基于多樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組整機(jī)自振特性分析

文 | 高宏飆，季曉強(qiáng)，姜貞強(qiáng)
　　江蘇如東150MW 海上風(fēng)電場示范項(xiàng)目位于江蘇省如東環(huán)港外灘離岸3km － 7km 的潮間帶區(qū)域，在國內(nèi)首次采用多樁鋼構(gòu)架風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)。為了解整機(jī)的振動(dòng)特性，并為開展監(jiān)測提供依據(jù)，本文采用大型通用有限元軟件，對整機(jī)自振特性進(jìn)行分析。
　　多樁鋼構(gòu)架風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征類似于海洋石油平臺(tái)中的導(dǎo)管架式衛(wèi)星平臺(tái)，其差異在于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)除承受較大的波浪等水平荷載外，上部空氣動(dòng)力荷載產(chǎn)生了巨大的彎矩，成為結(jié)構(gòu)受力的控制性因素之一。而更重要的是，為避免發(fā)生共振造成風(fēng)電機(jī)組故障、壽命降低甚至出現(xiàn)安全事故，由地基、基礎(chǔ)、塔架、上部機(jī)組等各部分組成的整體自振頻率必須滿足風(fēng)電機(jī)組廠家給出的頻率范圍要求。
　　海上風(fēng)電機(jī)組頻率要求
　　海上風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)的主要因素有：
　　（一）風(fēng)速、風(fēng)向變化引起的塔架振動(dòng)風(fēng)荷載包括平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分。平均風(fēng)在給定時(shí)間內(nèi)風(fēng)力大小、方向等不隨時(shí)間變化，相當(dāng)于靜力作用。脈動(dòng)風(fēng)則隨時(shí)間隨機(jī)變化，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)的順風(fēng)向振動(dòng)、橫風(fēng)向振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)向變化、風(fēng)力作用點(diǎn)與結(jié)構(gòu)彈性中心不重合時(shí)，還將產(chǎn)生空氣動(dòng)力扭矩，風(fēng)輪迎風(fēng)裝置動(dòng)作，以保證風(fēng)輪機(jī)葉輪總是對準(zhǔn)風(fēng)向。
　　（二）葉輪旋轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)
　　風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中，葉輪每轉(zhuǎn)一周就會(huì)有k次振動(dòng)（k為葉片數(shù)目），葉輪轉(zhuǎn)速為n r/min，則每分鐘就會(huì)有kn次振動(dòng)。已有研究表明，塔架固有頻率f<kn 的稱為“硬塔”，“硬塔”造價(jià)較高；塔架固有頻率n<f<kn的稱為“軟塔”；塔架固有頻率f<n的稱為“甚軟塔”。海上風(fēng)電機(jī)組一般均為上述的“軟塔”。
　　（三）機(jī)艙內(nèi)部機(jī)械振動(dòng)
　　主要是發(fā)電機(jī)、磁極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱產(chǎn)生的振動(dòng)等。其中，風(fēng)和波浪是海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)承受的主要荷載，這些荷載具有明顯的動(dòng)力特性，海上高聳的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)體系在這些動(dòng)力荷載作用下將產(chǎn)生顯著的動(dòng)力特性，而這些動(dòng)力效應(yīng)總是趨向于增加應(yīng)力數(shù)值并損害結(jié)構(gòu)的長期承載能力。因此，風(fēng)電機(jī)組－塔架－基礎(chǔ)－地基系統(tǒng)是一個(gè)相互作用高度耦合的動(dòng)力系統(tǒng)，需采用結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力分析，以掌握結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和響應(yīng)。在整機(jī)頻率分析時(shí)，需要分析塔筒振動(dòng)問題、葉片振動(dòng)問題、整機(jī)振動(dòng)問題等，其中塔筒振動(dòng)及葉片振動(dòng)主要是在塔筒及葉片設(shè)計(jì)及安全校核時(shí)采用，而整機(jī)頻率校核則影響到整機(jī)運(yùn)行安全及壽命。

　　圖1 為恒定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組及變轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的允許頻率范圍示意圖。對于變轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組，以3 葉片為例，其1P 與3P 頻率之間的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的整機(jī)固有頻率允許范圍，可見，該區(qū)域非常狹小，加之設(shè)計(jì)時(shí)還需要根據(jù)規(guī)范預(yù)留5% － 10% 的安全裕度，則該區(qū)域更為狹小，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過“柔”，則容易低于該區(qū)域下限而產(chǎn)生共振，若設(shè)計(jì)的過“剛”，則容易高于該區(qū)域上限產(chǎn)生共振，加之，處于經(jīng)濟(jì)性考慮，整機(jī)固有頻率又不宜超越3P 上限，因此對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高要求。