应用固定质量阻尼器的风机塔架风致振动控制研究

苏毅 任仕凯 施镐

南京林业大学土木工程学院 210037

引言

塔架是风电机组中的主要支撑结构，它将风力发电机舱与地面连接，为叶轮提供必要的高度，同时还要承受风载、地震荷载以及上部机舱数十吨的重力载荷。随着风电技术的快速发展，风机的装机容量逐渐增大，风轮直径相应增大，因此塔架的高度和结构承载力也需要随之增大，这对结构的安全性提出了越来越高的要求［1］。

设置振动控制装置对风力发电高塔进行振动控制，能有效降低风塔的动力响应。但是目前在风机塔架中应用最为广泛的调谐质量阻尼器［2，3］存在着风电机组内部空间有限，控制装置安装不易［4］实现等问题；同时，TMD中的质量单元由于受到空间限制，其摆动或振动位移幅度不能太大，减振效果受到极大制约［5］。此外，TMD作为子结构放置于风机塔架上，也会增加塔架负担［6］。

本文提出用于塔架减振的固定质量阻尼器（FMD，fixed mass damper），它通过改变塔架与上部结构的连接方式，在机舱与塔架之间设置弹簧和阻尼单元，利用机舱、叶片等上部结构作为质量单元去减小塔架的振动。由于该连接较柔，使原风电机组的基本周期大为延长，显著地减小了高阶振型对结构的影响。这样的设计使得FMD结构中质量块的质量远大于传统的TMD结构，且无需受到装设空间的限制，因此可有效地降低塔架与上部结构的荷载效应。

对此，本文以某2MW风力发电机组的塔架为例，建立FMD-塔架结构模型，通过流场数值模拟的方式，分析FMD-塔架结构的减振效果。

1 塔架受控结构

1.1 TMD-塔架结构

风电塔架中应用较多的TMD布置形式为筒壁内支撑和悬吊式，本文分析时采用支撑式的TMD减振装置，即将TMD结构置于塔架内部靠近塔顶处，底部支撑钢板通过塔架两端的法兰盘螺栓现场连接而成，如图1所示。

图1 TMD布置形式Fig.1 TMD arrangement

1.2 FMD-塔架结构

固定质量阻尼器（FMD）是将机舱与塔架通过阻尼器和弹簧连接起来，两者的连接可以理想化为线性弹簧和黏滞阻尼器并联，如图2所示。

图2 理想化连接模型Fig.2 Model of the idealized connection

FMD-塔架结构如图3所示，其中顶部机舱作为固定质量坐落于振动控制装置上。当风电机组发生风致振动时，顶部机舱可在两层正交的滑台上滑动，通过黏滞阻尼器耗散振动能量，弹簧则使其复位并改变其振动周期。振动控制装置使上部机舱与塔筒之间相互制动，且通过双导轨的设置使结构可在水平两个方向内自由振动。FMD振动控制装置之间的构造关系如图4所示。

图3 FMD-塔架结构示意Fig.3 FMD-tower tube construction

图4 FMD振动控制装置布置Fig.4 FMD vibration control device layout

2 塔架模型及风荷载流场模拟

2.1 风机塔架有限元模型

本文用于分析的风机塔架原型为某2MW风力发电机组塔架。塔架高度为76.865m，重量为164.635t，塔底直径为4.200m，塔顶直径为3.005m。由四段塔架组成，各部分塔筒壁厚随高度均匀渐变。塔筒钢材为Q345E，弹性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

利用ABAQUS有限元软件对塔架建模，塔架上部结构利用一个重88.8t，距离塔筒顶部中心偏心距为1.2m的质量点模拟［7］，分析时主要以质量惯性参与风电机组的振动。质量点与塔筒之间采用刚性约束，两个结构之间没有相互作用。塔筒底部全约束，与基础刚性连接。无控塔架模型如图5所示。

图5 无控塔架顶部Fig.5 The top of the uncontrolled tower model

为了验证固定质量阻尼器（FMD）在风机塔架中的减振效果，本文建立装置TMD结构的塔架模型，TMD耗能装置安装于塔架内部［8］，其质量块由重5.4t的质量点模拟，如图6所示。

图6 塔架顶部TMD结构Fig.6 TMD structure at the top of the tower

在FMD-塔架结构中，上部结构仍用质量点模拟，但不再与塔架刚接，而是采用弹簧单元和阻尼单元连接，如图7所示。

图7 FMD-塔架结构Fig.7 FMD-tower structure

2.2 风荷载流场模拟

利用CFD软件STAR-CCM模拟塔架外部风荷载流场。风机塔架所处风场非常复杂，模拟实际中的风荷载需要考虑众多因素，计算工作风场复杂。因此，本文只对顺风的脉动风场速度进行研究，不考虑实际风况下脉动风的随机过程。三维实际风场简化成一维，结合脉动风垂直向的梯度分布，脉动部分简化为余弦函数分布，脉动周期为运动周期T，参考高度处脉动风幅值5m/s［9，10］。

式中：V（z，t）、Vz0为z、z0高度处的参考风速；vx（z，t）为脉动风速；z、z0为高度。

通过脉动风的函数对脉动风场进行数值模拟［10］，在计算域的入口边界生成脉动风。通过ABAQUS建立塔架模型，STAR-CCM＋建立风载流场，进行相关设置STAR-CCM＋中启动耦合进程，计算结束后进行结果保存和分析。

3 塔架流固耦合动力响应分析

本文计算采用隐式耦合，耦合时间步为0.01s，计算时间为100s［11］。模拟考虑额定风速和切出风速两种风况，即风机轮毂高度处平均风速为11.7m/s和25m/s。

以塔架顶点1和每段塔架顶点2、3、4为观测点，从位移和加速度这两动力响应结果分析比较传统TMD装置和固定质量阻尼减振技术（FMD）对塔架的减振效果，风电机组塔筒结构的测点布置位置如图8所示。

图8 风电机组塔筒结构Fig.8 Wind turbine tower structure

3.1 额定风况

额定风况下塔架测点位移与加速度均值如图9所示。

由图9a可知，额定风况下塔架顶部FMD位移响应较TMD有了明显的改善。在塔架高度方向上FMD位移均值变化比较平缓，曲线无明显突变，较为连续均匀。由图9b可知，FMD在塔架顶部加速度增大，但在其他塔段处FMD加速度响应要明显小于TMD结构。

图9 额定风况下塔架测点均值Fig.9 Average of tower measuring points under rated wind conditions

表1和表2分别给出了额定风况下三种塔架结构的位移响应均值和加速度响应均值，可知：（1）额定风况下TMD-塔架结构位移平均减振率为32%，而FMD-塔架结构位移平均减振率为45%，故FMD-塔架结构的位移减振效果最好；（2）额定风况下TMD-塔架结构加速度平均减振率为33.4%，而FMD-塔架结构（控制点2、3、4）加速度平均减振率为26.6%，但顶部机舱（控制点1）的加速度增大到1.40倍。由表2可知，塔筒上的2、3、4测点处的加速度响应远小于无控结构，也比TMD控制下的结构加速度响应小很多。这表明由风致振动引起的塔筒结构设计内力大为减少，FMD起到了较好的减振作用。但顶部机舱的测点1处的加速度则均大于无控结构和TMD减振结构。顶部机舱作为固定质量座落于振动控制装置上，加速度的增大并未增加其自身内力多少，且采用弹簧和黏滞阻尼器的振动控制连接使其与下部塔架不会同频振动，即由顶部机舱加速度引起的塔筒附加内力不会显著增大。此外，根据《高耸结构设计标准》［12］第3.0.11条可知，其加速度不到规范限值0.15g的三分之一。综上，顶部测点加速度放大引起的负面效果不大。

表1 额定风况位移响应均值（单位：m）Tab.1 Mean displacement response of rated wind regime（unit：m）

表2 额定风况加速度响应均值（单位：m/s2）Tab.2 Mean acceleration response of rated wind conditions（unit：m/s2）

3.2 切出风况

切出风况下塔架测点位移与加速度均值如图10所示。

图10 切出风况下塔架测点均值Fig.10 Average of tower measuring points under cutting wind conditions

由图10a可知，切出风况下塔架顶部FMD位移响应最小。在塔架高度方向上FMD位移均值变化比较平缓，曲线无明显突变，较为连续均匀。由图10b可知，FMD在塔架顶部加速度增大，但在其他塔段处FMD加速度响应要明显小于TMD结构。

表3和表4分别给出了切出风况下三种塔架结构的位移响应均值和加速度响应均值，可知：（1）切出风况下TMD-塔架结构位移平均减振率为38%，而FMD-塔架结构位移平均减振率为54%，故FMD-塔架结构的位移减振效果最好；（2）切出风况下TMD-塔架结构加速度平均减振率为39%，而FMD-塔架结构（控制点2、3、4）加速度平均减振率为35%，但顶部机舱（控制点1）加速度增大到1.25倍。FMD对顶部机舱加速度的增大原因分析与额定风况类似。

表3 切出风况下位移平均响应（单位：m）Tab.3 Displacement average response（unit：m）

表4 切出风况下加速度平均响应（单位：m/s2）Tab.4 Acceleration average response（unit：m/s2）

4 结论

本文针对塔架减振设计出一种应用于风电机组塔架的固定质量阻尼减振装置，通过流固耦合数值模拟分析，得出以下结论：

1.FMD减振装置改变了塔架与机舱的连接方式，由于塔顶结构的改变导致了塔顶加速度响应有所增大，但在整个塔架高度方向上位移和加速度响应控制效果明显。

2.额定风况下FMD结构位移和加速度的减振率分别为45%和26%，TMD结构减振率分别为32%和33%；切出风况下FMD结构位移和加速度的减振率分别为54%和35%，TMD结构减振率分别为38%和39%。可知FMD结构对塔架的风载动力响应控制效果明显。

3.FMD耗能减振装置，从构造上避免了传统TMD结构安装不易、加重塔体负担等缺点，对于风机塔架的振动控制具有较好的应用前景。