三桩基础海上风机整体结构的共振分析.docxVIP

三桩基础海上风机整体结构的共振分析 　　摘要：该文对三桩基础的海上风力发电整体结构进行了共振分析。通过有限元软件ansys，建立了海上风机整体结构的有限元模型，进行了模态分析，得到了前十阶的自振频率和固有振型。然后分析了引起结构振动的主要振源，计算了这些振源的振动频率，将其与海上风机整体结构的自振频率进行了共振分析。结果表明各种主要振源不会引起海上风机整体结构的共振。 　　关键词：三桩基础;海上风力发电结构;模态分析;共振分析 　　中图分类号：tk83文献标志码：a 　　0引言 　　对比陆上风力发电整体结构，海上风力发电整体结构有直径更大的叶片、高度更高的塔筒，相应风机整体结构也有更大的柔性。海上风机的基础结构更复杂，对地基承载力要求高。海上风力发电结构除了风荷载的作用外，还常受到复杂的外载激励，如海冰荷载、海流荷载和波浪荷载等海洋环境荷载的影响，导致风机结构振动的外载激励增多，所以對三桩基础的海上风力发电整体结构的抗震性能提出了更高的要求。 　　1模态分析 　　该文研究的海上风力发电结构的基础形式为三桩门架式，属于三脚架式基础。采用大型通用有限元软件ansys，建立了三桩基础海上风机整体结构——“基础—塔筒—机舱—轮毂—叶片”的有限元模型，考虑土与结构相互作用的影响，然后根据m法对其进行了模态分析，得到了三桩基础海上风力发电整体结构的前十阶自振频率和固有振型，结果如下。 　　第一阶自振频率：0.277hz，固有振型：塔筒、机舱、轮毂和叶片沿y方向摆动。第二阶自振频率：0.284hz，固有振型：塔筒、机舱、轮毂和叶片振动沿x方向振动。第三阶自振频率：0.395hz，固有振型：三叶片各自沿y方向振动，左边的叶片振动最大。第四阶自振频率：0.443hz，固有振型：塔三叶片各自沿y方向振动，右下的叶片振动最大。第五阶自振频率：0.536hz，固有振型：塔筒沿y方向振动较小，三叶片同步地沿着y方向振动。第六阶自振频率：0.737hz，固有振型：塔筒沿x方向振动较小，三叶片绕着轮毂旋转振动。第七阶自振频率：1.004hz，固有振型：三叶片各自绕轮毂旋转振动，左边叶片振动最大。第八阶自振频率：1.042hz，固有振型：塔筒振动很小，左边的叶片振动较小，右边两叶片绕轮毂对称振动。第九阶自振频率：1.540hz，固有振型：基础沿y方向振动，塔筒沿高度方向弯曲，叶片沿长度方向弯曲。第十阶自振频率：1.594hz，固有振型：基础振动很小，机舱和轮毂绕塔筒扭转，叶片呈波浪形扭动。 　　2机械共振理论 　　所谓的机械共振理论，即为当作用在结构系统上的激励频率与结构系统无阻尼自由振动的固有频率相同时，结构体系的位移将无限放大的理论。在工业运用中，要尽量避免机械共振现象的发生。 　　3振源识别与分析 　　三桩基础的海上风力发电结构运行时一般会受到复杂的外载激励，其中有自身叶片旋转频率引起的振动、风荷载引起的涡泄频率、波浪荷载作用引起的冲击振动以及海冰荷载作用引起的碰撞振动等。海上风机一般采用柔性基础，因此对风机结构体系的振动基频有严格限制，一般要满足一定的作用范围——风机叶片的转速（1p）和3倍转速（3p）之间，同时风机结构的低阶振型对应的自振频率还需与波浪、海流和海冰等海洋环境荷载的主频保持足够的错开度。 　　3.1叶片的旋转频率 　　现在国内大型海上风机通常采用三叶片式叶轮，风机运行时，由于风速在叶片作用的不同，叶轮每转一周，每个叶片所受的风荷载大小就不同，就相当于3个不同荷载作用在风机结构上，所以风机整体结构相当于受到了3次荷载激励，叶片在转动时所受的荷载激励是引起风机结构共振的主要振源。所以风机整体结构的低阶固有自振频率必须在一定范围内避开风机叶片的转速（1p）和3倍转速（3p）。该文研究的海上风力发电结构叶片的额定转速为22.8r/m，则叶片的旋转频率1p=0.38hz，3p=1.14hz。 　　3.2波浪频率 　　该文采用的设计波浪分为50年一遇和5年一遇。波浪的传入方向分为8个：n、nne、ne、ene、e、ese、se、sse。50年一遇波浪的周期范围为6.34s～9.17s，平均周期为7.86s，50年一遇波浪的频率范围为0.109hz～0.158hz，平均频率为0.129hz。5年一遇波浪的周期范围为5.79s～8.28s，平均周期为7.13s，5年一遇波浪的频率范围为0.121hz～0.173hz，平均频率为0.143hz。该文取波浪荷载的平均频率。 　　3.3涡泄频率 　　当风荷载作用在塔筒上时，风荷载会在塔筒上发生圆柱绕流现象——圆柱绕流是流体与结构相互作用中的常见问题之一。圆柱绕流现象