風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目高寒塔架振動控制研究

風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目高寒塔架振動控制研究

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在塔架中的應(yīng)用隨著傳統(tǒng)能源的日益匱乏和環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)力可作為一種清潔、無害的可能源能源，受到世界各國的越來越多關(guān)注。風(fēng)能分布廣泛、儲量巨大,具有廣闊的開發(fā)利用前景,據(jù)估算,僅地面風(fēng)力的1%,就能滿足全球發(fā)電能量的需求,由此可見,風(fēng)力是一個(gè)相當(dāng)巨大的電力能源寶庫。風(fēng)能資源的分布特點(diǎn),決定了我國風(fēng)電開發(fā)的“大規(guī)模發(fā)展,集中式建設(shè),遠(yuǎn)距離輸送”的趨勢。根據(jù)《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的主要支承裝置,它將風(fēng)機(jī)與地面相連接,為水平軸葉輪提供需要的高度。塔架除承受機(jī)組自身的振動外,由于其所處的特殊環(huán)境,還要承受風(fēng)荷載、地震荷載以及海浪和冰振等動力作用。如何高效、經(jīng)濟(jì)地降低塔架結(jié)構(gòu)的振動,成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的一個(gè)重要問題,假若采用增加塔架結(jié)構(gòu)自身剛度的方法,利用自身的能力來耗散振動能量,比如加大構(gòu)件的截面尺寸或提高材料的強(qiáng)度等級等,既不經(jīng)濟(jì),又存在較大問題,而結(jié)構(gòu)振動控制是解決這一問題的有效方法。1格構(gòu)式塔架質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(簡稱風(fēng)機(jī))是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備,主要包括三葉片、輪轂、機(jī)艙和鋼塔架,屬于一種高聳結(jié)構(gòu),其受力特點(diǎn)與一般的建筑結(jié)構(gòu)并不完全相同,通常水平荷載起到控制作用。而因其包含葉輪和機(jī)艙部分,頂部體型和質(zhì)量較大,又屬于典型的長周期結(jié)構(gòu)。塔架是風(fēng)機(jī)的主要承載部件,安全運(yùn)行的基礎(chǔ),將風(fēng)機(jī)與地面連接。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同,主要分為錐臺型塔筒和格構(gòu)式塔架兩種。錐臺型塔筒是目前大型風(fēng)機(jī)市場中最典型的結(jié)構(gòu)形式。從外觀看,由若干段長20~30m的錐筒通過法蘭連接而成,由底向上直徑逐漸減小,整體呈圓臺狀,因此也稱此類塔架為圓臺式塔架。其主要優(yōu)點(diǎn)是美觀大方、構(gòu)造簡單、安全性能好、占地面積少、安裝與維修方便等,但目前存在的主要缺點(diǎn)是,整體材料的利用率低、運(yùn)輸中易受道路條件限制、經(jīng)濟(jì)性差等。格構(gòu)式塔架與輸電塔架外觀相似,在早期小型風(fēng)機(jī)中大量使用,其主要優(yōu)點(diǎn)是制造簡單、耗材少、成本低、運(yùn)輸方便,但其主要缺點(diǎn)是施工過程中連接的零部件較多、現(xiàn)場施工周期長、占地面積大、通向塔頂?shù)臋z修梯子不好安排等,在大型風(fēng)機(jī)中逐漸被錐臺型塔筒替代。但在國外一些高度超過100m的塔架中,格構(gòu)式塔架又重新受到重視,主要原因在于,在高度和剛度設(shè)計(jì)要求相同的情況下,格構(gòu)式塔架比錐臺型塔筒的材料利用率高,使其材料消耗減少約40%;同時(shí),格構(gòu)式塔架的構(gòu)件尺寸小,可大幅降低運(yùn)輸成本。風(fēng)機(jī)塔架的重量占總重量的1/2,其成本占機(jī)組的15%左右;目前,風(fēng)機(jī)容量最高已達(dá)到7.3MW,風(fēng)輪直徑達(dá)80~100m,塔架高度達(dá)到100m;隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的增加,其高度和重量也在不斷增加,需重新進(jìn)行更為縝密的荷載計(jì)算,完善塔架和基礎(chǔ)的抗震與耗能減振設(shè)計(jì),來抵抗風(fēng)荷載與地震等作用,延長塔架的使用壽命。2風(fēng)荷載作用機(jī)制塔架作為細(xì)長的高聳結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載、地震以及波浪荷載等是最典型的外部作用,在其作用下發(fā)生振動,最大危害是使塔筒連接部位和其上的某些機(jī)艙構(gòu)件產(chǎn)生疲勞,從而導(dǎo)致塔架材料的強(qiáng)度大大降低,縮短塔架使用壽命。從承載能力極限狀態(tài)考慮,風(fēng)機(jī)在風(fēng)荷載、地震以及波浪荷載作用下應(yīng)確保不發(fā)生強(qiáng)度破壞、屈曲、折斷和整體傾覆;從正常使用極限狀態(tài)考慮,為了保證發(fā)電效率和葉片不至于與塔架碰撞,結(jié)構(gòu)不能有過大的變形和傾斜。風(fēng)荷載是對風(fēng)機(jī)塔架作用較大的主要荷載之一,風(fēng)機(jī)葉輪將給風(fēng)機(jī)支撐塔架帶來較大的傾覆彎矩,因此風(fēng)荷載在風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)體系動力分析過程中是主要的控制荷載。對風(fēng)荷載的計(jì)算主要有兩方面的內(nèi)容,一是風(fēng)場模型的模擬,二是荷載作用機(jī)制的描述。在風(fēng)荷載計(jì)算之前首先應(yīng)研究風(fēng)場的模擬方法,自然風(fēng)主要包括平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分Davenport脈動風(fēng)速功率譜公式:式中,S地震作用對風(fēng)機(jī)塔架、高層建筑等類似的長周期結(jié)構(gòu)的破壞通常是尤為嚴(yán)重的。近年來,隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模急劇增長,風(fēng)機(jī)已難以避開地震高烈度區(qū),對照我國風(fēng)電場分布圖和地震帶分布圖可知,風(fēng)能資源豐富地區(qū)多集中在地震帶附近或地震帶上。地震作為一種突發(fā)式的自然災(zāi)害,會引起各類工程結(jié)構(gòu)的破壞,造成人民生命和財(cái)產(chǎn)的損失,然而我國是一個(gè)地震頻發(fā)的國家,故對風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振控制是十分必要的。地震理論式中,F為最大水平底部剪力,即總水平地震作用;m為體系的質(zhì)量;G為體系的重量;S波浪荷載是近海風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境荷載之一,不斷變化的波浪荷載使得風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生不斷變化的應(yīng)力,交變應(yīng)力的不斷積累會造成風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。波浪作用可考慮為兩類:一類是極限荷載,是風(fēng)機(jī)塔架可能遇到的極少數(shù)重現(xiàn)期很長的大浪產(chǎn)生的;另一類是正常工作情況下的波浪作用,是結(jié)構(gòu)疲勞分析的主要荷載,施加在風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)上的波浪作用主要包含阻力和慣性力,阻力是由流體的粘性效應(yīng)產(chǎn)生,通常假設(shè)它與水質(zhì)點(diǎn)相對于塔架結(jié)構(gòu)的速度的平方成正比,慣性力與水和結(jié)構(gòu)間的相對加速度成正比,如式(3)所示式中,f(t)為波浪力;u(t)為波浪速度;a(t)為波浪加速度;C3風(fēng)致響應(yīng)及地震響應(yīng)分析隨著風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的大型化發(fā)展,長細(xì)比增大、剛度減小、自振頻率降低,總體結(jié)構(gòu)變得柔性化,環(huán)境荷載對風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的作用更加顯著。其中風(fēng)荷載發(fā)生頻率高,地震對結(jié)構(gòu)的作用同樣強(qiáng)烈,因此對風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)置有效的振動控制裝置可積極抵御災(zāi)害。我國對于風(fēng)機(jī)塔架的振動控制研究相對較晚,通過對結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)及地震響應(yīng)分析,可以明確引起塔架結(jié)構(gòu)振動的主要原因。國內(nèi)許多學(xué)者對塔架結(jié)構(gòu)的消能減振和調(diào)頻減振裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和理論研究,并取得了一定成果,簡要從以下幾個(gè)方面作一回顧。3.1風(fēng)機(jī)塔架動力響應(yīng)分析研究風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)屬于典型的柔性結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的自振周期相對較長,對風(fēng)荷載等周期相對較長的荷載較為敏感。一般情況下,風(fēng)荷載是風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的主要控制荷載,風(fēng)荷載作用下會產(chǎn)生較大的變形和動力響應(yīng),甚至?xí)茐摹ｏL(fēng)機(jī)塔架系統(tǒng)風(fēng)致響應(yīng)分析是對其進(jìn)行振動控制的基礎(chǔ),國內(nèi)外已有部分學(xué)者對風(fēng)機(jī)塔架系統(tǒng)動力響應(yīng)分析進(jìn)行了研究,主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)整體模型和簡化模型、風(fēng)荷載模型、風(fēng)場的模型以及風(fēng)與塔架結(jié)構(gòu)的耦合問題等方面。風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)基于有限元法進(jìn)行建模可分為整體建模和細(xì)部建模兩種。在整體建模的研究中,Lobitz在實(shí)際計(jì)算中,沒有必要也無需對模型中所有點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速時(shí)程仿真,通?？蓪︼L(fēng)機(jī)塔架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散簡化。Bazeos等目前,風(fēng)荷載通常按照脈動風(fēng)速功率譜密度函數(shù)獲得,按是否考慮湍流積分尺度隨高度的變化分為兩大類,一是不考慮隨高度變化的,如Davenport譜、Harris譜、VonKarman譜等;另一類是考慮隨高度變化的,如Simiui譜、Kaimal譜、Hino譜等。對脈動風(fēng)荷載的模擬主要有兩類:一類是基于一系列三角函數(shù)加權(quán)疊加的諧波疊加法,另一類是采用自回歸模型的線性濾波法3.2地震響應(yīng)分析隨著越來越多的風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)在地震活躍地區(qū)興建,地震作用很可能成為風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的控制荷載之一,有必要對其在地震作用下的破壞及倒塌做合理的分析。目前,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始關(guān)注風(fēng)機(jī)塔架這種柔性結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)問題。主要體現(xiàn)在塔架-基礎(chǔ)-地基相互作用、地震動的輸入及分析方法等方面。地基與結(jié)構(gòu)之間的相互作用(SSI效應(yīng))是影響結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的關(guān)鍵因素之一,高柔的塔架結(jié)構(gòu)如建立在軟質(zhì)地基土上,基礎(chǔ)相對地基發(fā)生平移和轉(zhuǎn)動,將使上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形與按剛性地基假定計(jì)算的結(jié)果之間產(chǎn)生一定的差別,因此,對于處在柔性地基上的風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)在計(jì)算地震響應(yīng)時(shí)應(yīng)考慮SSI效應(yīng)。Lavassas等結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不僅取決于結(jié)構(gòu)本身的動力特性,同時(shí)也取決于輸入地震波的幅值、頻譜特性和持續(xù)時(shí)間,依據(jù)建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組來選擇輸入的地震波,由于場地的固有周期和場地地震效應(yīng)的影響,地震時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞程度隨場地條件的不同而變化。同時(shí),也要考慮地震的多維性,其不僅具有水平和豎向三個(gè)正交平動分量,同時(shí)還具有扭轉(zhuǎn)和搖擺轉(zhuǎn)動分量。因此,在研究風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)時(shí)要考慮場地條件和多維輸入問題。La-vassas等風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析都采用確定性方法,其又分為反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法兩種。反應(yīng)譜法既考慮了結(jié)構(gòu)動力特性與地震動特性之間的動力關(guān)系,又充分應(yīng)用了靜力理論,巧妙地將動力問題靜力化,使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震作用及其效應(yīng)的計(jì)算變得簡單易行。對于較規(guī)則的結(jié)構(gòu),一般采用反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算,對于不規(guī)則且具有明顯薄弱部位的結(jié)構(gòu),采用時(shí)程分析法做補(bǔ)充計(jì)算。時(shí)程分析法通過動力方法計(jì)算得到地震波作用時(shí)的各時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度以及各構(gòu)件的內(nèi)力,反映地面運(yùn)動的方向、特性及持續(xù)作用的影響。從理論上,時(shí)程分析方法比反應(yīng)譜法更為先進(jìn),可校核結(jié)構(gòu)是否存在承載力、剛度方面的薄弱部位,以避免大震下的結(jié)構(gòu)倒塌等嚴(yán)重破壞。Lavassas等3.3應(yīng)用消能減振裝置的必要性消能減振裝置適用于高柔結(jié)構(gòu)與高聳塔架,可吸收和耗散地震、風(fēng)振等能量,以減小塔架結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。在小風(fēng)或小震作用下,消能裝置和結(jié)構(gòu)共同作用,結(jié)構(gòu)本身處于彈性狀態(tài)并滿足正常使用要求;在大震或強(qiáng)風(fēng)作用下,隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大,消能裝置產(chǎn)生較大阻尼,大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量,使結(jié)構(gòu)的動能或變形能轉(zhuǎn)化成熱能等形式耗散掉,迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振反應(yīng),使主體結(jié)構(gòu)避免發(fā)生危及生命或喪失使用功能的破壞。消能減振裝置可根據(jù)需要沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置,受到風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)特殊性的制約,只能設(shè)置在塔架上,宜設(shè)置在塔身變形較大的位置,其數(shù)量和分布應(yīng)通過綜合分析合理確定,并有利于提高整個(gè)塔架結(jié)構(gòu)的消能減振能力,形成合理的受力體系。而塔架的變形通常為彎曲變形,剪切型消能減振裝置不易發(fā)揮作用,因此,關(guān)鍵問題是根據(jù)風(fēng)機(jī)塔架這種柔性彎曲結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出能高效發(fā)揮作用的消能減振裝置。許多學(xué)者利用粘彈性材料的耗能設(shè)計(jì)了不同的減振裝置。李杰等風(fēng)機(jī)塔架一般為圓形截面,且截面面積有限,對耗能器的使用起到一種制約作用。馬人樂等3.4調(diào)諧液體阻尼器調(diào)頻減振裝置是塔式結(jié)構(gòu)振動控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制裝置,因其造價(jià)低、構(gòu)造簡單、易安裝、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在高聳柔性結(jié)構(gòu)領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用,已有試驗(yàn)和數(shù)值分析研究表明,對第一振型為主的高聳柔性結(jié)構(gòu),調(diào)頻減振控制裝置對風(fēng)荷載和地震引起的振動都有明顯的減振效果。調(diào)頻減振裝置主要有調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)和調(diào)頻液體阻尼器(TLD)兩類。調(diào)頻質(zhì)量阻尼器由主結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成,其中子結(jié)構(gòu)包括固體質(zhì)量、彈簧減振器和阻尼器等,通過改變質(zhì)量或剛度調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率,使其盡量接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激勵(lì)頻率,當(dāng)主結(jié)構(gòu)受激勵(lì)而振動時(shí),子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生一個(gè)與結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力作用在結(jié)構(gòu)上,使主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)衰減并受到控制。Si等與TMD的減振原理相似,調(diào)諧液體阻尼器(TLD)是利用固定水箱中的液體在晃動過程中產(chǎn)生的動側(cè)壓力和耗能起到減振作用的。TLD在地震或風(fēng)荷載作用下將產(chǎn)生振動,從而引起TLD中的液體的晃動,并在液體表面形成波浪,晃動的液體和波浪對TLD箱壁產(chǎn)生動壓力差,同時(shí)液體運(yùn)動也將引起慣性力,由動壓力差和液體慣性力形成了TLD對結(jié)構(gòu)的減振作用。TLD主要分為兩類,第一類是矩形、圓柱形或圓環(huán)形的水箱,稱為普通的TLD;第二類是U形管狀水箱,稱為調(diào)頻液體柱狀阻尼器,簡稱TLCD。由于TLD振動的頻率與其振動方向的邊長和液體高度有關(guān),對于風(fēng)機(jī)塔架的振動控制而言,需要TLD的尺寸較大,在實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)。然而,不受尺寸限制的TLCD卻能起到很好的減振作用。Balendra等4風(fēng)力機(jī)風(fēng)機(jī)塔架減振控制的展望隨著風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的不斷增加,塔架支撐結(jié)構(gòu)也不斷向大型化發(fā)展,超過100m的塔架已非常普遍。與高聳結(jié)構(gòu)類似,這種細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、地震作用、海浪作用等動力荷載作用下會產(chǎn)生顯著的動力響應(yīng)和大幅彎曲變形。對風(fēng)機(jī)而言,塔體過大的彎曲變形及振動將不僅影響機(jī)艙內(nèi)傳動系統(tǒng)的正常工作,降低風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率,而且塔體的頻繁振動也會縮短塔體的壽命,甚至可能導(dǎo)致強(qiáng)度破壞或疲勞破壞、塔架的屈曲、傾覆等事故,帶來不可估量的損失。目前,雖然在風(fēng)機(jī)塔架的風(fēng)致響應(yīng)、地震響應(yīng)、耗能減振控制、調(diào)頻減振控制等方面取得一些研究成果,仍然存在許多具有挑戰(zhàn)性的問題需要進(jìn)一步解決:(1)進(jìn)一步改進(jìn)反映風(fēng)機(jī)塔架實(shí)際構(gòu)造的整體模型。目前,通常選取風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的簡化模型進(jìn)行分析,為了能夠更科學(xué)地模擬風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的動力特性,應(yīng)詳細(xì)考慮葉片-機(jī)艙-塔架-基礎(chǔ)-地基的實(shí)際構(gòu)造,建立更加詳細(xì)的模型。(2)進(jìn)一步研發(fā)考慮風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及振動特性的減振控制裝置。目前,風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的減振控制技術(shù)多來自于建筑結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域,使用剪切型的耗能裝置和質(zhì)量調(diào)頻減振裝置比較多,考慮塔身彎曲變形特點(diǎn)的控制裝置很少。(3)進(jìn)一步研究考慮風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的多維地震動作用的振動控制技術(shù)。目前,大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為地震動水平分量對風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)起主要作用,高烈度區(qū)的豎向地震作用對高聳塔架結(jié)構(gòu)的影響顯著。事實(shí)上,風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)對多維地震輸入是比較敏感的。鑒于風(fēng)機(jī)大規(guī)模發(fā)展難以避開地震活躍區(qū),應(yīng)對包括豎向地震作用在內(nèi)的風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)多維地震響應(yīng)進(jìn)行更詳細(xì)的研究。(4)進(jìn)一