風電機組塔筒振動的分析與測量

　　1 引言
　　塔筒是風電機組中的主要支承裝置，它將機艙和風輪托舉到所需的高度。在機組的整個壽命周期內，塔筒受到風輪、機艙以及自身重力作用的同時，還受到各種風況（正常風況、極端風況）引起的動載荷作用，承受大小和方向隨時變化的疲勞載荷和極限載荷。因此設計時必須保證塔筒具有足夠的強度、剛度和穩定性。
　　塔筒的振動分析與控制是風電機組設計過程中必須進行的工作之一。由于風輪在一定范圍內轉動，且風輪的轉速時刻都在發生變化，因此設計時必須考慮風電機組運行時變載荷、變轉速的特性，通過對各個部件動態特性及其耦合特性的設計，保證整個機組在工作過程中的平穩及安全可靠運行。通過對塔筒振動的測量和分析，可以了解實際工作過程中塔筒的振動水平及頻率成分，對引起塔筒振動的原因進行具體分析，并對設計進行驗證。
　　2 塔筒的載荷分析
　　目前，風電機組塔筒大都為錐形結構，其頂端安裝有較大質量的機艙和在風載荷作用下旋轉的風輪， 如圖1 所示。概括起來，作用在塔筒上的載荷主要有以下幾類：

圖1 風力發電機組

圖2 塔筒載荷和振動仿真結果

　　(1) 氣動力：作用在塔筒頂部的風輪上的氣動力是塔筒載荷的主要來源。此外， 風載荷直接作用在塔筒上也會對塔筒產生動載荷。
　　(2) 重力：機艙和風輪重力直接作用于塔筒頂部，是塔筒設計和機組安裝時必須考慮的一個重要參數。機艙和風輪的重心位置也是設計時必須考慮的一個重要參數。
　　(3) 慣性載荷：由于風載荷的隨機性，會引起塔筒的振動，而這種振動會產生慣性力，不但引起塔筒的附加應力，而且還會影響塔筒頂端葉輪的變形和振動。
　　(4) 控制系統的運行載荷：風電機組在運行過程中，控制系統和保護系統使機組啟動、停車（包括緊急停車）、偏航、變槳、脫網時，都會引起機組結構和塔筒部件的載荷變化。
　　圖2 為仿真得到的停車過程中塔筒頂部的傾覆力矩和振動