基于多樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)的海上風電機組整機自振特性分析

文 | 高宏飆，季曉強，姜貞強
　　江蘇如東150MW 海上風電場示范項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)架風電機組基礎(chǔ)。為了解整機的振動特性，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，對整機自振特性進行分析。
　　多樁鋼構(gòu)架風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征類似于海洋石油平臺中的導(dǎo)管架式衛(wèi)星平臺，其差異在于風電機組基礎(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)生共振造成風電機組故障、壽命降低甚至出現(xiàn)安全事故，由地基、基礎(chǔ)、塔架、上部機組等各部分組成的整體自振頻率必須滿足風電機組廠家給出的頻率范圍要求。
　　海上風電機組頻率要求
　　海上風電機組振動的主要因素有：
　　（一）風速、風向變化引起的塔架振動風荷載包括平均風和脈動風兩部分。平均風在給定時間內(nèi)風力大小、方向等不隨時間變化，相當于靜力作用。脈動風則隨時間隨機變化，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機的順風向振動、橫風向振動。當風向變化、風力作用點與結(jié)構(gòu)彈性中心不重合時，還將產(chǎn)生空氣動力扭矩，風輪迎風裝置動作，以保證風輪機葉輪總是對準風向。
　　（二）葉輪旋轉(zhuǎn)引起的振動
　　風電機組在運行中，葉輪每轉(zhuǎn)一周就會有k次振動（k為葉片數(shù)目），葉輪轉(zhuǎn)速為n r/min，則每分鐘就會有kn次振動。已有研究表明，塔架固有頻率f<kn 的稱為“硬塔”，“硬塔”造價較高；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”。海上風電機組一般均為上述的“軟塔”。
　　（三）機艙內(nèi)部機械振動
　　主要是發(fā)電機、磁極運動產(chǎn)生的振動，風電機組齒輪箱產(chǎn)生的振動等。其中，風和波浪是海上風電機組結(jié)構(gòu)承受的主要荷載，這些荷載具有明顯的動力特性，海上高聳的風電機組結(jié)構(gòu)體系在這些動力荷載作用下將產(chǎn)生顯著的動力特性，而這些動力效應(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，風電機組－塔架－基礎(chǔ)－地基系統(tǒng)是一個相互作用高度耦合的動力系統(tǒng)，需采用結(jié)構(gòu)模型進行動力分析，以掌握結(jié)構(gòu)的動力特性和響應(yīng)。在整機頻率分析時，需要分析塔筒振動問題、葉片振動問題、整機振動問題等，其中塔筒振動及葉片振動主要是在塔筒及葉片設(shè)計及安全校核時采用，而整機頻率校核則影響到整機運行安全及壽命。

　　圖1 為恒定轉(zhuǎn)速風電機組及變轉(zhuǎn)速風電機組的允許頻率范圍示意圖。對于變轉(zhuǎn)速風電機組，以3 葉片為例，其1P 與3P 頻率之間的區(qū)域為風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮的整機固有頻率允許范圍，可見，該區(qū)域非常狹小，加之設(shè)計時還需要根據(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)計的過“柔”，則容易低于該區(qū)域下限而產(chǎn)生共振，若設(shè)計的過“剛”，則容易高于該區(qū)域上限產(chǎn)生共振，加之，處于經(jīng)濟性考慮，整機固有頻率又不宜超越3P 上限，因此對風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高要求。