風電機組仿真塔架阻尼比的選取研究

蔡繼峰，王丹丹，符鵬程，黃宇同

（北京鑒衡認證中心，北京 100013）

風電機組仿真塔架阻尼比的選取研究

蔡繼峰，王丹丹，符鵬程，黃宇同

（北京鑒衡認證中心，北京 100013）

本文利用目前主流風電機組塔架的實測數(shù)據(jù)，基于振幅衰減速率計算阻尼比，給出了幾個主流機型的實測阻尼比的值0.001—0.003，并依此認為目前風電機組仿真設計時選取的0.005的阻尼比偏大，可能存在安全隱患。

阻尼比；振幅衰減速率；仿真計算

0 引言

風電機組的設計多利用仿真計算軟件來進行數(shù)值模擬計算[1-2]，這就涉及到對仿真參數(shù)的選取，而塔架阻尼比的選取，直接影響到塔架振動的穩(wěn)定性和載荷的大小。目前在仿真中塔架阻尼比，參考高層建筑的建筑規(guī)范，鋼材的阻尼比一般為0.01到0.02之間，由于選取阻尼比越小，計算得到的載荷會越大，而作為保守設計原則，通常會選取0.005[3]。而這個選取是否足夠保守，本文就通過對目前主流風電機組塔架的實測數(shù)據(jù)的分析，給出了幾個機型的實測阻尼比的值。

1 計算方法

由振動理論[4]可得，阻尼比和自由阻尼振動時的振幅衰減有如下關系:

其中：ζ為阻尼比，Ai為第i個周期的振幅。

因此，塔架阻尼比可以通過塔架振動幅度的衰減速率來進行計算，當ζ遠小于1時，（1）式可以簡化為：

2 實測數(shù)據(jù)分析

本文利用風電機組的載荷測試實測數(shù)據(jù)，用式（2）計算了4個機型的塔架阻尼比。

2.1 1號機型：風輪直徑90m，輪轂中心高度85m

如圖1所示，選取30個周期，其塔架振幅由0.2421降為0.1984，可得該塔架的阻尼比為：

2.2 2號機型：風輪直徑92m，輪轂中心高度87m

如圖2所示，選取75個周期，塔架振幅由0.46降為0.27，可得該塔架的阻尼比為：

圖1 1號機型塔架振幅信號時序圖

圖2 2號機型塔架振幅信號時序圖

圖3 3號機型塔架振幅信號時序圖

圖4 4號機型塔架振幅信號時序圖

2.3 3號機型：風輪直徑96m， 輪轂中心高度88m

如圖3所示，選取24個周期，塔架振幅從0.066降為0.048，可得該塔架的阻尼比為：

2.4 4號機型：風輪直徑113m，輪轂中心高度90m

如圖4所示，選取25個周期，塔架振幅從0.056降為0.042，可得該塔架的阻尼比為：

3 總結(jié)

從上述的實測結(jié)果來看，實測的風電機組的塔架阻尼比在0.001－0.003之間，明顯小于高層建筑中鋼材的阻尼比，也要小于通常選取的0.005。這可能與風電機組塔架結(jié)構(gòu)特點有關，通常的高層建筑都有縱橫交錯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這種復雜的蜂窩狀結(jié)構(gòu)會在很大程度上吸收建筑振動時的能量，從而使振動迅速衰減，而風電機組的塔架卻只是一個單獨的桶狀結(jié)構(gòu)。因此，使得這兩種結(jié)構(gòu)的阻尼比相差了一個量級[5]。

按經(jīng)驗的認識，阻尼比越大，越會阻礙振動，會使載荷的結(jié)果變小。因此，從這一點上出發(fā)，目前仿真時選取0.005的塔架阻尼比會使機組的設計可靠性降低，從而對機組的安全性帶來影響，建議在以后的風電機組的仿真計算時降低選取的阻尼比的值，以保證機組的安全性。

[1] 王丹丹 ,等 . 利用 LMS SWT 軟件進行風電機組載荷計算 [J]. 風能 , 2012(12):88-93.

[2] 顧岳飛. 基于有限元分析的風電機組塔架結(jié)構(gòu)正交試驗設計[J]. 風能, 2012(7):78-83.

[3] Bossanyi E A.GH Bladed: Theory Manual[M].2006.

[4] 倪振華 . 振動力學 [M]. 西安 :西安交通大學出版社 , 1986.

[5] 顧岳飛. 基于有限元分析的風電機組塔架結(jié)構(gòu)正交試驗設計[J].風能, 2012(7):78-80.

Analysis of Selection for Tower Damping Ratio in Simulations of Wind Turbine

Cai Jifeng, Wang Dandan, Fu Pengcheng, Huang Yutong
(China General Certi fi cation Center, Beijing 100013, China)

This paper used fi eld data of wind turbine towers to give the values of the damping ratio of some widely used wind turbines. Te measured damping ratio is between 0.001 and 0.003 which is computed according to the decay rate of vibration amplitude, and therefore the damping ratio of 0.005, which is commonly selected for today's simulation design of wind turbine, is too high, and this selection will lead to potential safety hazard.

damping ratio; amplitude decay rate; simulating computation

TM614

A

1674-9219(2013)11-0118-02

2013-10-02。

蔡繼峰（1983-），男，碩士， 主要從事載荷評估和載荷測試數(shù)據(jù)分析工作。