3MW兩葉片海上風電機組整機模態(tài)分析

文 | 楊勇，陸道輝，黃冬明

3MW兩葉片海上風電機組整機模態(tài)分析

文 | 楊勇，陸道輝，黃冬明

風荷載和波浪荷載是風電機組結(jié)構所承受的主要荷載，這些載荷具有明顯的動力特性，高聳的風電機組結(jié)構體系在這些動力載荷作用下將產(chǎn)生顯著的動力特性，而這些動力效應總是趨向于增加應力數(shù)值并降低結(jié)構的長期承載能力。因此需要對風電機組結(jié)構進行動力分析，以掌握結(jié)構的動力特性和響應。

整機一階、二階振動頻率尤其重要，因為它直接決定了風電機組的整機動力學行為。如果葉輪激振頻率在風電機組自然頻率附近，整機就會發(fā)生共振。對三葉片風電機組而言，由于葉輪激振頻率的一倍頻（1P）和三倍頻（3P）之間存在非共振區(qū)間，三葉片風電機組設計的整機自然頻率可以錯開葉輪激振頻率的一倍頻和三倍頻，避免共振；而對兩葉片風電機組而言，葉輪的激振頻率的一倍頻和兩倍頻（2P）區(qū)間范圍是重疊的，且頻率從一倍頻到兩倍頻范圍較寬，使得設計的兩葉片風電機組整機自然頻率，很難避開葉輪激振頻率一倍頻和兩倍頻的區(qū)間范圍。所以為了避免共振引起的結(jié)構破壞及疲勞損傷，必須準確地計算出兩葉片風電機組的整機自然頻率，從而可以通過葉輪轉(zhuǎn)速控制策略，快速通過與整機自然頻率相對應的葉輪激振頻率。

本文以珠海桂山項目為背景，對3MW兩葉片海上風電機組整機（包括導管架基礎、塔架、機艙、輪轂及葉片）進行建模，并對整機模型進行模態(tài)分析，計算得到整機自然頻率，為制定快速通過葉輪共振轉(zhuǎn)速控制策略提供參考數(shù)據(jù)。

3MW兩葉片海上風電機組整機模型

整機建模時，對于導管架基礎及塔架，根據(jù)圖紙進行全尺寸的建模；而對于結(jié)構較復雜的機艙、輪轂及葉片，采用質(zhì)量點矩陣的形式模擬其整體質(zhì)量分布，簡化建模，但其對整機模態(tài)分析影響可以忽略。

一、導管架基礎及塔筒模型

導管架基礎及塔筒建模時，根據(jù)項目圖紙，真實還原了導管架基礎和塔筒結(jié)構尺寸以及材料屬性，導管架采用梁單元建模時考慮了管節(jié)點位置處支撐桿件的偏移間隙等，塔筒采用分段建模的方式。為了考慮塔筒內(nèi)部布置的柜體電纜等附件對整體質(zhì)量分布的影響，本文通過改變塔筒材料密度的方式來實現(xiàn)，即將塔筒密度由原來的7.85 t/m3改成8.2425t/m3。

導管架基礎由三部分組成：主體支撐結(jié)構、平臺梁結(jié)構及過渡段結(jié)構，如圖1所示。

塔筒分段建模模型如圖2所示。

二、風電機組部件模型

風電機組部件參數(shù)，如下表1所示。

風電機組部件根據(jù)表1提供的質(zhì)量參數(shù)，以質(zhì)量點的形式進行建模，具體模型如下圖3所示。

三、彈簧單元邊界條件

對于海上風電機組，導管架基礎是通過基礎樁沉入海床面以下的土壤，來支撐整個風電機組結(jié)構載荷的。而為了考慮樁土相互作用對整機模態(tài)分析的影響，本文將海上風電機組的基礎樁在泥面處的剛度矩陣作為導管架基礎的邊界條件，并且采用彈簧單元來模擬剛度矩陣。具體的建模方式，如圖4所示，而彈簧單元剛度矩陣的數(shù)值，如表2所示。

表1 風電機組部件重量重心及轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)

表2 彈簧單元剛度矩陣

整機模態(tài)分析

本文以有限元方法對珠海桂山項目3MW兩葉片海上風電機組及基礎結(jié)構整體系統(tǒng)，即葉片+輪轂+機艙+塔架+基礎+地基系統(tǒng)進行了模態(tài)計算分析，得到風電機組整體系統(tǒng)的前10階模態(tài)，如表3所示。

同時給出對葉輪轉(zhuǎn)速控制策略起重要作用的一階、二階振型，如圖5、圖6所示。

本文采用的3MW兩葉片海上風電機組葉輪的最小轉(zhuǎn)速為5.54rpm、最大轉(zhuǎn)速為17.8rpm，即切入轉(zhuǎn)速與切出轉(zhuǎn)速，也就是葉輪激振頻率一倍頻范圍為0.092Hz－0.297Hz。由于風電機組為兩葉片機型，故同時需要考慮葉輪激振頻率兩倍頻范圍：0.185Hz－0.593Hz。綜上可以看出0.092Hz－0.593Hz是風電機組葉輪的激振頻率范圍，所以計算所得的整機自然頻率的一階頻率0.415 Hz和二階頻率0.435 Hz都是潛在的共振頻率。基于本文的計算結(jié)果，可以確定葉輪轉(zhuǎn)速控制策略需要考慮的葉輪轉(zhuǎn)速范圍，以便快速通過，避免共振。

表3 模態(tài)計算結(jié)果

結(jié)論

兩葉片結(jié)構型式激振頻率一倍頻和兩倍頻重疊，使得整機固有頻率避開激振頻率難度較大，故必須準確計算出整機固有頻率，為控制策略編寫避開整機固有頻率，提供準確的依據(jù)。而對于海上風電機組，由于Bladed軟件無法完整的還原海上基礎結(jié)構，即Bladed軟件只能建立簡單的梁單元結(jié)構，對海上風電機組導管架基礎進行等效建模，如圖7所示，所以采用海工專業(yè)軟件計算海上風電機組的整機模態(tài)十分必要。

（作者單位：楊勇，陸道輝，黃冬明：廣東明陽風電產(chǎn)業(yè)集團有限公司；黃冬明：華南理工大學機械與汽車工程學院）