應用固定質量阻尼器的風機塔架風致振動控制研究

蘇毅 任仕凱 施鎬

南京林業大學土木工程學院 210037

引言

塔架是風電機組中的主要支撐結構，它將風力發電機艙與地面連接，為葉輪提供必要的高度，同時還要承受風載、地震荷載以及上部機艙數十噸的重力載荷。隨著風電技術的快速發展，風機的裝機容量逐漸增大，風輪直徑相應增大，因此塔架的高度和結構承載力也需要隨之增大，這對結構的安全性提出了越來越高的要求［1］。

設置振動控制裝置對風力發電高塔進行振動控制，能有效降低風塔的動力響應。但是目前在風機塔架中應用最為廣泛的調諧質量阻尼器［2，3］存在著風電機組內部空間有限，控制裝置安裝不易［4］實現等問題；同時，TMD中的質量單元由于受到空間限制，其擺動或振動位移幅度不能太大，減振效果受到極大制約［5］。此外，TMD作為子結構放置于風機塔架上，也會增加塔架負擔［6］。

本文提出用于塔架減振的固定質量阻尼器（FMD，fixed mass damper），它通過改變塔架與上部結構的連接方式，在機艙與塔架之間設置彈簧和阻尼單元，利用機艙、葉片等上部結構作為質量單元去減小塔架的振動。由于該連接較柔，使原風電機組的基本周期大為延長，顯著地減小了高階振型對結構的影響。這樣的設計使得FMD結構中質量塊的質量遠大于傳統的TMD結構，且無需受到裝設空間的限制，因此可有效地降低塔架與上部結構的荷載效應。

對此，本文以某2MW風力發電機組的塔架為例，建立FMD-塔架結構模型，通過流場數值模擬的方式，分析FMD-塔架結構的減振效果。

1 塔架受控結構

1.1 TMD-塔架結構

風電塔架中應用較多的TMD布置形式為筒壁內支撐和懸吊式，本文分析時采用支撐式的TMD減振裝置，即將TMD結構置于塔架內部靠近塔頂處，底部支撐鋼板通過塔架兩端的法蘭盤螺栓現場連接而成，如圖1所示。

圖1 TMD布置形式Fig.1 TMD arrangement

1.2 FMD-塔架結構

固定質量阻尼器（FMD）是將機艙與塔架通過阻尼器和彈簧連接起來，兩者的連接可以理想化為線性彈簧和黏滯阻尼器并聯，如圖2所示。

圖2 理想化連接模型Fig.2 Model of the idealized connection

FMD-塔架結構如圖3所示，其中頂部機艙作為固定質量坐落于振動控制裝置上。當風電機組發生風致振動時，頂部機艙可在兩層正交的滑臺上滑動，通過黏滯阻尼器耗散振動能量，彈簧則使其復位并改變其振動周期。振動控制裝置使上部機艙與塔筒之間相互制動，且通過雙導軌的設置使結構可在水平兩個方向內自由振動。FMD振動控制裝置之間的構造關系如圖4所示。

圖3 FMD-塔架結構示意Fig.3 FMD-tower tube construction

圖4 FMD振動控制裝置布置Fig.4 FMD vibration control device layout

2 塔架模型及風荷載流場模擬

2.1 風機塔架有限元模型

本文用于分析的風機塔架原型為某2MW風力發電機組塔架。塔架高度為76.865m，重量為164.635t，塔底直徑為4.200m，塔頂直徑為3.005m。由四段塔架組成，各部分塔筒壁厚隨高度均勻漸變。塔筒鋼材為Q345E，彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

利用ABAQUS有限元軟件對塔架建模，塔架上部結構利用一個重88.8t，距離塔筒頂部中心偏心距為1.2m的質量點模擬［7］，分析時主要以質量慣性參與風電機組的振動。質量點與塔筒之間采用剛性約束，兩個結構之間沒有相互作用。塔筒底部全約束，與基礎剛性連接。無控塔架模型如圖5所示。

圖5 無控塔架頂部Fig.5 The top of the uncontrolled tower model

為了驗證固定質量阻尼器（FMD）在風機塔架中的減振效果，本文建立裝置TMD結構的塔架模型，TMD耗能裝置安裝于塔架內部［8］，其質量塊由重5.4t的質量點模擬，如圖6所示。

圖6 塔架頂部TMD結構Fig.6 TMD structure at the top of the tower

在FMD-塔架結構中，上部結構仍用質量點模擬，但不再與塔架剛接，而是采用彈簧單元和阻尼單元連接，如圖7所示。

圖7 FMD-塔架結構Fig.7 FMD-tower structure

2.2 風荷載流場模擬

利用CFD軟件STAR-CCM模擬塔架外部風荷載流場。風機塔架所處風場非常復雜，模擬實際中的風荷載需要考慮眾多因素，計算工作風場復雜。因此，本文只對順風的脈動風場速度進行研究，不考慮實際風況下脈動風的隨機過程。三維實際風場簡化成一維，結合脈動風垂直向的梯度分布，脈動部分簡化為余弦函數分布，脈動周期為運動周期T，參考高度處脈動風幅值5m/s［9，10］。

式中：V（z，t）、Vz0為z、z0高度處的參考風速；vx（z，t）為脈動風速；z、z0為高度。

通過脈動風的函數對脈動風場進行數值模擬［10］，在計算域的入口邊界生成脈動風。通過ABAQUS建立塔架模型，STAR-CCM＋建立風載流場，進行相關設置STAR-CCM＋中啟動耦合進程，計算結束后進行結果保存和分析。

3 塔架流固耦合動力響應分析

本文計算采用隱式耦合，耦合時間步為0.01s，計算時間為100s［11］。模擬考慮額定風速和切出風速兩種風況，即風機輪轂高度處平均風速為11.7m/s和25m/s。

以塔架頂點1和每段塔架頂點2、3、4為觀測點，從位移和加速度這兩動力響應結果分析比較傳統TMD裝置和固定質量阻尼減振技術（FMD）對塔架的減振效果，風電機組塔筒結構的測點布置位置如圖8所示。

圖8 風電機組塔筒結構Fig.8 Wind turbine tower structure

3.1 額定風況

額定風況下塔架測點位移與加速度均值如圖9所示。

由圖9a可知，額定風況下塔架頂部FMD位移響應較TMD有了明顯的改善。在塔架高度方向上FMD位移均值變化比較平緩，曲線無明顯突變，較為連續均勻。由圖9b可知，FMD在塔架頂部加速度增大，但在其他塔段處FMD加速度響應要明顯小于TMD結構。

圖9 額定風況下塔架測點均值Fig.9 Average of tower measuring points under rated wind conditions

表1和表2分別給出了額定風況下三種塔架結構的位移響應均值和加速度響應均值，可知：（1）額定風況下TMD-塔架結構位移平均減振率為32%，而FMD-塔架結構位移平均減振率為45%，故FMD-塔架結構的位移減振效果最好；（2）額定風況下TMD-塔架結構加速度平均減振率為33.4%，而FMD-塔架結構（控制點2、3、4）加速度平均減振率為26.6%，但頂部機艙（控制點1）的加速度增大到1.40倍。由表2可知，塔筒上的2、3、4測點處的加速度響應遠小于無控結構，也比TMD控制下的結構加速度響應小很多。這表明由風致振動引起的塔筒結構設計內力大為減少，FMD起到了較好的減振作用。但頂部機艙的測點1處的加速度則均大于無控結構和TMD減振結構。頂部機艙作為固定質量座落于振動控制裝置上，加速度的增大并未增加其自身內力多少，且采用彈簧和黏滯阻尼器的振動控制連接使其與下部塔架不會同頻振動，即由頂部機艙加速度引起的塔筒附加內力不會顯著增大。此外，根據《高聳結構設計標準》［12］第3.0.11條可知，其加速度不到規范限值0.15g的三分之一。綜上，頂部測點加速度放大引起的負面效果不大。

表1 額定風況位移響應均值（單位：m）Tab.1 Mean displacement response of rated wind regime（unit：m）

表2 額定風況加速度響應均值（單位：m/s2）Tab.2 Mean acceleration response of rated wind conditions（unit：m/s2）

3.2 切出風況

切出風況下塔架測點位移與加速度均值如圖10所示。

圖10 切出風況下塔架測點均值Fig.10 Average of tower measuring points under cutting wind conditions

由圖10a可知，切出風況下塔架頂部FMD位移響應最小。在塔架高度方向上FMD位移均值變化比較平緩，曲線無明顯突變，較為連續均勻。由圖10b可知，FMD在塔架頂部加速度增大，但在其他塔段處FMD加速度響應要明顯小于TMD結構。

表3和表4分別給出了切出風況下三種塔架結構的位移響應均值和加速度響應均值，可知：（1）切出風況下TMD-塔架結構位移平均減振率為38%，而FMD-塔架結構位移平均減振率為54%，故FMD-塔架結構的位移減振效果最好；（2）切出風況下TMD-塔架結構加速度平均減振率為39%，而FMD-塔架結構（控制點2、3、4）加速度平均減振率為35%，但頂部機艙（控制點1）加速度增大到1.25倍。FMD對頂部機艙加速度的增大原因分析與額定風況類似。

表3 切出風況下位移平均響應（單位：m）Tab.3 Displacement average response（unit：m）

表4 切出風況下加速度平均響應（單位：m/s2）Tab.4 Acceleration average response（unit：m/s2）

4 結論

本文針對塔架減振設計出一種應用于風電機組塔架的固定質量阻尼減振裝置，通過流固耦合數值模擬分析，得出以下結論：

1.FMD減振裝置改變了塔架與機艙的連接方式，由于塔頂結構的改變導致了塔頂加速度響應有所增大，但在整個塔架高度方向上位移和加速度響應控制效果明顯。

2.額定風況下FMD結構位移和加速度的減振率分別為45%和26%，TMD結構減振率分別為32%和33%；切出風況下FMD結構位移和加速度的減振率分別為54%和35%，TMD結構減振率分別為38%和39%。可知FMD結構對塔架的風載動力響應控制效果明顯。

3.FMD耗能減振裝置，從構造上避免了傳統TMD結構安裝不易、加重塔體負擔等缺點，對于風機塔架的振動控制具有較好的應用前景。