CN104656449B - 一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法，考虑风机实际所受不同种类谐波激励对结构的作用效应，通过不同程度地调整风机设计中保证结构运行安全所要求的结构模态频率与激励频率间的频域权重，并通过计算获得待设计风机结构一阶模态频率的允许选取范围，使得所设计风机体系的自身频率特性远离对结构激振影响较大的转频谐波激励，减少了与之发生共振的可能性。此外，结构设计灵活性使得风机及基础结构形式与可选用材料多种多样，合理的设计可以降低工程造价，具有较好的工程适用性及经济效益。

Description

一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法

技术领域

本发明属于风电工程技术领域，涉及一种风电工程领域的风机结构体系运行减振的偏权重控制设计方法，是一种将风机运行状态下结构共振安全理论与减振效应联合考虑的设计方法与理念。

背景技术

面对国际能源供应持续紧张及生物化石能源造成环境污染等诸多问题，世界各国纷纷加大对清洁可再生能源的开发力度。风能因其蕴藏量大、可再生、清洁无污染等特点，已经成为新能源中具有极大发展潜力的一个领域，受到世界各国越来越大的重视。无论是陆上风电还是海上风电，风力发电机所处工作环境都极为复杂，其运行状态下不仅会受到外部环境荷载的联合影响而诱发风机结构振动，形成环境荷载激励下“机组—塔筒—基础—地基”耦合系统的随机振动问题；同时机组运行还会带来结构内部机械、电磁等原因发生振动从而引起结构出现多谐波激励共同作用下的强迫振动现象。随着风机单机装机容量逐渐增加，相应的配套塔筒高度与叶片长度也随之增大，呈现大容量、高塔筒、长叶片的发展趋势。由于风机结构与叶轮叶片均属于柔性结构，因此随这种变化而来的一个重要问题就是风机在运行过程中的结构的安全性问题。对风机体系而言，影响结构运行安全性的主要动力隐患是外界激振力与结构自身的共振问题，而在工作状态下风机受到激励主要来自叶轮转动引起的周期性谐波激励，对应考虑的激振频率包括叶轮转频(1P频率ω_1P)及其倍频频率(主要为3P频率ω_3P)。传统的运行安全评估方法是通过分析谐波激励频率与结构体系一阶固有模态频率ω_n间的关系来实现共振校核，通常认为当激励频率与结构固有频率之差和激励频率的比值大于10％时，即(ω_n-ω_1P)/ω_1P≥10％并且(ω_3P-ω_n)/ω_3P≥10％时，可避免风机结构体系发生共振现象。基于以上安全理论设计的风机虽然基本不会存在结构共振问题，但结构一阶固有模态频率通常被锁定在叶轮额定转频频率与实际叶轮最小倍频频率这一狭窄的频域范围内，结构一阶模态频率与叶轮转频激励仍然较为接近，不利于运行状态下风机结构避免共振与自身的减振。同时，传统的风机设计理念缺乏考虑不同类型与不同频率谐波激励对结构的作用效应，而越来越复杂的风电体系运行环境又对未来风力发电机结构的设计提出了更高的强度与安全要求，以往的运行安全等权重设计方法在风机控制与设计方面存在明显的局限性和盲目性。

发明内容

本发明的目的旨在更好地解决风机设计中有关避免结构共振与减小运行期结构有害振动等问题，从而提出一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法。该设计方法改变了为保证风机安全运行而一贯采用的等权重设计理念，可以更为有效地降低风机结构在运行状态下共振现象出现的可能性，同时通过结构形式与材料的灵活设计与选择提高结构强度与抗疲劳的能力，在工程上也具有较好的经济适用性。

本发明充分考虑风机在实际运行过程中所受不同种类谐波激励对结构的作用效应与影响，在避免风机结构共振与运行减振等关键问题上具有明显且突出的优势，同时基于本发明设计的风机体系在提高结构运行安全稳定性、抗疲劳与抗损伤等方面也有更好的效果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法，其特征是包括以下流程：

1)确定包括额定转速在内的拟设计风机体系机组的主要运行参数；

2)基于偏权重控制设计理念，确定风机1P频率ω_1P与3P频率ω_3P与结构模态频率间合理的比值权重，计算获得待设计风机结构一阶模态频率的允许选取范围；

3)对整体风机体系中的基础、塔筒等关键支撑结构进行新型结构优化与设计并合理选取施工材料，建立多种合理风机结构设计方案；

4)通过结构模态分析方法，将建立的各种拟设计风机结构在频域特性上满足安全要求且具有安全保证的方案保留，进一步解释为将设计风机结构的一阶模态频率满足第2)步中计算获得的允许模态频率范围内的方案作为风机体系的重点比选设计方案；

5)通过对第4)步中各种重点比选方案中的设计风机结构进行基于数值模拟的结构静、动力响应安全性验证，通过对总体工程造价以及施工组织可行性等多方面进行分析研究，说明各风机设计比选方案的合理性；

6)通过对第5)步中合理设计方案中的风机结构进行共振校核与结构静、动力响应安全校核，选择在时、频域两方面最为安全的方案作为设计最佳方案。

以上第1)步中，机组转频频率(1P频率ω_1P)范围确定为0.15～0.30Hz，对应转频的倍频频率(主要为3P频率ω_3P)范围确定为0.45～0.90Hz。

进一步的，以上第2)步中两种比值权重分别设定为20％～30％和5％，待设计风机结构一阶模态频率的允许选取范围基于公式(ω_n-ω_1P)/ω_1P≥λ_1P与(ω_3P-ω_n)/ω_3P≤λ_3P计算获得，其中λ_1P与λ_3P分别为针对风机1P频率ω_1P与3P频率ω_3P设定的比值权重。

本发明充分考虑不同类型与频率谐波激励对运行状态下风机结构的影响效应，发现在全转速范围内叶轮转频(1P频率ω_1P)谐波激励对风机结构的影响较为明显，而转频的倍频频率(主要为3P频率ω_3P)激励则对结构的作用程度较低，以此作为本发明的理论基础。本发明在风机设计中将结构一阶固有模态频率与叶轮转频(1P频率ω_1P)间的允许差值权重提高到20％～30％，即(ω_n-ω_1P)/ω_1P≥20％～30％时，使据此要求所设计风机的固有频率特性尽可能远离风机叶轮转动的基频(1P频率ω_1P)。同时，考虑到倍频谐波对结构作用较弱，因此将结构一阶固有模态频率与转频倍频(3P频率ω_3P)间的允许差值权重尽量降低，一般可达到5％以下甚至更小，即(ω_3P-ω_n)/ω_3P≤5％时，此时倍频激励频率虽然与结构自身频域属性接近，但由于激励能量有限仍不会对结构产生有害影响。此外，在一定低转速运行范围内还可以使设计风机的自身低阶频率特性大于叶轮转频的倍频频率，从而放宽了风机安全设计中结构模态频率的控制范围，风机在运行过程中避免结构共振与减振等效果可以更好地实现。

本发明的有益效果是，本发明考虑风机实际所受不同种类谐波激励对结构的作用效应，通过不同程度地调整风机设计中保证结构运行安全所要求的结构模态频率与激励频率间的频域权重，使得所设计风机体系的自身频率特性远离对结构激振影响较大的转频谐波激励，减少了与之发生共振的可能性。而由于倍频谐波对结构影响效应有限，因此虽然结构模态频率会更靠近倍频频率(3P频率ω_3P)但却不会影响结构运行的安全稳定性。同时，由于叶轮基频激励(1P频率ω_1P)与结构一阶模态频率ω_n在频域上的远离，有效地减小了谐波激励对运行结构产生的振动幅度，具有极好的结构减振作用。该控制设计方法放宽了风机运行安全对结构设计的要求，使得设计中灵活性和可选择性增强，设计风机结构整体上刚性化增强，同时带来的优势就是结构的整体具有更好的稳定性与更显著的抗疲劳、抗局部损伤功能。此外，结构设计灵活性使得风机及基础结构形式与可选用材料多种多样，合理的设计可以降低工程造价，具有较好的工程适用性及经济效益。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图。

图2为本发明方法与传统等权重设计方法所对应结构安全频域范围的对比示意图。

具体实施方式

本发明通过不同程度地调整风机设计中保证结构运行安全所要求的模态频率与激励频率间的频域权重，使设计风机体系的模态特性远离对结构激振影响较大的转频谐波激励，减少了与之发生共振的可能性。本发明实施方式中风机机组初步选用直驱式风力发电机组，额定转速18rpm，运行转速范围为9～18rpm。叶轮叶片长度50m，轮毂距地面高度为100m，塔筒高度80m。

参见附图1，根据本发明风电体系控制设计方法的具体实现流程来实现具体实施方式。

1)确定待设计风机的运行转速范围为9～18rpm，叶轮转频频率(1P频率ω_1P)范围为0.15～0.30Hz，对应叶轮转频的倍频频率(主要为3P频率ω_3P)范围为0.45～0.90Hz。

2)依据一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法中提出的新的激励频率与结构模态频率间的频域权重，即设定转频权重取为20％，倍频权重取为5％，则若要使风机结构处于运行安全状态，那么其结构一阶模态频率需满足以下公式：

且

在上式中，1P频率ω_1P最大值为0.30Hz，3P频率ω_3P最小值为0.45Hz，故通过以上公式可以计算获得待设计风机结构体系的允许一阶模态频率满足0.36Hz≤ω_n≤0.43Hz，即允许结构一阶模态频率范围在0.36～0.43Hz之间。

参见图2，将本发明提出的一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法与传统等权重设计方法所对应结构安全频域范围进行比较。1P频率基线与3P频率基线表示不同运行工况下转频频率及其3倍倍频频率随叶轮转速变化趋势曲线，1P频率与3P频率基线等权重包络线则表示转频权重与倍频权重均取为10％时，对应1P允许临界频率与3P允许临界频率随叶轮转速变化趋势曲线，而1P频率与3P频率基线偏权重包络线则表示转频权重与倍频权重分别均取为20％和5％时，对应1P允许临界频率与3P允许临界频率随叶轮转速变化趋势曲线。

可以看出，在将传统的等权重控制设计方法改为偏权重控制设计方法后，待设计风机结构的允许一阶模态频率范围与叶轮额定转动频率(1P频率ω_1P)0.30Hz相比距离更远，风机机组运行引起的谐波激励对风机结构影响将会获得有效地减小，同时显著降低了结构与谐波激励间发生共振的可能性。

3)基于以上对结构在频域上的控制与设计，可以建立多种相对于传统风机结构形式较易实现结构整体刚性化的新结构设计体型与选材方案。一方面若保持原有结构形式不变的前提下，可以选用刚度与强度更高的钢材作为塔筒的施工材料，对上部结构进行刚性化处理。也可以提出建立新型的刚性化更强的风机基础形式与结构连接形式，从下部结构角度提高整体结构的刚度，当然也可以对塔筒与基础同时进行刚性化处理。另一方面，可以在原有结构形式基础上提出更优的结构组合形式，例如在风机塔筒设计中可以适当利用强度更好的材料预制的塔筒代替原有的部分底部钢制塔筒，或者采用高度更高且更加稳定的风机基础形式以减少原有钢制塔筒的高度，在整体上增加结构刚度的前提下还有助于工程造价的降低。设定本最佳实施方式中提出有N种拟设计风机结构型式实施方案。

4)基于结构模态分析方法，针对第3)步中提出的N种拟设计风机结构型式实施方案中整体结构一阶模态频率进行计算分析，将结构模态频率满足第2)步中计算获得的允许模态频率范围内的n(n≤N)种结构方案作为风机结构型式的重点比选方案。

5)通过对第4)步中保留的n(n≤N)种设计风机结构型式比选方案进行基于数值模拟的结构静、动力响应安全性验证，同时通过对总体工程造价以及施工组织可行性等多方面分析研究，确定m(m≤n)种合理的风机设计比选方案。6)通过对第5)步中保留的设计m(m≤n)种风机结构型式比选方案进行共振校核与结构静、动力响应安全校核，选择在时、频域两方面最为安全的方案作为风机结构设计的最佳方案并予以建设实施。

Claims (2)

1.一种风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法，其特征是包括以下流程：

1)确定包括额定转速在内的拟设计风机体系机组的主要运行参数；

2)基于偏权重控制设计理念，确定风机1P频率ω_1P和3P频率ω_3P与结构模态频率间合理的比值权重，计算获得待设计风机结构一阶模态频率的允许选取范围；

3)对整体风机体系中的基础、塔筒等关键支撑结构进行新型结构优化与设计并合理选取施工材料，建立多种合理风机结构设计方案；

4)通过结构模态分析方法，将建立的各种拟设计风机结构在频域特性上满足安全要求且具有安全保证的方案保留，进一步解释为将设计风机结构的一阶模态频率满足第2)步中计算获得的允许模态频率范围内的方案作为风机体系的重点比选设计方案；

5)通过对第4)步中各种重点比选方案中的设计风机结构进行基于数值模拟的结构静、动力响应安全性验证，通过对总体工程造价以及施工组织可行性等多方面进行分析研究，说明各风机设计比选方案的合理性；

6)通过对第5)步中合理设计方案中的风机结构进行共振校核与结构静、动力响应安全校核，选择在时、频域两方面最为安全的方案作为设计最佳方案；

第2)步中待设计风机结构一阶模态频率的允许选取范围基于公式(ω_n-ω_1P)/ω_1P≥λ_1P与(ω_3P-ω_n)/ω_3P≥λ_3P计算获得，其中λ_1P与λ_3P分别为针对风机1P频率ω_1P与3P频率ω_3P设定的比值权重。

2.根据权利要求1所述的风电结构体系运行减振的偏权重控制设计方法，其特征是：第2)步中两种比值权重分别设定为20％～30％和5％。