3MW两叶片海上风电机组整机模态分析

文 | 杨勇，陆道辉，黄冬明

3MW两叶片海上风电机组整机模态分析

文 | 杨勇，陆道辉，黄冬明

风荷载和波浪荷载是风电机组结构所承受的主要荷载，这些载荷具有明显的动力特性，高耸的风电机组结构体系在这些动力载荷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降低结构的长期承载能力。因此需要对风电机组结构进行动力分析，以掌握结构的动力特性和响应。

整机一阶、二阶振动频率尤其重要，因为它直接决定了风电机组的整机动力学行为。如果叶轮激振频率在风电机组自然频率附近，整机就会发生共振。对三叶片风电机组而言，由于叶轮激振频率的一倍频（1P）和三倍频（3P）之间存在非共振区间，三叶片风电机组设计的整机自然频率可以错开叶轮激振频率的一倍频和三倍频，避免共振；而对两叶片风电机组而言，叶轮的激振频率的一倍频和两倍频（2P）区间范围是重叠的，且频率从一倍频到两倍频范围较宽，使得设计的两叶片风电机组整机自然频率，很难避开叶轮激振频率一倍频和两倍频的区间范围。所以为了避免共振引起的结构破坏及疲劳损伤，必须准确地计算出两叶片风电机组的整机自然频率，从而可以通过叶轮转速控制策略，快速通过与整机自然频率相对应的叶轮激振频率。

本文以珠海桂山项目为背景，对3MW两叶片海上风电机组整机（包括导管架基础、塔架、机舱、轮毂及叶片）进行建模，并对整机模型进行模态分析，计算得到整机自然频率，为制定快速通过叶轮共振转速控制策略提供参考数据。

3MW两叶片海上风电机组整机模型

整机建模时，对于导管架基础及塔架，根据图纸进行全尺寸的建模；而对于结构较复杂的机舱、轮毂及叶片，采用质量点矩阵的形式模拟其整体质量分布，简化建模，但其对整机模态分析影响可以忽略。

一、导管架基础及塔筒模型

导管架基础及塔筒建模时，根据项目图纸，真实还原了导管架基础和塔筒结构尺寸以及材料属性，导管架采用梁单元建模时考虑了管节点位置处支撑杆件的偏移间隙等，塔筒采用分段建模的方式。为了考虑塔筒内部布置的柜体电缆等附件对整体质量分布的影响，本文通过改变塔筒材料密度的方式来实现，即将塔筒密度由原来的7.85 t/m3改成8.2425t/m3。

导管架基础由三部分组成：主体支撑结构、平台梁结构及过渡段结构，如图1所示。

塔筒分段建模模型如图2所示。

二、风电机组部件模型

风电机组部件参数，如下表1所示。

风电机组部件根据表1提供的质量参数，以质量点的形式进行建模，具体模型如下图3所示。

三、弹簧单元边界条件

对于海上风电机组，导管架基础是通过基础桩沉入海床面以下的土壤，来支撑整个风电机组结构载荷的。而为了考虑桩土相互作用对整机模态分析的影响，本文将海上风电机组的基础桩在泥面处的刚度矩阵作为导管架基础的边界条件，并且采用弹簧单元来模拟刚度矩阵。具体的建模方式，如图4所示，而弹簧单元刚度矩阵的数值，如表2所示。

表1 风电机组部件重量重心及转动惯量参数

表2 弹簧单元刚度矩阵

整机模态分析

本文以有限元方法对珠海桂山项目3MW两叶片海上风电机组及基础结构整体系统，即叶片+轮毂+机舱+塔架+基础+地基系统进行了模态计算分析，得到风电机组整体系统的前10阶模态，如表3所示。

同时给出对叶轮转速控制策略起重要作用的一阶、二阶振型，如图5、图6所示。

本文采用的3MW两叶片海上风电机组叶轮的最小转速为5.54rpm、最大转速为17.8rpm，即切入转速与切出转速，也就是叶轮激振频率一倍频范围为0.092Hz－0.297Hz。由于风电机组为两叶片机型，故同时需要考虑叶轮激振频率两倍频范围：0.185Hz－0.593Hz。综上可以看出0.092Hz－0.593Hz是风电机组叶轮的激振频率范围，所以计算所得的整机自然频率的一阶频率0.415 Hz和二阶频率0.435 Hz都是潜在的共振频率。基于本文的计算结果，可以确定叶轮转速控制策略需要考虑的叶轮转速范围，以便快速通过，避免共振。

表3 模态计算结果

结论

两叶片结构型式激振频率一倍频和两倍频重叠，使得整机固有频率避开激振频率难度较大，故必须准确计算出整机固有频率，为控制策略编写避开整机固有频率，提供准确的依据。而对于海上风电机组，由于Bladed软件无法完整的还原海上基础结构，即Bladed软件只能建立简单的梁单元结构，对海上风电机组导管架基础进行等效建模，如图7所示，所以采用海工专业软件计算海上风电机组的整机模态十分必要。

（作者单位：杨勇，陆道辉，黄冬明：广东明阳风电产业集团有限公司；黄冬明：华南理工大学机械与汽车工程学院）