蔡繼峰，王丹丹，符鵬程，黃宇同

（北京鑒衡認(rèn)證中心，北京 100013）

風(fēng)電機(jī)組仿真塔架阻尼比的選取研究

蔡繼峰，王丹丹，符鵬程，黃宇同

（北京鑒衡認(rèn)證中心，北京 100013）

本文利用目前主流風(fēng)電機(jī)組塔架的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于振幅衰減速率計(jì)算阻尼比，給出了幾個(gè)主流機(jī)型的實(shí)測(cè)阻尼比的值0.001—0.003，并依此認(rèn)為目前風(fēng)電機(jī)組仿真設(shè)計(jì)時(shí)選取的0.005的阻尼比偏大，可能存在安全隱患。

阻尼比；振幅衰減速率；仿真計(jì)算

0 引言

風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)多利用仿真計(jì)算軟件來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[1-2]，這就涉及到對(duì)仿真參數(shù)的選取，而塔架阻尼比的選取，直接影響到塔架振動(dòng)的穩(wěn)定性和載荷的大小。目前在仿真中塔架阻尼比，參考高層建筑的建筑規(guī)范，鋼材的阻尼比一般為0.01到0.02之間，由于選取阻尼比越小，計(jì)算得到的載荷會(huì)越大，而作為保守設(shè)計(jì)原則，通常會(huì)選取0.005[3]。而這個(gè)選取是否足夠保守，本文就通過對(duì)目前主流風(fēng)電機(jī)組塔架的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，給出了幾個(gè)機(jī)型的實(shí)測(cè)阻尼比的值。

1 計(jì)算方法

由振動(dòng)理論[4]可得，阻尼比和自由阻尼振動(dòng)時(shí)的振幅衰減有如下關(guān)系:

其中：ζ為阻尼比，Ai為第i個(gè)周期的振幅。

因此，塔架阻尼比可以通過塔架振動(dòng)幅度的衰減速率來進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)ζ遠(yuǎn)小于1時(shí)，（1）式可以簡(jiǎn)化為：

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文利用風(fēng)電機(jī)組的載荷測(cè)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用式（2）計(jì)算了4個(gè)機(jī)型的塔架阻尼比。

2.1 1號(hào)機(jī)型：風(fēng)輪直徑90m，輪轂中心高度85m

如圖1所示，選取30個(gè)周期，其塔架振幅由0.2421降為0.1984，可得該塔架的阻尼比為：

2.2 2號(hào)機(jī)型：風(fēng)輪直徑92m，輪轂中心高度87m

如圖2所示，選取75個(gè)周期，塔架振幅由0.46降為0.27，可得該塔架的阻尼比為：

圖1 1號(hào)機(jī)型塔架振幅信號(hào)時(shí)序圖

圖2 2號(hào)機(jī)型塔架振幅信號(hào)時(shí)序圖

圖3 3號(hào)機(jī)型塔架振幅信號(hào)時(shí)序圖

圖4 4號(hào)機(jī)型塔架振幅信號(hào)時(shí)序圖

2.3 3號(hào)機(jī)型：風(fēng)輪直徑96m， 輪轂中心高度88m

如圖3所示，選取24個(gè)周期，塔架振幅從0.066降為0.048，可得該塔架的阻尼比為：

2.4 4號(hào)機(jī)型：風(fēng)輪直徑113m，輪轂中心高度90m

如圖4所示，選取25個(gè)周期，塔架振幅從0.056降為0.042，可得該塔架的阻尼比為：

3 總結(jié)

從上述的實(shí)測(cè)結(jié)果來看，實(shí)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組的塔架阻尼比在0.001－0.003之間，明顯小于高層建筑中鋼材的阻尼比，也要小于通常選取的0.005。這可能與風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，通常的高層建筑都有縱橫交錯(cuò)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的蜂窩狀結(jié)構(gòu)會(huì)在很大程度上吸收建筑振動(dòng)時(shí)的能量，從而使振動(dòng)迅速衰減，而風(fēng)電機(jī)組的塔架卻只是一個(gè)單獨(dú)的桶狀結(jié)構(gòu)。因此，使得這兩種結(jié)構(gòu)的阻尼比相差了一個(gè)量級(jí)[5]。

按經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，阻尼比越大，越會(huì)阻礙振動(dòng)，會(huì)使載荷的結(jié)果變小。因此，從這一點(diǎn)上出發(fā)，目前仿真時(shí)選取0.005的塔架阻尼比會(huì)使機(jī)組的設(shè)計(jì)可靠性降低，從而對(duì)機(jī)組的安全性帶來影響，建議在以后的風(fēng)電機(jī)組的仿真計(jì)算時(shí)降低選取的阻尼比的值，以保證機(jī)組的安全性。

[1] 王丹丹 ,等 . 利用 LMS SWT 軟件進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算 [J]. 風(fēng)能 , 2012(12):88-93.

[2] 顧岳飛. 基于有限元分析的風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 風(fēng)能, 2012(7):78-83.

[3] Bossanyi E A.GH Bladed: Theory Manual[M].2006.

[4] 倪振華 . 振動(dòng)力學(xué) [M]. 西安 :西安交通大學(xué)出版社 , 1986.

[5] 顧岳飛. 基于有限元分析的風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].風(fēng)能, 2012(7):78-80.

Analysis of Selection for Tower Damping Ratio in Simulations of Wind Turbine

Cai Jifeng, Wang Dandan, Fu Pengcheng, Huang Yutong
(China General Certi fi cation Center, Beijing 100013, China)

This paper used fi eld data of wind turbine towers to give the values of the damping ratio of some widely used wind turbines. Te measured damping ratio is between 0.001 and 0.003 which is computed according to the decay rate of vibration amplitude, and therefore the damping ratio of 0.005, which is commonly selected for today's simulation design of wind turbine, is too high, and this selection will lead to potential safety hazard.

damping ratio; amplitude decay rate; simulating computation

TM614

A

1674-9219(2013)11-0118-02

2013-10-02。

蔡繼峰（1983-），男，碩士， 主要從事載荷評(píng)估和載荷測(cè)試數(shù)據(jù)分析工作。