考慮土-結相互作用的風力發電結構脈動風場模擬

大型風力發電結構抗風設計方法大型風力發電屬于典型的風敏感結構。它的特點是，葉片、傳動鏈和蒸汽機位于塔架頂部，形成了一個風能機塔架-葉片耦合系統。由于該系統結構具有復雜的風場、小的干擾、低自擾頻率和密集分布等特點，因此風負荷往往是其結構設計的主要控制負荷之一。針對大型風力發電結構(塔架和葉片)的抗風研究鑒于此,以南京航空航天大學自主研發的某5MW大型風力發電結構為例,建立考慮離心力的“葉片-機艙-塔架-基礎”一體化有限元模型,并通過在基礎和土體交界面上設置質量彈簧和阻尼器來考慮SSI效應,分析風力發電結構在基礎固支和考慮SSI效應時的動力特性;再基于諧波疊加法和改進的葉素-動量理論,進行考慮旋轉和相干效應的風力發電結構脈動風場模擬;最后結合作者已提出的風振精細化分析方法“一致耦合法”來進行考慮SSI效應的大型風力發電結構風致動力響應分析。1基于sdi的風力機基礎結構模型本文基于某5MW三槳葉大型風力發電結構。塔高124m,底徑4.8m,頂徑2.6m,塔體通長為變厚度結構,底壁厚40mm,頂壁厚15mm,通長厚度由底部至頂部呈線性減小趨勢。機艙長12m,寬4.6m,高4.2m,總質量140.2×10基于ANSYS軟件平臺,建立了風力發電結構的“葉片-機艙-塔體-基礎”一體化有限元模型。其中葉片和塔體采用SHELL91單元,機艙及其內部結構可作為整體采用梁單元BEAM189模擬。通過多點約束單元耦合命令將各部分連接在一起,形成整體的風力發電機組系統。模態分析時把葉片旋轉產生的離心力作為預應力預先施加在葉片上,計算的頻率和模態信息均考慮葉片轉動帶來的離心力效應。基礎采用圓形筏基基礎。單元類型為SOLID65,尺寸為直徑10m,高度1.8m。COMBIN14彈簧單元可以描述一維、二維及三維軸向和扭轉變形,定義彈簧剛度系數K,阻尼系數C。能較為理想地模擬土體與基礎之間彈性模型。故對于土體與基礎相互作用方面,采用COMBIN14彈簧單元模擬土彈簧。基礎土彈簧力學模型及有限元模擬細節見圖1。其中地基土體材料參數定義為:密度為1900kg/m表2給出了基礎固支和考慮SSI效應下風力發電系統結構自振頻率對比,結合圖2給出了考慮SSI效應的塔輪系統典型的模態振型。可以發現風力發電系統結構的基頻較低,并且當考慮SSI效應時相應的自振頻率均比基礎固支時要小,前者的基頻僅為后者的70%。系統結構的第1階模態振型以塔架的前后移動為主,伴隨著葉片的前后舞動,第5階是葉片的前后舞動和塔架的彎曲變形耦合,第10階是塔架的軸向和彎曲變形耦合,第30階是葉片舞動/擺振和塔架的彎曲變形耦合。再考慮到葉片的旋轉會帶來系統整個風場的變化,這就要求系統風振動力計算時要考慮葉片和塔架的耦合作用。而國內外風力發電機組相關設計規范中塔架抗風設計時均不考慮葉片舞動/擺振影響的做法值得商榷。2大型塔輪風場對塔輪系統的脈動影響風力發電結構脈動風場由兩部分構成:塔架脈動風場和葉片脈動風場。圖3簡要地給出風場特性圖,可以看出在風機運營時葉片和塔架的風場相互影響,尤其是處于上風向的葉片對塔架的影響更為顯著;而葉片本身的風場受到自身旋轉效應和氣彈效應影響相比塔架來說要更加明顯。由于塔架為倒錐形結構,各方向的剛度相同,而葉片又始終處于迎風面,導致側向脈動風場和垂直向脈動風場對于塔輪系統影響較小,可忽略其脈動影響。順風向脈動風場能量是葉片和塔架主要承受的載荷,因此本節只進行葉片和塔架的順風向脈動風速時程的數值模擬。2.1風譜密度函數塔架和葉片的來流風速時程均采用諧波疊加法模擬式中:C風譜模型采用改進的Vonkarman模型,因為相比Davenport模型和Kaimal模型,改進的Vonkarman風譜模型能夠產生隨機風的縱向、橫向和垂直向三維分量,校正了基本模型在高度150m以下的缺陷,更加符合風力機自身風場特性。圖4給出了三種風譜模型曲線,對比發現在低頻區,三種風頻譜差異較大,在峰值附近區域,Kaimal和Vonkarman頻譜分別要低于和高于改進Vonkarman頻譜;而在高頻區域,Kaimal和Vonkarman頻譜幾乎重合,但是改進Vonkarman頻譜會略高于另外兩個頻譜幅值,因此,風譜函數的選用直接影響到風力機風場模擬的精度。根據風力機風場的自身特性,本文采用改進的Vonkarman風譜模型:式中:S定義風機上n個風速模擬節點,假定均為零均值的平穩高斯過程,其風譜密度函數矩陣為:式中:S其中葉片只需考慮旋轉平面內的各點間的相干性,葉片和塔架之間需要還需要考慮順風向的相干性影響。再將S(ω)進行Cholesky分解,此時風力發電塔架上的任何一個節點脈動風速時程可以由其功率譜決定,根據Shinozuka理論模擬的風速時程可以表達為:其中,風譜在頻率范圍內劃分成N個相同部分;Δω=ω/N為頻率增量;|H2.2脈動風速計算方法與塔架風場不同的是,葉片的風場模擬需要考慮葉片自身的旋轉效應以及塔架-葉片的相干效應。目前解決葉片氣動性能有三種方法根據BEM理論,葉片上的相對風速VV式中:B為葉片數;L為指升力;ф為入流角;ρ為空氣密度;r為葉片截面的展向位置;n為推力方向的單位向量;F為普朗特葉尖損失因子;f根據下式計算葉片攻角α式中:β為槳矩角;θ通過葉片翼型插值方法,可以得到升力系數C這樣得到葉片的法向載荷F綜上所述,基于式(5)采用Matlab程序模擬葉片的來流風速時程,再采用式(7)計算每個風速時程樣本對應的誘導速度,如此循環計算最終獲得葉片上的脈動風速時程。同時也可以計算得到葉片的升力系數和阻力系數,以及受到的法向載荷和切向載荷分布。2.3脈動風速模型基于上述的風場模擬方法,采用Matlab語言編制相應的數值模擬程序。在計算過程中脈動風上限頻率取為2π,脈動風頻率分割點數取為2048,頻率增量Δω=0.00307Hz,取當地10m高平均風速為24m/s。來流脈動風速譜和相干函數均取Davenport模型。限于篇幅,圖5和圖6分別給出葉片和塔架中部兩點的順風向脈動風速時程和功率譜曲線圖。其中坐標采用對數坐標,目標譜為Davenport風譜。從圖中可以看出,葉片的脈動風速功率譜曲線在高頻處存在較大的能量和脈動特性,主要是由葉片的旋轉和相干效應引起的高頻能量浮動,在風力發電機組的風振動力分析中應引起重視;塔架中部的脈動風速模擬曲線和目標譜吻合較好,但在高頻處由于受到葉片相干性的影響數值有微小波動。因此根據本文模擬過程和對比分析可以認為,采用本文方法可以很好地模擬考慮葉片和塔架相干效應、以及葉片自身旋轉和相干效應的脈動風速時程。為后續的風振動力響應提供輸入參數。3風振系數和陣風影響采用作者于2011年提出的完全考慮結構背景、共振及背景和共振模態之間交叉項的一致耦合方法來計算大型風力發電結構風振響應,可以很好地考慮葉片和塔架之間的耦合模態、以及系統各共振模態之間的耦合效應。限于篇幅,該方法不再詳細介紹,具體推理及驗證過程可詳見文獻[14]。圖7給出考慮SSI效應的葉片尖部和塔頂風致位移響應功率譜密度函數曲線。可以看出,風力發電結構的風振響應由背景和共振分量兩部分組成,且共振響應占據主導地位;與一般高聳結構風振激勵特性不同的是,風力機系統存在多振型共振響應現象,例如葉片位移響應的功率譜曲線顯示第1階和第8階模態激發共振效應;而塔頂風致共振效應主要由第3、8和14階模態激發,其中第8階模態貢獻能量最大,其對應振型是由葉片的左右擺振和塔體的彎曲變形耦合構成,且共振效應的截止模態約在4Hz左右。分析表明風力發電塔的風振動力響應分析需要考慮葉片和塔架的耦合振型,而傳統的把葉片和機艙作為質量塊施加在塔頂進行風振動力分析的做法值得商榷。為深入分析考慮SSI效應系統結構風振響應背景、共振分量及其耦合項的作用機理,圖8給出典型目標脈動響應各分量的數值對比圖。橫坐標分別為四個目標響應,縱坐標表示各分量響應數值,背景和共振分量均為正值,而耦合分量數值則正負都有,負值表示當忽略該耦合項時高估其數值大小,正值則相反。可以發現,風力發電結構風振響應的背景和共振分量在不同目標響應中所占比例不同,其中葉片和塔架頂部風振響應中共振分量均占據明顯主導地位,背景和耦合分量在同一數量級;而塔體中部軸力和基底彎矩響應中的背景和共振分量數值相當,并且耦合項的影響明顯要小很多。圖9~圖11給出了風力機系統典型節點在基礎固支和考慮SSI效應兩種工況下的風致平均、脈動和總位移響應。其中橫坐標節點編號1-6分別對應3個葉片的尖部、輪轂中心、塔架頂部和中部6個目標響應。可以發現,考慮SSI效應減小了葉片尖部的風致平均響應,但增加了輪轂、塔頂和塔架中部節點的平均響應,說明考慮SSI效應對于平均響應來說可能會存在有利的結果;考慮SSI效應均增大了系統葉片和塔架的脈動風致響應,其中葉片部位的增大幅度相對塔架來說要明顯。綜合總的風致響應來看,考慮SSI效應后其數值均比基礎固支時要增大,其中塔頂增幅達到1.36倍。風振系數是風力發電結構抗風設計的關鍵參數,是工程設計人員最容易理解和應用的設計思路。現有關于風力機塔架風振系數的研究成果均是不考慮葉片/塔架的耦合作用和SSI效應,圖12給出了上述6個目標響應在基礎固支和考慮SSI效應下的風振系數對比曲線。對比發現:(1)不論是否考慮SSI效應,風力發電系統的風振系數在不同部位的取值浮動較大,葉片系統的風振系數明顯要大于塔架結構,而且三個葉片的風振系數數值也有差別,建議風力發電結構抗風設計時應該分區取值;(2)考慮SSI效應后,葉片系統的風振系數明顯增大,而對塔架結構的風振系數影響不大,其中塔頂部位的風振系數略微減小,相比基礎固支情況下塔架中部的風振系數變大。這是由于考慮SSI效應同時增大了塔架的平均響應和脈動響應,且兩者增幅相當,這樣盡管總風振響應明顯增大,但對塔架風振系數的影響較小。表3給出了考慮和不考慮SSI效應下風力發電結構典型部位風致平均、脈動和極值響應的對比數值。對比發現考慮SSI效應會不同程度的降低風力發電結構主要部位風致平均響應,同時會增大脈動響應根方差,考慮到極值響應計算時會采用峰值因子來放大脈動響應根方差的數值,因此考慮SSI效應后均使得風力發電結構典型部位的極值響應增大,特別是對于葉片動態響應極值的增大效果最為明顯。4考慮ssi效應的風振模擬本文主要工作是建立考慮SSI效應和葉片離心力的風力發電結構整體有限元模型,提出基于諧波疊加法和改進的葉素動量理論方法來模擬考慮葉片自身旋轉和相干效應、葉片-塔架相干效應的風力發電結構脈動風場,并在此基礎上進行風力機系統結構風致動力響應分析。主要研究結論如下:(1)考慮SSI效應的風力發電結構自振頻率要小于基礎固支下的自振頻率,且系統的振型大多是葉片的舞動/擺振和塔架的變形相耦合,表明風力機系統風振分析時要采用塔架-葉片的耦合模型。(2)基于諧波疊加法和改進的葉素-動量理論可以有效地模擬考慮旋轉和相干效應的風力發電系統結構脈動風場,模擬結果表明葉