應(yīng)用固定質(zhì)量阻尼器的風(fēng)機(jī)塔架風(fēng)致振動(dòng)控制研究

蘇毅 任仕凱 施鎬

南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 210037

引言

塔架是風(fēng)電機(jī)組中的主要支撐結(jié)構(gòu)，它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙與地面連接，為葉輪提供必要的高度，同時(shí)還要承受風(fēng)載、地震荷載以及上部機(jī)艙數(shù)十噸的重力載荷。隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量逐漸增大，風(fēng)輪直徑相應(yīng)增大，因此塔架的高度和結(jié)構(gòu)承載力也需要隨之增大，這對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性提出了越來(lái)越高的要求［1］。

設(shè)置振動(dòng)控制裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電高塔進(jìn)行振動(dòng)控制，能有效降低風(fēng)塔的動(dòng)力響應(yīng)。但是目前在風(fēng)機(jī)塔架中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器［2，3］存在著風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部空間有限，控制裝置安裝不易［4］實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題；同時(shí)，TMD中的質(zhì)量單元由于受到空間限制，其擺動(dòng)或振動(dòng)位移幅度不能太大，減振效果受到極大制約［5］。此外，TMD作為子結(jié)構(gòu)放置于風(fēng)機(jī)塔架上，也會(huì)增加塔架負(fù)擔(dān)［6］。

本文提出用于塔架減振的固定質(zhì)量阻尼器（FMD，fixed mass damper），它通過(guò)改變塔架與上部結(jié)構(gòu)的連接方式，在機(jī)艙與塔架之間設(shè)置彈簧和阻尼單元，利用機(jī)艙、葉片等上部結(jié)構(gòu)作為質(zhì)量單元去減小塔架的振動(dòng)。由于該連接較柔，使原風(fēng)電機(jī)組的基本周期大為延長(zhǎng)，顯著地減小了高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。這樣的設(shè)計(jì)使得FMD結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊的質(zhì)量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的TMD結(jié)構(gòu)，且無(wú)需受到裝設(shè)空間的限制，因此可有效地降低塔架與上部結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)。

對(duì)此，本文以某2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架為例，建立FMD-塔架結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值模擬的方式，分析FMD-塔架結(jié)構(gòu)的減振效果。

1 塔架受控結(jié)構(gòu)

1.1 TMD-塔架結(jié)構(gòu)

風(fēng)電塔架中應(yīng)用較多的TMD布置形式為筒壁內(nèi)支撐和懸吊式，本文分析時(shí)采用支撐式的TMD減振裝置，即將TMD結(jié)構(gòu)置于塔架內(nèi)部靠近塔頂處，底部支撐鋼板通過(guò)塔架兩端的法蘭盤螺栓現(xiàn)場(chǎng)連接而成，如圖1所示。

圖1 TMD布置形式Fig.1 TMD arrangement

1.2 FMD-塔架結(jié)構(gòu)

固定質(zhì)量阻尼器（FMD）是將機(jī)艙與塔架通過(guò)阻尼器和彈簧連接起來(lái)，兩者的連接可以理想化為線性彈簧和黏滯阻尼器并聯(lián)，如圖2所示。

圖2 理想化連接模型Fig.2 Model of the idealized connection

FMD-塔架結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中頂部機(jī)艙作為固定質(zhì)量坐落于振動(dòng)控制裝置上。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)時(shí)，頂部機(jī)艙可在兩層正交的滑臺(tái)上滑動(dòng)，通過(guò)黏滯阻尼器耗散振動(dòng)能量，彈簧則使其復(fù)位并改變其振動(dòng)周期。振動(dòng)控制裝置使上部機(jī)艙與塔筒之間相互制動(dòng)，且通過(guò)雙導(dǎo)軌的設(shè)置使結(jié)構(gòu)可在水平兩個(gè)方向內(nèi)自由振動(dòng)。FMD振動(dòng)控制裝置之間的構(gòu)造關(guān)系如圖4所示。

圖3 FMD-塔架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 FMD-tower tube construction

圖4 FMD振動(dòng)控制裝置布置Fig.4 FMD vibration control device layout

2 塔架模型及風(fēng)荷載流場(chǎng)模擬

2.1 風(fēng)機(jī)塔架有限元模型

本文用于分析的風(fēng)機(jī)塔架原型為某2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架。塔架高度為76.865m，重量為164.635t，塔底直徑為4.200m，塔頂直徑為3.005m。由四段塔架組成，各部分塔筒壁厚隨高度均勻漸變。塔筒鋼材為Q345E，彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)塔架建模，塔架上部結(jié)構(gòu)利用一個(gè)重88.8t，距離塔筒頂部中心偏心距為1.2m的質(zhì)量點(diǎn)模擬［7］，分析時(shí)主要以質(zhì)量慣性參與風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)。質(zhì)量點(diǎn)與塔筒之間采用剛性約束，兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有相互作用。塔筒底部全約束，與基礎(chǔ)剛性連接。無(wú)控塔架模型如圖5所示。

圖5 無(wú)控塔架頂部Fig.5 The top of the uncontrolled tower model

為了驗(yàn)證固定質(zhì)量阻尼器（FMD）在風(fēng)機(jī)塔架中的減振效果，本文建立裝置TMD結(jié)構(gòu)的塔架模型，TMD耗能裝置安裝于塔架內(nèi)部［8］，其質(zhì)量塊由重5.4t的質(zhì)量點(diǎn)模擬，如圖6所示。

圖6 塔架頂部TMD結(jié)構(gòu)Fig.6 TMD structure at the top of the tower

在FMD-塔架結(jié)構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)仍用質(zhì)量點(diǎn)模擬，但不再與塔架剛接，而是采用彈簧單元和阻尼單元連接，如圖7所示。

圖7 FMD-塔架結(jié)構(gòu)Fig.7 FMD-tower structure

2.2 風(fēng)荷載流場(chǎng)模擬

利用CFD軟件STAR-CCM模擬塔架外部風(fēng)荷載流場(chǎng)。風(fēng)機(jī)塔架所處風(fēng)場(chǎng)非常復(fù)雜，模擬實(shí)際中的風(fēng)荷載需要考慮眾多因素，計(jì)算工作風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜。因此，本文只對(duì)順風(fēng)的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)速度進(jìn)行研究，不考慮實(shí)際風(fēng)況下脈動(dòng)風(fēng)的隨機(jī)過(guò)程。三維實(shí)際風(fēng)場(chǎng)簡(jiǎn)化成一維，結(jié)合脈動(dòng)風(fēng)垂直向的梯度分布，脈動(dòng)部分簡(jiǎn)化為余弦函數(shù)分布，脈動(dòng)周期為運(yùn)動(dòng)周期T，參考高度處脈動(dòng)風(fēng)幅值5m/s［9，10］。

式中：V（z，t）、Vz0為z、z0高度處的參考風(fēng)速；vx（z，t）為脈動(dòng)風(fēng)速；z、z0為高度。

通過(guò)脈動(dòng)風(fēng)的函數(shù)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬［10］，在計(jì)算域的入口邊界生成脈動(dòng)風(fēng)。通過(guò)ABAQUS建立塔架模型，STAR-CCM＋建立風(fēng)載流場(chǎng)，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置STAR-CCM＋中啟動(dòng)耦合進(jìn)程，計(jì)算結(jié)束后進(jìn)行結(jié)果保存和分析。

3 塔架流固耦合動(dòng)力響應(yīng)分析

本文計(jì)算采用隱式耦合，耦合時(shí)間步為0.01s，計(jì)算時(shí)間為100s［11］。模擬考慮額定風(fēng)速和切出風(fēng)速兩種風(fēng)況，即風(fēng)機(jī)輪轂高度處平均風(fēng)速為11.7m/s和25m/s。

以塔架頂點(diǎn)1和每段塔架頂點(diǎn)2、3、4為觀測(cè)點(diǎn)，從位移和加速度這兩動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析比較傳統(tǒng)TMD裝置和固定質(zhì)量阻尼減振技術(shù)（FMD）對(duì)塔架的減振效果，風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)布置位置如圖8所示。

圖8 風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)Fig.8 Wind turbine tower structure

3.1 額定風(fēng)況

額定風(fēng)況下塔架測(cè)點(diǎn)位移與加速度均值如圖9所示。

由圖9a可知，額定風(fēng)況下塔架頂部FMD位移響應(yīng)較TMD有了明顯的改善。在塔架高度方向上FMD位移均值變化比較平緩，曲線無(wú)明顯突變，較為連續(xù)均勻。由圖9b可知，F(xiàn)MD在塔架頂部加速度增大，但在其他塔段處FMD加速度響應(yīng)要明顯小于TMD結(jié)構(gòu)。

圖9 額定風(fēng)況下塔架測(cè)點(diǎn)均值Fig.9 Average of tower measuring points under rated wind conditions

表1和表2分別給出了額定風(fēng)況下三種塔架結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均值和加速度響應(yīng)均值，可知：（1）額定風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為32%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為45%，故FMD-塔架結(jié)構(gòu)的位移減振效果最好；（2）額定風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)加速度平均減振率為33.4%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)（控制點(diǎn)2、3、4）加速度平均減振率為26.6%，但頂部機(jī)艙（控制點(diǎn)1）的加速度增大到1.40倍。由表2可知，塔筒上的2、3、4測(cè)點(diǎn)處的加速度響應(yīng)遠(yuǎn)小于無(wú)控結(jié)構(gòu)，也比TMD控制下的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)小很多。這表明由風(fēng)致振動(dòng)引起的塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力大為減少，F(xiàn)MD起到了較好的減振作用。但頂部機(jī)艙的測(cè)點(diǎn)1處的加速度則均大于無(wú)控結(jié)構(gòu)和TMD減振結(jié)構(gòu)。頂部機(jī)艙作為固定質(zhì)量座落于振動(dòng)控制裝置上，加速度的增大并未增加其自身內(nèi)力多少，且采用彈簧和黏滯阻尼器的振動(dòng)控制連接使其與下部塔架不會(huì)同頻振動(dòng)，即由頂部機(jī)艙加速度引起的塔筒附加內(nèi)力不會(huì)顯著增大。此外，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［12］第3.0.11條可知，其加速度不到規(guī)范限值0.15g的三分之一。綜上，頂部測(cè)點(diǎn)加速度放大引起的負(fù)面效果不大。

表1 額定風(fēng)況位移響應(yīng)均值（單位：m）Tab.1 Mean displacement response of rated wind regime（unit：m）

表2 額定風(fēng)況加速度響應(yīng)均值（單位：m/s2）Tab.2 Mean acceleration response of rated wind conditions（unit：m/s2）

3.2 切出風(fēng)況

切出風(fēng)況下塔架測(cè)點(diǎn)位移與加速度均值如圖10所示。

圖10 切出風(fēng)況下塔架測(cè)點(diǎn)均值Fig.10 Average of tower measuring points under cutting wind conditions

由圖10a可知，切出風(fēng)況下塔架頂部FMD位移響應(yīng)最小。在塔架高度方向上FMD位移均值變化比較平緩，曲線無(wú)明顯突變，較為連續(xù)均勻。由圖10b可知，F(xiàn)MD在塔架頂部加速度增大，但在其他塔段處FMD加速度響應(yīng)要明顯小于TMD結(jié)構(gòu)。

表3和表4分別給出了切出風(fēng)況下三種塔架結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)均值和加速度響應(yīng)均值，可知：（1）切出風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為38%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)位移平均減振率為54%，故FMD-塔架結(jié)構(gòu)的位移減振效果最好；（2）切出風(fēng)況下TMD-塔架結(jié)構(gòu)加速度平均減振率為39%，而FMD-塔架結(jié)構(gòu)（控制點(diǎn)2、3、4）加速度平均減振率為35%，但頂部機(jī)艙（控制點(diǎn)1）加速度增大到1.25倍。FMD對(duì)頂部機(jī)艙加速度的增大原因分析與額定風(fēng)況類似。

表3 切出風(fēng)況下位移平均響應(yīng)（單位：m）Tab.3 Displacement average response（unit：m）

表4 切出風(fēng)況下加速度平均響應(yīng)（單位：m/s2）Tab.4 Acceleration average response（unit：m/s2）

4 結(jié)論

本文針對(duì)塔架減振設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組塔架的固定質(zhì)量阻尼減振裝置，通過(guò)流固耦合數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

1.FMD減振裝置改變了塔架與機(jī)艙的連接方式，由于塔頂結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致了塔頂加速度響應(yīng)有所增大，但在整個(gè)塔架高度方向上位移和加速度響應(yīng)控制效果明顯。

2.額定風(fēng)況下FMD結(jié)構(gòu)位移和加速度的減振率分別為45%和26%，TMD結(jié)構(gòu)減振率分別為32%和33%；切出風(fēng)況下FMD結(jié)構(gòu)位移和加速度的減振率分別為54%和35%，TMD結(jié)構(gòu)減振率分別為38%和39%?？芍狥MD結(jié)構(gòu)對(duì)塔架的風(fēng)載動(dòng)力響應(yīng)控制效果明顯。

3.FMD耗能減振裝置，從構(gòu)造上避免了傳統(tǒng)TMD結(jié)構(gòu)安裝不易、加重塔體負(fù)擔(dān)等缺點(diǎn)，對(duì)于風(fēng)機(jī)塔架的振動(dòng)控制具有較好的應(yīng)用前景。