陆上风机结构整体振动特性现场监测与分析

陆上风机结构整体振动特性现场监测与分析

曹洋

山东天勤石油科技有限公司 山东东营 257300

摘要：目前对于陆上风机整体振动的数值模拟和现场试验均有较多研究，但是对于两者之间的相互验证相对匮乏。因此，文中首先对风场SCADA数据中的不同参数和振动监测数据进行统计分析，将风机的运行状态划分为不同工况。之后，采用频域分析方法处理风机塔筒加速度传感器所采集的加速度数据，快速得到塔筒自振频率等振动参数，和数值模拟方法的计算结果进行相互对照，并与正常运行条件下叶轮1P、3P频率进行共振校验。

关键词：陆上风机；风机运行状态；振动特性；结构共振

引言

海上风电工程具有大风速、高产出及长寿命等优势，近年来得到了快速发展。然而，随着风机单机装机容量逐渐增加，相应的配套叶片长度与塔筒高度也随之增大，例如我国福建平海湾海上风电场(容量5MW、叶片64.0m、塔筒90.0m)与英国。Westermost海上风电场(容量6MW、叶片77.0m、塔筒102.0m)等．海上风机逐渐呈现大容量、高塔筒、长叶片的发展趋势，由于风机结构与叶轮叶片均属于柔性结构，因此，随这种变化而来的一个重要问题就是风机在运行过程中的结构振动安全问题。

1概述

测试所用海上风电试验样机位于我国黄海海域内，额定功率2.5MW，额定转速18r/min，基础采用复合式筒型基础形式。风机叶轮直径93.4m，轮毂高度80.0m，塔筒为3段式安装，机舱与塔筒及相邻塔筒之间设有工作平台。本次测试在塔筒内部由上至下布置5个测点，位置为距离工作平台高约1.5m处的塔筒壁上，传感器选择低频振动位移传感器，频响范围最低可达到0.1Hz，为三向测振，满足采集结构低频多向振动信号的试验目的。

2现场监测试验

2.1试验布置

为了能够反映风机塔筒的整体振动特性，因此选择在可以最大程度获得振动模态信息的区域布置测点，测点在塔筒所处的位置尽可能靠近顶部，因为上部塔筒的振幅更加明显；且测点也要与机舱保持一定的竖向距离，避免机舱内发电机工作产生局部振动对整体信号采集带来噪音干扰。该风机由四节塔筒组成，轮毂高度90m，风机叶轮直径为140.36m。分别在离地高度40.6、65.0m的平台二和平台三处各布置一个双轴加速度传感器。传感器通过耳板固定于塔筒内壁上，保证与塔筒的同步运动，双轴传感器的X方向和Y方向分别对应着顺风向和横风向。

2.2数值对照模型

利用COMSOLMultiphysics数值计算软件跟据实际尺寸建立有限元模型。风力发电机主要由叶片、轮毂、机舱、塔筒构成，由于文中主要研究的是主体结构塔筒在自然环境下的振动特性，因此为了简化计算，将总质量200t的发电机组简化为一个偏心距离塔筒轴线2m的集中质量点。风机轮毂高度90m，由四节塔筒构成，塔底直径4.3m，壁厚为59mm，塔顶直径为3.3m，壁厚为15mm，弹性模量210GPa，密度7850kg/m3。考虑到塔筒细长的几何特性和受力特点，采用厚度线性减小的梁单元结构模拟塔筒。实际工程中地基为砂岩，因此风机基础与地基土之间的相互作用按照固定约束处理。

2.3风机整体共振校验

当风机叶轮周期性旋转的频率与塔筒的振动频率相近时，会产生耦合振动，此时振动幅值的增大会导致结构变形和应力增大，甚至引起结构损伤或塔架倒塌，因此需要对塔筒的振动频率进行共振校验。叶片经过风机塔筒的激励主要分为叶轮的旋转频率1P和过桨频率。由于文中所监测的风机有3个叶片，过桨频率为3P及其倍数3nP（n=1,2,3…）。风机塔筒的振动能量主要集中于低阶振型，因此根据风机设计规范将塔架基频与叶轮旋转频率1P和过桨频率3P进行比对。

试验风机正常运行过程中转速范围为6r/min~12r/min，叶片的旋转频率1P为0.1~0.2Hz，过桨频率3P为0.3~0.6Hz，按照DNVGL规范规定预留10%的安全度后所覆盖的频率段为0.09~0.21Hz和0.27~0.63Hz。塔筒的一阶弯曲频率为0.265Hz与转速6r/min时的3P最接近，但避开了共振危险区域，满足了规范的安全要求。

3计算结果分析

3.1计算工况

本文重点考查台风作用下风力机的风振响应。为了对比也计算了良态风作用下的风振响应。根据风力机运行姿态和风的类型，风力机运行中有正常发电状态、基本等待状态、正常关机等多种工况，其操作条件主要体现在叶片随风速、风向不断调整。当风速大于风力机的切出风速时，风力机顺桨、与风向一致，风力机的受风面大大减小。工况1、工况2为良态风或台风作用下风力机顺桨的计算工况，其中23．5m/s为50a一遇风速，32．7m/s为12级台风。在台风环境下风向往往会发生突变，当叶片顺桨后，若台风风向突然偏转90°，则会使叶片和机舱大面积迎风，受到很大的风荷载，即工况3。工况4为台风风向突然偏转180°，此时机舱和叶轮的重力荷载所产生的弯矩与风荷载产生的弯矩在同一方向上叠加，亦属于不利工况。

3.2风力机的风振响应分析

风力机钢材采用理想弹塑性模型，风力机塔架底部固定。塔筒材料采用Q345E钢材，钢板最小厚度12mm，最大厚度26mm，屈服强度σ0．2为325MPa，最大等效应力未超过材料许用应力。参照我国《高耸结构设计规范》(GB50135—2006)，塔顶的水平位移限值为H/75，塔顶位移未超过允许值。

风力机塔架应力水平基本上处于线弹性范围，在台风、下击暴流等极端气象条件下，受局部地形、风场等影响，可能出现很高的风速。例如:SavoryEric等研究了80m/s风速情况下输电塔的风振响应和倒塌破坏模式;ShehatAY等模拟了下击暴流70m/s风速情况下输电塔的振动响应。2006年造成苍南风电场风机倒塌的“桑美”台风风速也达70～80m/s。若取风速为70m/s，类似地进行风力机荷载计算和动力分析，当风速为70m/s、风向突然偏转90°时塔顶的位移时程，可见塔顶位移时程出现不收敛。

结语

文中以某陆上风机为研究对象，基于现场采集的风机塔筒振动加速度数据和风电场SCADA数据，大量系统地分析了风机整体振动特性和运行规律，主要获得以下结论：

（1）风机的运行状况主要可以化分为6种工况，并根据风速、风向的变化调整控制策略，从而实时地改变风机的叶轮转速和桨距角等运行参数。

（2）陆上风机结构数值模型计算得到的一阶自振频率为0.2653Hz，与实测结果吻合程度高。

（3）现场实测的振动数据模态分析后所得的自振频率与叶轮过桨频率1P和3P进行共振校验，基频满足DNDGL规范规定的预留10%安全度的要求。

参考文献

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