风力发电机组塔筒的横向振动分析.pdf

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1、设备设计／诊断维修／再制造现代制造工程(ModernManufacturingEngineering)2011年第9期风力发电机组塔筒的横向振动分析+杜静，冯博，何玉林(重庆大学机械工程学院，重庆400030)摘要：结合有限元方法和工程计算对风力发电机组塔筒的横向振动进行分析。通过塔筒固有频率和风振频率的对比，判断塔筒容易发生共振的区域。给出并分析塔筒发生横向振动时塔顶最大位移、惯性力和特征弯矩的简化计算方法，并给出算例。计算了塔筒发生横向振动时的疲劳损伤。结果表明塔筒底部容易因横向振动而发生共振。关键词：风力发电机；塔筒；固有频率；横向振动；疲劳损伤中图分类号：TU347文献标志码：A文

2、章编号：167l_3133(2011)09卅116---04AnalysisoftransversevibrationforwindturbinetowerDUJing，FENGBo，HEYu—lin(CollegeofMechanicalEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400030，China)Abstract：Transversevibrationforwindturbinetowerwasanalyzedcombinedwithfiniteelementmethodandtheoreticalcomputa-tion．Itestima

3、tedtheresonanceregionoftowerbycontrastingnaturalfrequencyandwindvibrationfrequency．Itshowedandana-lyzedthesimplecomputationfunctionforthemaximalamplitude，theinertiMforceandcharacteristicmomentswhentowervibra-tedinthetransversedirection．Italsoshowedexamples．Fatiguedamagefortowerwhichvibratedintrsns

4、versedirectionWascal．eulated．Theresultsshowedthatresonancewaseasytooccuratthebottomoftowerintransversevibration．Keywords：windturbine；tower；naturalfrequency；transversevibration；fatiguedamage0引言现代大型MW级风力发电机组的塔筒高度可达60～100m，塔筒顶部装有主机架、副机架、轮毂和叶片等主要部件。风力发电机组运行时，塔筒受到的载荷除了顶部零／部件产生的重力和风轮旋转产生的动载荷外，还要受到自然风的作用

5、，包括顺风向和横风向两种作用形式。风吹动叶轮旋转时会对塔筒产生弯矩和力，这种由顺风向产生的弯矩和力是塔筒发生破坏的主要原因。风绕过塔筒时产生的涡流还会引起使塔筒发生共振破坏的横向振动¨引。对顺风向引起的风振响应在相关文献标准中已有许多研究，而且简化计算方法已经得到普遍应用p剖。近年来，风诱发的横向振动也备受关注，目前的研究成果表明，已经可以通过考察风振频率和固有频率的关系对塔筒强度做出定性评判，有些研究也可以通过对作用在塔筒上的升力和阻力计算塔顶位移响应∞d引，但是尚没有得到在横向振动影响下计算塔筒强度的简化·重庆市科技攻关计划项目(CSCT2007AB3052)116方法。本文以70m高

6、薄壁圆筒形塔筒为例，使用国际流行的有限元分析软件Patran，计算塔筒的固有频率，通过与风振频率进行对比，定性判断容易发生共振的塔筒高度；给出塔筒发生横向振动时塔顶最大位移的计算方法；由塔顶最大位移计算漩涡流产生的惯性力和特征弯矩，并计算惯性力和特征弯矩合成的组合载荷对塔筒疲劳寿命的影响。1横向振动原理风吹过塔筒时，尾流左右两侧产生成对的、交替排列的及旋转方向相反的反对称漩涡，即卡门漩涡‘儿1，如图1所示。图1卡门漩涡杜静，等：风力发电机组塔筒的横向振动分析2011年第9期漩涡以一定频率脱离塔筒，使塔筒发生垂直于风向的横向振动，也称风诱发的横向振动。当漩涡的脱离频率接近塔筒固有频率时，塔筒

7、容易发生共振而破坏。风振频率与雷诺数m有关，按照如的大小将横向风振分为三个阶段：当3×10’≤Re<3×10’时，漩涡做周期性脱落，称为亚临界范围；当3×105≤Re<3×106时，漩涡不规则脱落，称为超临界范围；当如≥3×106时，漩涡又开始规则脱落，称为跨临界范围。2塔筒的动态分析进行塔筒的横向振动分析，首先需要判断塔筒受其影响最严重的位置，即塔筒的固有频率和风振频率相同的高度。塔筒的固有频率可以通过有限元方法进行数