年804月振动工程学报

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1、第17卷增刊振动工程学报Vol.17No.S2004年8月JournalofVibrationEngineeringAug.2004风力机塔架的振动特性研究周勃费朝阳陈长征(沈阳工业大学诊断与控制中心沈阳，110023)摘要利用有限元分析研究了风力机塔架的动态特性及影响因素，如结构设计和所受载荷分布特点，确定适合的有限元模型和划分网格的方法，并验证分析结果;根据塔架静荷载和风荷载的特点，计算风力机锥筒型塔架的固有频率，并分析塔架产生共振的可能性;研究三种有意义的振动模态:侧向弯曲模态、前后弯曲模态和扭转模态，通过塔架的振型曲线分析塔架的动态性能，为风力机塔架的结构动态设计提供有效的依

2、据。关键词:振动;风力机塔架;固有频率;振型曲线中图分类号:TH113.1风力机塔架受到多种载荷的共同作用，除了要风轮支撑风力机自身的重量(包括塔架、叶片、电机、传动短舱和控制系统)和叶片旋转时产生的动载荷之外，还有自然风的作用。塔架的变形和振动不仅会增大附加应力和降低整个系统结构强度，还可能影响到其它塔架部件的变形，导致性能下降。因此，风力机塔架应满足动力学设计要求，以防止共振和动力失稳造成对结构的破坏。本文针对大型风力发电机组实例，以有限元软件为基础，研究风力机塔架的固有频率和固有振型，图1风力机结构简图分析影响塔架固有动态特性的主要因素，为机组的结构设计和安全运行提供计算依据。

3、形板单元。这样建立的塔架模型在进行有限元分析时，其计算结果能与实际情况达到最大的吻合。同1塔架固有动态特性的影响因素时，塔架的底部与地基(近似为刚性)相连，可认为位移为零，是简支结构。1.1塔架的结构特点1.2塔架的载荷分布特点风力机塔架一般有空间系杆钢结构和锥筒结构塔架承受的载荷主要有顶部受到的质量载荷，两种形式，大型风力机常采用锥筒型。图1为锥筒型以及塔架、短舱和风轮承受的气动载荷。塔架顶部的塔架的风力机结构简图。塔架是两块钢板(Q235c)质量力主要是塔架、风轮和短舱上的重量，计算时可组成的空心圆锥体，中间用法兰盘连接，底部用法兰认为其均匀传递，因此可作为集中质量力作用在塔盘由

4、双排螺栓与地基连接，顶部是连接风轮的短舱。架顶部[I]。风轮和机舱上的气动载荷、惯性载荷作用对于锥筒型塔架，有限元单元可采用板单元或壳单在塔架顶部会影响结构振动强度，但不会改变结构元。为了比较两种单元对在建立有限元模型时，分别的固有动态特性，因此忽略了塔架顶部的转动惯量。定义了板单元和壳单元进行计算，并比较计算结果。根据自然风在时间和空间上分布的特点，需要风力机在实际工作中，塔架顶部短舱的回转下考虑风速和风向沿塔架高度的分布规律。塔架受到支座刚度大，变形很小，因此与之相连部分的塔架变风压作用时结构会产生偏移和脉动，这种风压又分形也很小。为使所建立的有限元模型与实际尽可能为稳定风和脉动

5、风。在有限元计算中采用前者并乘接近，作者在锥型塔架有限元模型顶部加了附加圆收稿日期:2004-04-20振动工程学报第17卷以修正系数的方法。因此将塔架上的气动载荷以每由式(3)可知，塔架固有频率只和塔架的刚度和所受2m分段，每段平均分配在两个节点上。其有限元模的质量力有关，而和其它外载荷无关。型如图203实际算例以1MW锥筒型塔架的风力机为例，用有限元软件计算得到前五阶固有频率的结果见表1。对应的前五阶振型曲线如图3^-7所示。图中1表示沿X轴的位移振型，图2表示沿Y轴的位移振型，图3表示沿Z轴的位移振型，图4表示绕X轴的扭转振型，图5表示绕Y轴的扭转振型，图6表示绕Z轴的扭转振型

6、。表1固有频率计算结果阶次固有频率(Hz)1.44361.4527八j5.3310J以‘5.4410匕d6.4225塔架有限元模型025X10一`6.44r0.22塔架的动态分析日日.15，0nJ协协钾划0.1划C门，l、苦在进行风力机塔架的动态分析时，需要计算塔︸叶k05八‘5比臼J架结构的固有频率、弯曲振型和扭转振型，对于简支IJ40门:;'L一一石仁少口结构常用矩阵分析法计算可提高精度。n11.422.834.245石57.011.422名34.245.657乃塔高/m塔高/m2.1弯曲振动图3一阶模态振型曲线由于结构阻尼对固有频率影响很小，故在求解时忽略阻尼的影响，则塔

7、架的振型矢量为[21住2510X.110c-2.-'尹口，、，住16、上K[Ol=w2M[$]龟产1一1.20卜“‘、日’07﹄-2.51卜式中K为刚度矩阵，如果用柔性矩阵表示，则泌a/9、划峨02口J1-3.82、臼畏一-一一之一zlziCK[月=(1/-co2)M仁月于，:’-010、-5.13式中C为柔度矩阵，为K的可逆矩阵，M为集中质-6.44、、卜4量力，。为塔架的固有频率。式(2)中柔性影响系数-0.1101--1六22名34.245.65