風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀

　　1 引言
　　風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：
　　（1）結(jié)構(gòu)高度大，體型細(xì)長；（2）機(jī)艙重量大，集中在塔架頂部；（3）葉輪具有分布質(zhì)量和剛度；（4）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)。
　　從結(jié)構(gòu)抗震的角度看，特點(diǎn)（1）和（2）對抗震不利。高層建筑物要求具有合適的高寬比和比較均勻的質(zhì)量分布，而風(fēng)電機(jī)組由于發(fā)電功能的需要，違反了這兩點(diǎn)，決定了它在先天上的抗震缺陷。特點(diǎn)（3）和（4）也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與高層建筑物的不同之處。葉輪葉片位于塔架頂部，而且剛度較小，在地震作用下容易產(chǎn)生端部的“鞭梢效應(yīng)”，放大葉片的地震響應(yīng)，這對葉片的安全性不利。而葉輪的旋轉(zhuǎn)也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同于高層建筑物的一個(gè)顯著特點(diǎn)，葉輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遇到地震的工況，是建筑結(jié)構(gòu)抗震中不會(huì)涉及到的。
　　從以上分析可以看出，風(fēng)電機(jī)組的抗震性能是其結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的課題。如果忽略風(fēng)電機(jī)組的抗震設(shè)計(jì)，可能危及其結(jié)構(gòu)安全。而目前風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用范圍越來越廣，在地震區(qū)也有應(yīng)用，但世界各國的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大多對抗震設(shè)計(jì)這一內(nèi)容規(guī)定較少。而日本則由于地震多發(fā)，針對風(fēng)電機(jī)組的抗震，制定了設(shè)計(jì)規(guī)范。本文總結(jié)目前風(fēng)電機(jī)組抗震研究現(xiàn)狀，介紹歐洲、日本的風(fēng)電機(jī)組相關(guān)抗震標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合中國的實(shí)際情況，對中國的風(fēng)電機(jī)組抗震研究提出初步的建議。
　　2 風(fēng)電機(jī)組抗震研究方法及抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
　　傳統(tǒng)上，抗震是建筑結(jié)構(gòu)工程里的概念。建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究方法主要分為兩種：一種是動(dòng)力分析方法，一種是等效靜力分析方法。風(fēng)電機(jī)組的抗震也沿用了這兩種方法。
　　風(fēng)電機(jī)組地震動(dòng)力分析一般采用有限元方法，需要風(fēng)電機(jī)組葉片、機(jī)艙、塔架的細(xì)節(jié)信息，但這些信息通常由風(fēng)電機(jī)組制造商掌握，研究者難以獲得。Lavassas 采用shell 和brick 單元研究了一臺(tái)1MW 風(fēng)電機(jī)組原型，但沒有考慮葉輪的詳細(xì)建模以及旋轉(zhuǎn)。Ahlstrom 采用beam 單元建立完整的風(fēng)電機(jī)組模型，用于風(fēng)電機(jī)組在葉片破壞等極端情況下的動(dòng)力學(xué)模擬。該模型也可用于風(fēng)電機(jī)組的地震響應(yīng)分析。從風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，用beam 單元可以足夠準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)值離散，而且可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。對于停機(jī)的情況，用beam 單元模擬風(fēng)電機(jī)組的地震動(dòng)力響應(yīng)已無技術(shù)上的問題，只是由于風(fēng)電機(jī)組原型數(shù)據(jù)的非公開性，導(dǎo)致接近真實(shí)的有限元模型難以建立；對于運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，由于葉輪的旋轉(zhuǎn)，其中涉及機(jī)械控制等學(xué)科，通常的有限元模型還難以模擬復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。GH Bladed 也采用beam 單元，但是把葉輪和機(jī)艙、塔架分開建模，分別計(jì)算其模態(tài)特性，然后耦合，在頻域上計(jì)算，而不是采用有限元方法中的時(shí)域直接積分方法。理論上說，頻域方法也是可行的，但GH Bladed 使用的模態(tài)數(shù)量有限，而且計(jì)算結(jié)果與通用有限元軟件的計(jì)算結(jié)果存在一定差異，推測與其耦合的機(jī)制有關(guān)。
　　而風(fēng)電機(jī)組在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用等效靜力分析方法。該方法的好處是不需要精細(xì)的風(fēng)電機(jī)組模型，使用形式簡單的計(jì)算公式，方便工程設(shè)計(jì)人員運(yùn)用。風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定用等效靜力分析方法，典型的標(biāo)準(zhǔn)如IEC61400-1和日本《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備支持物構(gòu)造設(shè)計(jì)指針·同解說》。