基于多樁鋼構基礎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

基于多樁鋼構基礎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港外灘離岸3km－7km的潮間帶區域，在國內首次采用多樁鋼構架風電機組基礎。為了解整機的振動特性，并為開展監測提供依據，本文采用大型通用有限元軟件，對整機自振特性進行分析。

多樁鋼構架風電機組基礎結構特征類似于海洋石油平臺中的導管架式衛星平臺，其差異在于風電機組基礎結構除承受較大的波浪等水平荷載外，上部空氣動力荷載產生了巨大的彎矩，成為結構受力的控制性因素之一。而更重要的是，為避免發生共振造成風電機組故障、壽命降低甚至出現安全事故，由地基、基礎、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，結構產生隨機的順風向振動、橫風向振動。當風向變化、風力作用點與結構彈性中心不重合時，還將產生空氣動力扭矩，風輪迎風裝置動作，以保證風輪機葉輪總是對準風向。

（二）葉輪旋轉引起的振動

風電機組在運行中，葉輪每轉一周就會有k次振動（k為葉片數目），葉輪轉速為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）機艙內部機械振動

主要是發電機、磁極運動產生的振動，風電機組齒輪箱產生的振動等。其中，風和波浪是海上風電機組結構承受的主要荷載，這些荷載具有明顯的動力特性，海上高聳的風電機組結構體系在這些動力荷載作用下將產生顯著的動力特性，而這些動力效應總是趨向于增加應力數值并損害結構的長期承載能力。因此，風電機組－塔架－基礎－地基系統是一個相互作用高度耦合的動力系統，需采用結構模型進行動力分析，以掌握結構的動力特性和響應。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 恒定/變轉速風電機組允許頻率范圍示意圖

圖1為恒定轉速風電機組及變轉速風電機組的允許頻率范圍示意圖。對于變轉速風電機組，以3葉片為例，其1P與3P頻率之間的區域為風電機組基礎結構設計時需要考慮的整機固有頻率允許范圍，可見，該區域非常狹小，加之設計時還需要根據規范預留5%－10%的安全裕度，則該區域更為狹小，若結構設計的過“柔”，則容易低于該區域下限而產生共振，若設計的過“剛”，則容易高于該區域上限產生共振，加之，處于經濟性考慮，整機固有頻率又不宜超越3P上限，因此對風電機組基礎結構設計提出了較高要求。

模態分析基本原理

一、模態分析基本原理

動力學基本方程可表示為：

其中：[M]、[C]、[K]分別為質量、阻尼、剛度矩陣；分別為節點的加速度、速度、位移向量。

對于模態分析而言，其假定為忽略阻尼的自由振動形式（即[C]=0；F(t)=0）：

對于典型的無阻尼模態分析而言，基本方程的求解實質上是特征值求解問題：

二、模態分析

（一） 有限元模型

1 塔筒

在忽略法蘭連接的情況下，可認為塔筒是變截面殼體。根據其幾何主要受力特性，可采用板單元或殼單元，由于殼單元除了彎曲變形還有中面變形，而且殼體的彎曲內力和中面內力相互聯系、相互影響，但板單元的變形只為彎曲變形，因此，塔筒采用殼單元SHELL181最為合理。由于本塔筒沿高度方向厚度變化多，共11種壁厚參數，在建模時完全按照實際情況進行了建模，如圖2。塔架幾何參數見表1。

2 槳葉、機艙和輪轂

槳葉轉動頻率與固有頻率相差較大，采用傳統的建模方法，不考慮槳葉轉動對塔體的影響，即為停機狀態下的風電塔。將槳葉、機艙與輪轂作為集中質量作用于塔頂，考慮使得質量在塔頂分布均勻，因此將質量平均分散在塔頂的十個節點上，均采用mass21質量單元模擬。

3 風電機組基礎結構

風電機組基礎結構為五樁鋼構架結構，鋼構架部分均按照實際尺寸進行建模，考慮均為連續的殼體結構，采用殼單元SHELL181來模擬，如圖3?；A導管架幾何參數，見表2。

圖2 塔筒模型

圖3 五樁鋼構架結構基礎模型

表1 塔架幾何參數

表2 基礎導管架幾何參數

4 邊界條件設計

為了合理地反映真實的情況，需要根據樁土相互作用的原理來確定泥面以下五樁的嵌固端。考慮樁土相互作用通常有兩種方式：一是考慮地基的非線性變形，在泥面下采用一組彈簧和阻尼器模擬樁土非線性作用，即將泥面一下的樁基用非線性彈簧單元模擬，按地基的P－y曲線給出非線性彈簧的剛度隨側向位移的變化關系，同時用阻尼單元模擬土體的阻尼作用；二是采用假想嵌固點的方法，在泥底面一下一定深度處將平臺樁完全嵌固。

本文按照上述方法二，根據CCS《海上平臺入級與建造規范》（1992）的規定，將圖中的樁按若干倍樁徑取為剛性固定端，來近似考慮土體的特性。且一般有Leq=αD，其中Leq為等效樁長度，D為樁外徑，α為等效系數。淤泥質土取7－8.5、硬粘土去3.5－4.5.考慮到五樁基礎的底部剛度較大，土體屬于淤泥質土，因此取泥面一下嵌固長度為7倍樁徑。圖4為邊界圖。

（二）模態分析

1 振型分析

圖5為前四階振型的俯視圖和正視圖，從圖中可見一階振型和二階振型分別為塔體向兩個方向的彎曲變形，最大位移在塔頂。三階振型和四階振型分別為塔體向兩個方向的兩自由度的變形，最大位移在塔體中部。一階和二階頻率均為0.3265Hz，三階和四階頻率分別為3.355Hz和3.357Hz，約為前兩階頻率的10倍，在實際情況下，三階和四階振型不容易被激發，為規避整機共振，應重點關注一階和二階頻率及振型，監測亦重點結合一階和二階振型曲線來布設監測儀器。此外，前四階振型均在相互垂直的兩個方向，因此在布置傳感器時也應分別考慮兩個不同方向進行布設。

2 固有頻率及后期監測反饋

由于此處有限元計算為停機狀態下的風電塔，雖然固有頻率是只與結構質量、阻尼和剛度有關的量，體現結構自身特性，由于槳葉旋轉過程中存在的軸向慣性力使得槳葉剛度增大，造成頻率增大；但又由于槳葉旋轉與其變形的耦合將導致其剛度的弱化，綜合二者因素，頻率從數值來看基本接近，槳葉的旋轉剛化效應對風力發電塔系統雖有影響，但是影響不大，因此可以將算出的停機階段的固有頻率與實際監測分析獲得的塔體固有頻率進行直接對比，不需要知道塔體處于什么運行階段，這將會簡化之后的工作。

在風電機組基礎實施后，在風電機組基礎平臺以及塔架不同高度設置了傾角計、加速度傳感器以及應變計等，通過監測及剔除“噪聲”后的分析，對其中兩臺風電機組基礎的監測結果如圖6和圖7。

圖4 五樁基礎嵌固端邊界圖

圖5 前四階振型的俯視圖和正視圖

圖6 #1風電機組基礎固有頻率監測及計算

圖7 #2風電機組基礎固有頻率監測及計算

表3 固有頻率計算及監測結果

通過對有限元模擬與實際選取的兩臺典型機位監測結果(表3)進行的對比看，二者非常接近。

考慮到實際工程的頻率監測中“噪聲”處理難度較大，獲取的整機自振頻率值與實際難免存在偏差，而結構模擬存在諸多的邊界條件及簡化處理，因此存在誤差是必然的。經實際工程中計算模擬與監測看，二者差異很小，與選取的“典型”機位有關系，并不完全反應實際的頻率差異，但可以說明的是，模擬與監測的自振頻率總體上在較為接近的水平，整機自振頻率在0.31Hz－0.34Hz的范圍。

結語

本文利用大型有限元軟件ANSYS進行計算，得到塔體固有頻率、振型、變形和應力分布，分析結果可用于結構監測系統的設計，通過后期監測反饋與對比，說明本文所述的模擬方法基本可行、可信，可為類似工程提供參考。

此外，鑒于海上風電場的風電機組支撐結構屬于柔性或半柔性設計，整機自振頻率分析與監測的準確性至關重要，建議在開展監測前做好充分的模擬分析，對于樁式基礎應考慮約束條件的模擬、結構剛度、水動力及土壤阻尼等因素，而在監測時應著重研究各種海洋環境以及風電機組運行造成的“噪聲”影響，科學合理地“剔噪”，以獲得更準確的自振頻率值。

（作者單位：高宏飆、季曉強：江蘇海上龍源風力發電有限公司；姜貞強：華東勘測設計研究院有限公司）