基于多桩钢构基础的海上风电机组整机自振特性分析

文 | 高宏飙，季晓强，姜贞强

基于多桩钢构基础的海上风电机组整机自振特性分析

文 | 高宏飙，季晓强，姜贞强

江苏如东150MW海上风电场示范项目位于江苏省如东环港外滩离岸3km－7km的潮间带区域，在国内首次采用多桩钢构架风电机组基础。为了解整机的振动特性，并为开展监测提供依据，本文采用大型通用有限元软件，对整机自振特性进行分析。

多桩钢构架风电机组基础结构特征类似于海洋石油平台中的导管架式卫星平台，其差异在于风电机组基础结构除承受较大的波浪等水平荷载外，上部空气动力荷载产生了巨大的弯矩，成为结构受力的控制性因素之一。而更重要的是，为避免发生共振造成风电机组故障、寿命降低甚至出现安全事故，由地基、基础、塔架、上部机组等各部分组成的整体自振频率必须满足风电机组厂家给出的频率范围要求。

海上风电机组频率要求

海上风电机组振动的主要因素有：

（一）风速、风向变化引起的塔架振动

风荷载包括平均风和脉动风两部分。平均风在给定时间内风力大小、方向等不随时间变化，相当于静力作用。脉动风则随时间随机变化，结构产生随机的顺风向振动、横风向振动。当风向变化、风力作用点与结构弹性中心不重合时，还将产生空气动力扭矩，风轮迎风装置动作，以保证风轮机叶轮总是对准风向。

（二）叶轮旋转引起的振动

风电机组在运行中，叶轮每转一周就会有k次振动（k为叶片数目），叶轮转速为n r/min，则每分钟就会有kn次振动。已有研究表明，塔架固有频率f＜kn的称为“硬塔”，“硬塔”造价较高；塔架固有频率n＜f＜kn的称为“软塔”；塔架固有频率f＜n的称为“甚软塔”。海上风电机组一般均为上述的“软塔”。

（三）机舱内部机械振动

主要是发电机、磁极运动产生的振动，风电机组齿轮箱产生的振动等。其中，风和波浪是海上风电机组结构承受的主要荷载，这些荷载具有明显的动力特性，海上高耸的风电机组结构体系在这些动力荷载作用下将产生显著的动力特性，而这些动力效应总是趋向于增加应力数值并损害结构的长期承载能力。因此，风电机组－塔架－基础－地基系统是一个相互作用高度耦合的动力系统，需采用结构模型进行动力分析，以掌握结构的动力特性和响应。在整机频率分析时，需要分析塔筒振动问题、叶片振动问题、整机振动问题等，其中塔筒振动及叶片振动主要是在塔筒及叶片设计及安全校核时采用，而整机频率校核则影响到整机运行安全及寿命。

图1 恒定/变转速风电机组允许频率范围示意图

图1为恒定转速风电机组及变转速风电机组的允许频率范围示意图。对于变转速风电机组，以3叶片为例，其1P与3P频率之间的区域为风电机组基础结构设计时需要考虑的整机固有频率允许范围，可见，该区域非常狭小，加之设计时还需要根据规范预留5%－10%的安全裕度，则该区域更为狭小，若结构设计的过“柔”，则容易低于该区域下限而产生共振，若设计的过“刚”，则容易高于该区域上限产生共振，加之，处于经济性考虑，整机固有频率又不宜超越3P上限，因此对风电机组基础结构设计提出了较高要求。

模态分析基本原理

一、模态分析基本原理

动力学基本方程可表示为：

其中：[M]、[C]、[K]分别为质量、阻尼、刚度矩阵；分别为节点的加速度、速度、位移向量。

对于模态分析而言，其假定为忽略阻尼的自由振动形式（即[C]=0；F(t)=0）：

对于典型的无阻尼模态分析而言，基本方程的求解实质上是特征值求解问题：

二、模态分析

（一） 有限元模型

1 塔筒

在忽略法兰连接的情况下，可认为塔筒是变截面壳体。根据其几何主要受力特性，可采用板单元或壳单元，由于壳单元除了弯曲变形还有中面变形，而且壳体的弯曲内力和中面内力相互联系、相互影响，但板单元的变形只为弯曲变形，因此，塔筒采用壳单元SHELL181最为合理。由于本塔筒沿高度方向厚度变化多，共11种壁厚参数，在建模时完全按照实际情况进行了建模，如图2。塔架几何参数见表1。

2 桨叶、机舱和轮毂

桨叶转动频率与固有频率相差较大，采用传统的建模方法，不考虑桨叶转动对塔体的影响，即为停机状态下的风电塔。将桨叶、机舱与轮毂作为集中质量作用于塔顶，考虑使得质量在塔顶分布均匀，因此将质量平均分散在塔顶的十个节点上，均采用mass21质量单元模拟。

3 风电机组基础结构

风电机组基础结构为五桩钢构架结构，钢构架部分均按照实际尺寸进行建模，考虑均为连续的壳体结构，采用壳单元SHELL181来模拟，如图3。基础导管架几何参数，见表2。

图2 塔筒模型

图3 五桩钢构架结构基础模型

表1 塔架几何参数

表2 基础导管架几何参数

4 边界条件设计

为了合理地反映真实的情况，需要根据桩土相互作用的原理来确定泥面以下五桩的嵌固端。考虑桩土相互作用通常有两种方式：一是考虑地基的非线性变形，在泥面下采用一组弹簧和阻尼器模拟桩土非线性作用，即将泥面一下的桩基用非线性弹簧单元模拟，按地基的P－y曲线给出非线性弹簧的刚度随侧向位移的变化关系，同时用阻尼单元模拟土体的阻尼作用；二是采用假想嵌固点的方法，在泥底面一下一定深度处将平台桩完全嵌固。

本文按照上述方法二，根据CCS《海上平台入级与建造规范》（1992）的规定，将图中的桩按若干倍桩径取为刚性固定端，来近似考虑土体的特性。且一般有Leq=αD，其中Leq为等效桩长度，D为桩外径，α为等效系数。淤泥质土取7－8.5、硬粘土去3.5－4.5.考虑到五桩基础的底部刚度较大，土体属于淤泥质土，因此取泥面一下嵌固长度为7倍桩径。图4为边界图。

（二）模态分析

1 振型分析

图5为前四阶振型的俯视图和正视图，从图中可见一阶振型和二阶振型分别为塔体向两个方向的弯曲变形，最大位移在塔顶。三阶振型和四阶振型分别为塔体向两个方向的两自由度的变形，最大位移在塔体中部。一阶和二阶频率均为0.3265Hz，三阶和四阶频率分别为3.355Hz和3.357Hz，约为前两阶频率的10倍，在实际情况下，三阶和四阶振型不容易被激发，为规避整机共振，应重点关注一阶和二阶频率及振型，监测亦重点结合一阶和二阶振型曲线来布设监测仪器。此外，前四阶振型均在相互垂直的两个方向，因此在布置传感器时也应分别考虑两个不同方向进行布设。

2 固有频率及后期监测反馈

由于此处有限元计算为停机状态下的风电塔，虽然固有频率是只与结构质量、阻尼和刚度有关的量，体现结构自身特性，由于桨叶旋转过程中存在的轴向惯性力使得桨叶刚度增大，造成频率增大；但又由于桨叶旋转与其变形的耦合将导致其刚度的弱化，综合二者因素，频率从数值来看基本接近，桨叶的旋转刚化效应对风力发电塔系统虽有影响，但是影响不大，因此可以将算出的停机阶段的固有频率与实际监测分析获得的塔体固有频率进行直接对比，不需要知道塔体处于什么运行阶段，这将会简化之后的工作。

在风电机组基础实施后，在风电机组基础平台以及塔架不同高度设置了倾角计、加速度传感器以及应变计等，通过监测及剔除“噪声”后的分析，对其中两台风电机组基础的监测结果如图6和图7。

图4 五桩基础嵌固端边界图

图5 前四阶振型的俯视图和正视图

图6 #1风电机组基础固有频率监测及计算

图7 #2风电机组基础固有频率监测及计算

表3 固有频率计算及监测结果

通过对有限元模拟与实际选取的两台典型机位监测结果(表3)进行的对比看，二者非常接近。

考虑到实际工程的频率监测中“噪声”处理难度较大，获取的整机自振频率值与实际难免存在偏差，而结构模拟存在诸多的边界条件及简化处理，因此存在误差是必然的。经实际工程中计算模拟与监测看，二者差异很小，与选取的“典型”机位有关系，并不完全反应实际的频率差异，但可以说明的是，模拟与监测的自振频率总体上在较为接近的水平，整机自振频率在0.31Hz－0.34Hz的范围。

结语

本文利用大型有限元软件ANSYS进行计算，得到塔体固有频率、振型、变形和应力分布，分析结果可用于结构监测系统的设计，通过后期监测反馈与对比，说明本文所述的模拟方法基本可行、可信，可为类似工程提供参考。

此外，鉴于海上风电场的风电机组支撑结构属于柔性或半柔性设计，整机自振频率分析与监测的准确性至关重要，建议在开展监测前做好充分的模拟分析，对于桩式基础应考虑约束条件的模拟、结构刚度、水动力及土壤阻尼等因素，而在监测时应着重研究各种海洋环境以及风电机组运行造成的“噪声”影响，科学合理地“剔噪”，以获得更准确的自振频率值。

（作者单位：高宏飙、季晓强：江苏海上龙源风力发电有限公司；姜贞强：华东勘测设计研究院有限公司）