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；?,?,x分別為加速度向量、速度向量、位移向量；F為外載荷向量。若塔筒處于自由振動，忽略系統阻尼與外力，得到固有頻率方程式[22]：

式中ω為自振頻率。

2021年Bozdogan等[17]提出微分變換方法將自由振動微分方程轉換為代數方程，并借助微分變換方法獲得頻率和振型。

塔筒是對稱結構，每相鄰兩階固有頻率和模態振型基本對稱[23]。2011年馬人樂等[24]發現機頭載荷作用會使塔筒產生預應力和預變形，導致塔筒剛度變化，進而影響塔筒模態頻率與振型。2019年黃中華等[25]在獲得預應力的基礎上對風機進行模態分析。

土壤對塔筒的動態特性影響較大。2012年Harte等[26]建立了彈簧-阻尼模型來模擬土壤-基礎動態交互作用，發現塔筒自振頻率受土壤影響較為大。2020年Abdullahi等[27]提出將最大橫向土壤阻力和土壤深度使用多項式方程關聯，從而取代了彈簧模型。2021年Filho等[21]研究了運行條件、土壤-結構耦合與轉子速度3種條件對塔筒性能的影響。

2012年潘萍萍等[28]計算了考慮流固耦合作用下風力機塔筒的固有頻率。2014年譚季秋等[29]發現流固耦合場對塔筒模態振型的影響較小，對固有頻率影響較大。2021年Karin等[30]研究了風載荷、波浪載荷與動態彎矩對塔筒一階固有頻率的影響程度。

2.2 塔筒結構動態響應特性分析

風載荷與地震載荷的作用會對塔筒動態性能造成很大的影響，甚至會造成結構永久性破壞，因此進行塔筒結構動態響應特性分析是十分重要的。

2.2.1 塔筒風振響應特性

塔筒是風敏感型結構，非線性較為顯著，風振響應計算應采用時域分析。風繞塔筒流動可以近似視為圓柱繞流脫體，渦系脫落是引起塔筒振動的原因[22]，應分析橫風向脫渦頻率，避免共振。一旦脫渦頻率達到自振頻率，便會出現鎖定現象。

風振頻率狀態由雷諾數分為3種[31]：

考慮到塔筒尺寸與風場數據，研究風振特性主要在超臨界區和極超臨界區。脫渦頻率[22]可由式(7)計算得到：

式中：S為Strouhal數，圓柱體取0.2；?為脫渦頻率，Hz；d是塔筒直徑，m。

為綜合考慮風速和風向對塔筒的影響，研究者們[32-33]基于氣象觀測數據，確定風機位置附近的風速、風向聯合分布函數。

2019年蘇捷等[34]研究發現塔筒產生的脫渦會影響下風區的流場特性，且塔影效應受塔筒直徑影響。2020年Ghandour等[35]通過實驗進行塔影效應研究，使用風速計和流量可視化技術來探索塔對周圍流場的影響。2021年Guo等[36]研究了風電機組多結構耦合下的隨機風荷載響應特性，發現各柔性結構耦合作用使得塔頂響應多15%。

2021年Naung等[37]提出應用非線性頻域求解方法，進行考慮流固耦合的空氣動力學分析，相比常規時域分析可以大幅降低計算量。

2.2.2 塔筒地震動力學響應分析

塔筒屬于高聳柔性結構，在地震波的影響下反應劇烈，會產生巨大的剪力和彎矩。研究者們常采用地震反應譜來表示塔筒結構與地震特性之間的關系[38]。宋波等[39]通過研究3種不同地震動對結構動力響應的影響，繪制了地震動加速度反應譜。

研究者們發現地震與氣動載荷的耦合作用會使動力學響應更加劇烈，2011年Smith等[40]將風輪上的非定常氣動載荷簡化為時程變化推力，研究了塔筒在風力和地震耦合作用下的等效應力分布情況。2016年Asareh等[41]計算了葉片氣動力并施加在有限元模型中，分析了塔筒結構的地震響應與損壞。

2014年季亮等[42]基于5 MW風電機組的數據進行了有限元反應譜分析，研究了多種塔筒剪力和彎矩計算公式適用性。2021年Huang等[43]提出了地震載荷作用下水、海冰和塔筒動態相互作用的簡化計算模型，研究了海冰與海水對塔筒抗震性能的影響。

近年來有研究者[44-45]基于FAST預留數據接口自編譯程序開發地震載荷計算模塊，即NREL Seismic，使FAST具備了地震分析能力，逐漸成為一種常用的分析方法。2021年Ren等[46]通過設計比例模型與振動臺實驗，研究了塔筒脈沖型近場地震響應特性。

塔筒結構阻尼較小，對地震響應振動有很高的敏感性，2020年Li等[47]提出了一種雙向調諧質量阻尼器來降低塔筒地震響應振動，并用集中質量有限元模型與塔筒-葉片耦合有限元模型驗證其性能。

2.3 塔筒結構屈曲穩定性分析

塔筒的結構特性決定了整體或局部屈曲失穩是其主要破壞形式之一。塔筒穩定性校核的常用工程計算標準有德國DIN 18800和英國Eurocode3 1-6。線性屈曲特征值方程[48]：

式中：λ為屈曲特征值；S為應力剛度矩陣；ψ為屈曲特征向量。

塔筒適用于非線性屈曲分析，可以將線性屈曲分析結果作為初始缺陷條件[49]。2014年杜靜等[50]基于線性屈曲模態，考慮幾何、材料非線性等因素，得到屈曲臨界載荷。2017年潘方樹等[51]將線性屈曲模態作為初始缺陷，獲得實際屈曲臨界載荷。2021年Campione[52]給出了在彎曲與剪切作用下的塔筒強度解析表達式。

塔筒結構缺陷是影響屈曲穩定性的重要因素。研究表明門洞為高敏感缺陷結構，對塔筒屈曲強度影響非常大[31]。

塔筒屈曲主要是由機艙與葉輪質量引起的偏心載荷造成的。2010年趙世林等[53]研究了塔筒在葉輪和機艙重力、偏心距、自身重力等載荷作用下的屈曲特性。2012年劉貽雄[54]發現軸向載荷及風輪傳遞的橫向載荷對塔筒屈曲失穩起主要作用。2020年Ma等[55]研究了復雜載荷下塔筒屈曲性能，獲得塔筒表面的能量與位移關系。

3 塔筒結構疲勞損傷分析

在塔筒事故中，疲勞失效損壞占大多數，塔筒的疲勞強度直接影響其承載能力、安全性能與使用壽命，進行疲勞損傷分析對于保證塔筒安全具有十分重要的意義。

3.1 塔筒結構疲勞損傷計算方法

塔筒疲勞屬于高周疲勞，常用的疲勞壽命工程算法有Schmidt-Neuper法、Petersen法與VDI2230規范等。疲勞計算過程主要包括獲取疲勞載荷譜、獲取材料疲勞特性、選擇合理的分析方法，疲勞計算基本流程如圖2所示。

圖2 塔筒疲勞損傷計算方法流程Fig.2 Computational flow of tower fatigue damage

Miner線性疲勞累積損傷理論[31]：

式中：D為累計疲勞損傷，是不大于1的常數；n i為某應力幅下循環次數；Ni為某應力幅下損傷時疲勞壽命。

塔筒的疲勞失效問題集中在連接螺栓與焊縫等應力集中部位。螺栓的疲勞壽命受材料性質、幾何尺寸、預緊力與外部載荷等多種因素影響。2018年李毅鵬等[56]通過參數化建模，對不同預緊力、不同外載荷、不同法蘭厚度下螺栓內應力進行計算，全面分析了影響螺栓應力的因素及變化規律。

2014年杜靜等[50]通過3種不同的模型，分別建立了法蘭外載荷與螺栓內應力的非線性關系，進行螺栓疲勞壽命分析。2015年彭文春等[57]發現考慮脈動風流固耦合時，塔筒最大應力出現在第三段法蘭處，并提出應著重對此處螺栓進行疲勞壽命分析。2019年譚冬梅等[58]分析了風-冰聯合作用下的螺栓疲勞強度，在有限元模型上施加風載荷與動冰載荷，得到考慮冰載荷時的螺栓疲勞可靠度，具有一定的創新意義。2020年Ajaei等[59]提出一種基于空氣動力載荷數值模擬與有限元分析的螺栓疲勞計算方法。

焊縫截面上共作用有壓縮、彎曲正應力和扭轉、彎曲切應力。2020年Guo等[60]結合雨流計數法和Miner理論進行了縱向焊縫疲勞壽命預測。

2020年Fu等[61]提出將計算得到的疲勞損傷D代入概率密度演化方程，以得到塔筒疲勞損傷概率密度，并在考慮風速、風向分布下分析了法蘭和螺栓的疲勞損傷。2021年Chen等[62]對塔筒嵌入式環形基礎進行疲勞分析，并提出加固方法來顯著降低基礎與周圍混凝土的疲勞應力。2021年Luan等[63]著重分析啟動與停機引起的瞬態負載過程對塔筒疲勞損傷的影響，通過對照分析發現影響較大。

3.2 塔筒結構疲勞損傷監測方法

在塔筒狀態監測系統中，主要內容有數據獲取、數據處理、數據傳輸以及數據分析等。塔筒狀態監測流程如圖3所示。

圖3 塔筒狀態監測流程圖Fig.3 Flow chart of tower condition monitoring

結構疲勞損傷是從應力應變較高處開始，目前常通過對塔筒應力監測的方式來進行疲勞損傷監測。通過有限元等方法對塔筒進行受力分析，確定應力分布與最優應力監測點[64-65]。亦可結合塔頂傾斜角點堆積圖來得知塔筒偏移最頻繁的方向，即結構受力最頻繁、最易疲勞損傷的方向，在結構危險點合理布置應力傳感器。

海上風機塔筒有些疲勞監測關鍵位置位于海床之下，無法安裝應變傳感器。對此，2017年Iliopoulos等[66]提出多頻帶模態擴展方法，基于有限數量傳感器與有限元模型來重構塔筒整體響應，以此克服監測限制。

聲發射技術可以無損檢測在役塔筒的動態缺陷，及時發現早期損傷，因此受到廣泛關注。2016年Tang等[67]對風機葉片進行了聲發射疲勞損傷監測試驗，成功確定損傷位置，證明聲發射疲勞監測具有良好前景。傳感器的分布和聲發射信號衰減特性會影響到結果的準確性。2016年姜宜成[68]通過斷鉛試驗研究了塔筒上聲發射信號的傳播衰減特性，對監測時傳感器的布置有指導意義。

聲發射信號具有隨機性與瞬態性，應采用頻域分析。2017年Zhang等[69]提出了應用主成分分析、人工神經網絡、信息熵、信息融合技術的綜合處理方法來分析聲發射信號，并通過塔筒制造材料Q345鋼的四點彎曲疲勞試驗驗證，結果表明該方法具有較高識別精度。

聲發射技術常與其他傳統監測技術結合使用。2020年Ahmed等[70]提出使用碳納米管傳感器監測金屬疲勞，或可成為塔筒疲勞監測新方法。

3.3 塔筒結構疲勞損傷診斷方法

故障診斷內容主要包括信號獲取、特征提取、故障識別三大方面。目前塔筒故障診斷中：多傳感器數據融合技術[71]已成為信號獲取的熱點方向；常用的特征提取技術有小波分析、經驗模態分解法、希爾伯特-黃變換法[72]；常用神經網絡與灰色理論等進行故障識別。塔筒故障診斷技術路線如圖4所示。

圖4 塔筒故障診斷技術路線Fig.4 Technical route of tower fault diagnosis

振動加速度信號是塔筒疲勞損傷診斷中較為常用的一個特征參數。2020年Xie等[73]收集了葉片4種故障狀態的振動信號，提出一種新的故障特征提取方法。也可基于應力信號進行診斷：當塔筒出現疲勞損傷時，系統剛度矩陣變化顯著，會產生應力波動分量信號，通過結合典型故障頻域特征可以實現診斷。

2016年戴煜林[74]將故障樹方法應用于風電機組的故障診斷，并證明其直觀有效。2017年楊茜芝[75]提出深度挖掘數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition，SCADA)數據可用性，基于運行數據進行風電機組的狀態監測與故障診斷。

4 結論

根據行業設計規范和標準，對大型水平軸風力機塔筒動態特性和結構壽命損耗研究進行了全面綜述。圍繞塔筒結構動力學特性和疲勞損傷分析，綜述了近年來國內外學者所取得的研究進展，得出以下結論：

1）在對風電機組塔筒做模擬分析時，應充分考慮到塔筒結構所受載荷復雜多樣，不僅包含脈動風載荷，還有控制系統載荷、海浪載荷、冰載荷、地震載荷等；在建立塔筒結構模型時，塔筒頂部結構與塔筒底部基礎也應充分考慮，這些結構的質量與剛度對塔筒動力學特性影響較大；塔筒屬于高聳柔性敏感型結構，風載荷與地震波會對塔筒產生巨大的剪力和彎矩，甚至造成整體或局部屈曲失穩，對其結構動態響應特性影響較大；塔筒結構疲勞失效損壞占塔筒事故中的大多數，塔筒疲勞損傷狀態監測與故障診斷主要集中在連接螺栓與焊縫等應力集中部位。

2）目前考慮波浪載荷、地震載荷與海冰作用下的海上風電機組塔筒性能研究與地震響應特性研究已成為熱點；為了滿足塔筒剛度與承載能力等綜合性能，塔筒材料已不僅僅是鋼制，多種柔性塔筒與鋼-混凝土混合型塔架應用越來越廣泛，混合型塔筒的性能分析成為熱點方向；風電機組結構復雜，在運行時有多個系統相互影響、相互作用，有關塔筒的多部件耦合建模與故障診斷研究仍然是領域內的難點；塔筒狀態監測與故障診斷技術還不夠精準與全面，在一定程度上仍然依賴人工檢測，如何有效提高監測與診斷的精確度成為難點。

3）關于塔筒的建模正在逐漸優化，未來針對變壁厚、變直徑、連接法蘭、焊縫等精細化建模和考慮多部件耦合的整體化建模會受到越來越多的重視；載荷對塔筒結構性能與壽命有較大影響，目前針對風電機組的減負荷控制系統受到廣泛關注，以減輕機組部件負荷，延長疲勞壽命；風電機組中葉片與傳動系統的故障診斷專家系統已相對成熟，但塔筒故障診斷方面仍有待優化。