风电机组涡激振动的原因及抑制研究

娄源元

(国能思达科技有限公司,北京 100000)

0 引言

随着我国风力发电技术的发展,风机大型化已成必然趋势,体现在大功率、高塔筒、长叶片三个方向。风机大型化塔筒高度增加,叶轮达到风速更高的区域,大叶片增大捕风效率,发电效能显著提升,但是当塔高超过100 m后,按照传统的钢塔设计和制造工艺,重量会成指数增加,风速提升的电量已不足以弥补塔筒增高的成本[1]。

通过技术的发展,目前塔筒增高主要有两种方式:第一种为混塔,使用混凝土替代一部分钢材,基础部分及下段为混凝土,上部分为钢制塔段;第二种为自振频率较低的柔塔。柔塔具有自重轻、建造成本低的特点,塔筒高度高,柔塔经济效益好,但柔塔需要克服共振与涡激的影响。

1 塔筒涡激振动原理

涡激振动即流体流经非流线型物体时,在物体两侧产生交替脱落其表面的旋涡,旋涡在物体表面产生的脉动压力与物体的弹性形变发生耦合振动,从而产生涡激振动。对于风电机组的涡激振动而言,风流经圆柱形塔筒,流动从层流变到湍流,随着雷诺系数的增加,风在塔筒表面出现旋涡脱落,形成旋涡,旋涡在塔筒的两侧产生周期性的涡激载荷。涡激载荷引起塔筒发生额外的应力和形变,在塔筒上产生周期性的振动响应,即塔筒涡激振动。

在风力发电研究中将塔筒涡激振动问题简化为流体圆柱绕流问题。雷诺数Re是无量纲常数,表示流体所受到的惯性力与粘性力之比。在圆柱体绕流问题中,圆柱体后的脱涡频率和尾流情况与雷诺数有关,是影响涡激振动的主要因素之一[2]。

(1)

式中:V—流体速度,m/s;D—圆柱直径,m;μ—流体粘滞系数,kg/m·s;ρ—流体密度,kg/m3;d—特征长度,m。

不同雷诺数下流体尾流形态如图1所示:

当Re<5时,外层流速低,流体沿着圆柱体前缘减速产生的压力不大,没有旋涡产生;

当5

当40

当150

当300

当3×105

当Re>3.5×106时,在圆柱后流体形成湍流涡街[3]。

旋涡每脱落一次,压力分布相应地变化一次,圆柱体便承受着交变力。旋涡脱落的频率fs由式(2)给出。若圆柱体在流体中的自振频率f与fs吻合,圆柱体将产生剧烈的共振现象。因此圆柱体发生涡激共振的条件是风速等于临界风速[4]。

(2)

当fs=f时,

(3)

式中:V—流体速度,m/s;D—圆柱的直径,m;St—斯特鲁哈数,无量纲系数。St与Re有关,亚临界状态下约为0.2,过临界状态下约为 0.3。vcrit—涡激振动发生的临界风速。

当流经塔筒的风速到达一定时,风速变化将不再影响涡街脱落频率,此时涡街脱落频率固定在塔筒固有频率上,便发生了涡激振动的“锁定”现象。若风速为临界风速,并发生了“锁定”现象,塔筒便会在涡激振动的影响下产生共振,在垂直于来风方向上引起塔筒顶部横向大幅度振动,将会造成塔筒结构较大的疲劳损伤,导致塔筒断裂、倒塌,因此控制塔筒的涡激振动对于机组的稳定性是非常必要的。

2 减小涡激振动的措施

从涡激振动的理论出发,可以采用以下方法减小涡激振动。

2.1 增大约化阻尼

约化阻尼的表达式:

(4)

式中:me—单位长度等效质量;ε—结构在流体中的阻尼率;ρ—流体密度。

从式(4)可以看出,增大质量或结构阻尼则可减小振幅,可采用阻尼率较大的材料,阻尼大的结构,或者加装阻尼器等方式减小涡激振动。

2.2 提高结构固有频率

考虑流体约化速度对涡激振动频率的影响,可采用提高固有频率的方式,避免共振情况发生。吊装过程中,使用缆风绳辅助固定塔筒,或在塔筒上安装扰流条,破坏规律性泄涡,抑制涡激振动。另外在塔筒上安装稳索、斜撑等来提高结构的固有频率。通过加装摆锤、水箱、调谐质量阻尼器等方式对塔筒进行加阻,抑制涡激振动。

2.3 独立变桨技术

为了消除涡激振动,避开共振区,降低切变及湍流载荷,支持大功率、大叶轮,风机厂家开始研究独立变桨技术,独立变桨控制(Individual pitch control,简称“IPC”):是指根据各个叶片的实际所受载荷,发出不同的变桨指令调节桨距角的变化,使每支桨叶处于不同的目标位置[5],降低叶轮不均衡疲劳载荷,调节叶轮转速从而控制发电机组功率的输出。

独立变桨技术有效减小了叶片根部和主轴所受到的疲劳载荷,通过独立变桨机组和协同变桨机组部件载荷分析比较,独立变桨机组部件所受载荷的平均值虽然没有太大变化,但风机结构的各项振动加速度幅值均有较大程度下降,从而提高了设备的稳定性,延长了设备的使用寿命。

涡激振动在未偏航对风的情况下,机舱侧对风向时尤其严重,风机正常运行时无风险,机组自动偏航对风,塔筒振动方向叶片启动阻尼大,从而抑制塔筒涡激振动。在机组未上电或电网断电期时,通过机组UPS电源,利用变桨技术进入抗涡模式,独立变桨系统调节叶片角度,从而增加整机各个方向启动阻尼,抑制塔筒振动,降低涡激振动发生概率。

3 故障实列分析

山东德州某风电项目,塔筒采用反向平衡法兰,塔筒高度100 m,使用锚栓工艺安装,2019年11月份20号机组安装完成,11月28日该机组塔筒发生晃动,由轮毂-机舱方向前后晃动,晃动幅度目测超过1 m,与邻近机位主吊100 m位置获得风速为6 m/s,风机三支桨叶均在89度位置,叶轮位置侧对风向,叶轮旋转缓慢。2019年12月4日风速在4.9 m/s左右,20号风机再次出现晃动情况。

原因分析:

1)基础施工质量问题,导致基础倾覆刚度偏低,风轮推力作用下导致塔筒晃动;

2)塔筒螺栓预紧力不够,导致塔筒弯曲刚度偏低,风轮推力作用下导致塔筒晃动;

经检查基础报告、基础沉降测试结果,校核塔筒、螺栓力矩,已排除上述两条原因。

3)塔筒发生了涡激振动,当风吹过塔筒时,塔筒受到不对称脱涡效应的侧向力,引起塔筒垂直于风向的横向振动,从而发生涡激振动。涡激振动有两个必要条件,一是有持续稳定的脱涡效应,二是旋涡的脱落频率接近塔筒的固有频率。涡激振动是风电机组塔筒设计过程的一部分,根据EN1991-1-4标准核算该机组装上机头之后塔筒一阶固有频率为

0.252 Hz,与5 m/s风速条件下旋涡脱落频率吻合,会使塔筒产生侧向(垂直于风向)变形。

该台风机侧向来风风速,接近塔筒涡激振动的耦合风速,诱发了涡激振动。为消除涡激振动,对该台机组安装了叶片载荷监控系统,在叶根前缘和后缘位置距离叶片法兰面约1 m处,安装传感器,每支叶片安装4个应变传感器和4个温度补偿传感器。温度传感器对测量点的应变传感器进行温度补偿。载荷监测系统通过传感器的波长变化可计算出叶根的载荷,然后通过Coleman坐标变换的方法将3支叶片的载荷情况,转换成倾覆信号和偏航信号,再经系统计算得到每支桨叶的位置值。该台机组通过硬件安装和主控、变桨程序更新,进入抗涡模式,桨叶一变桨至92°,桨叶二变桨至89°,桨叶三变桨至0,振动消除。

4 结论

随着低风速风电开发的持续深入,风电机组大型化的发展,柔塔将迎来更为广阔的应用前景。在增加塔架高度的同时,还需要通过机组控制策略、安装等技术手段来解决塔架增高带来的挑战。通过独立变桨控制技术对叶片进行单独变桨的能力改善了风机的性能,提高了年发电量,减少了叶片和叶根承受的载荷,有效抑制涡激振动发生的概率。独立变桨技术将成为风电机组变桨控制的主要方式。