冰激振动减轻风力涡轮机使用阻尼隔振基础
张宝丰1、2、3,
王Guojun- 1浙江省重点实验室Far-Shore风力发电技术,杭州,中国
- 2土木工程与建筑学院,浙江大学、杭州,中国
- 3PowerChina华东工程有限公司,杭州,中国
- 4海洋科学与技术学院,大连理工大学,盘锦,中国
单桩海上风力涡轮机基金会是一个典型的柔性结构,和动态interac-tion冰与结构之间是复杂的。上的冰激振动会影响正常运行电动机的安全基础结构。本文以冰之间的交互和渤海海洋平台为研究对象,探讨了策略来减轻近海风力涡轮机的冰-诱导振动的基础。通过一个简化的力学模型的阻尼隔振系统阻尼的参数之间的关系隔离层和结构阻尼比进行了分析。根据数值模拟结果,发现阻尼隔离层阻尼比为0.2可以发挥更好的作用在控制的作用下结构的位移和加速度响应稳态和随机冰力。它提供了一个参考的设计抗冰船和海上风力发电机的安全运行。
1介绍
风能作为一种可再生、无污染的清洁能源,可以有效地解决人类发展的能源短缺问题。因此,风电产业吸引了世界关注的国家。在中国近海风力涡轮机的发展相对较晚,但中国幅员辽阔,海岸线18000公里,和海上风力能源储备约7.5亿千瓦(杨和Gui, 2010年),它有巨大的发展潜力。在中国渤海和黄海高纬度地区,受到冷空气的影响。与其他海域相比,空气密度和风能密度分别为高。因此,黄海和渤海的关键海域海上风力发电在中国的发展。然而,寒冷侵入波和冬天寒冷的空气会导致严重的冰在这些海域条件。海洋结构的连续和强烈振动引起的海冰将导致结构性破坏,崩溃和其他灾难性事故(深谷,文森,1986)。因此,冰冷海域风力发电发展必须充分考虑对海冰的影响(Sacki et al ., 1986)。此外,海上风力发电机塔和基金会同时加上三个结构特点:高层建筑、大型电力设备基础和海洋工程(Zhang et al ., 2018)。风力发电机的振动有显著影响支持结构和发电设备的安全运行,因此有必要使用减振技术。冰激振动控制的离岸风力涡轮机的基础设施。
目前,对风力发电机基础振动控制的研究主要是基于风能、波浪和地震载荷。Balendra提出了u型调谐液体阻尼器(TLCD)控制风力发电机塔的振动形成的风荷载(Balendra et al ., 1995);Murtagh提出一个调谐质量阻尼器(TMD)控制风力发电机的振动结构(Murtagh et al ., 2008);Woude和纳史木汗指出,隔振装置可以有效地减少风力发电机结构的振动响应(Woude纳史木汗,2014);Colwell和巴苏指出了调谐液柱阻尼器(TLCD)可以减少海外单桩的振动风力涡轮机波浪荷载的作用下(Colwell和巴苏,2009);翠琼使用暂停调谐质量阻尼器装置以减少风力发电机的振动结构在地震荷载(崔,2011)。冰激振动控制的研究主要是为渤海油气平台结构。Ou习近平提议使用集中变形的结构阻尼隔振层减少平台的冰激振动(Ou et al ., 2002);陈兴了坦克的大小的设计调谐液体阻尼器(TLD),试验和分析了冰减振效果(陈et al ., 1995);魏金盛本着指出,添加一个粘弹性能量耗散斜撑结构的结构可以实现类似于弹簧和阻尼器的减振效果(魏et al ., 1997);悦et al . (2009),Zhang et al。(2009)研究了调谐质量阻尼器的应用冰振动控制,提出相关振动控制算法,实验验证调谐质量阻尼器的策略可以有效地控制平台冰激振动(Zhang et al ., 2007;Zhang et al ., 2010);王Yanlin等人基于现场监测,分析表明,上层平台冰激振动控制效果JZ20-2NW平台后采用阻尼隔振措施是显而易见的(歌曲名et al ., 2012)。可以看出,很少有研究冰振动控制海上风力涡轮机的设计基础。
本文以离岸单桩风力发电机为研究对象,提出了一种阻尼隔振方案和计算其冰振动控制效果,为防结冰振动提供了理论参考设计和安全运行的风力涡轮机冰区域。
2结构动态特性和冰振动分析单桩的风力涡轮机
单桩风力发电机具有结构简单,主要结构是由塔和单桩基础以支持上层发动机舱和风力叶片。
2.1结构动态特性的分析
单桩的直径风力发电机基础结构一般约3∼6米,适合的水深范围10-40 m。缺点是,单桩的灵活性是显而易见的,当水是深,和过度的相对位移和振动的上端支撑结构是其发展的限制条件。基于ANSYS软件建立了有限元模型。上层的质量单位是220 t,与水平面坐标原点。塔结构高出水面90米,直径5.5米的水线基金会(上段),直径6.7米的较低部分基金会,在壁厚0.065 - -0.07米。Beam188单位采用。塔是3.3 - -5.5米的直径,壁厚是0.014 - -0.039 m, beam188单位采用。根据叶片的质量和鼻子,上层质心的位置是:x = 3.37, y = 0, z = 2.06米,由MASS21模拟质量单位和固定与塔的顶端。通过调整模型网格,网格的基础部分具有相同直径分为四个部分,和楼管的网格大小设置为0.2,以满足计算精度和效率的要求。基础下面的泥表面粉丝建立了6倍桩径的方法,和底部的基础完全约束,与冰力作用在坐标原点,如图所示图1。
图1。单桩的风力涡轮机的有限元模型。
基于模态分析,前4频率的结构,如图所示表1。
表1。前四个风力涡轮机的自然振动频率。
由于单桩的整体结构风力发电机基础基本上是对称的,第一次和第二次结构的振动频率几乎相等,和第三和第四振动频率的结构几乎是相等的。的一阶频率的结构符合给定的阶基频整机(0.240 Hz - 0.287赫兹),和数值模型可以反映结构的动态特性。
2.2冰激振动分析
冰速度缓慢时,冰的作用和结构会导致强烈的稳态振动。他们包括(他们包括et al ., 2007)提供一个简化的三角波时域时间基于实测冰力函数的历史在渤海自激振动,这显示了冰力变化的特征时间自激振动,如图所示图2。
图2。稳态模型冰的力量。
其中,F马克斯是极值冰力,它可以作为极值静冰力;ΔF=qF马克斯,问0.1 - -0.5,0.4是带到这里;F的意思是是冰力的平均值;T冰力,可以近似的自然周期的结构计算;α是加载阶段系数,0.8是在这里拍摄的。
极端的静冰力的计算使用API RP-2N规范中给出的公式:
其中,k是减少的因素,0.7是带到这里;D和h代表结构的直径的腿和冰层厚度;σc代表冰的单轴抗压强度。
当冰速度快,不规则和随机冰力量形成,导致结构振动。
使用ANSYS的瞬态动力学分析,结构的位移和加速度随时间的变化曲线在稳定状态下(极端冰厚度45厘米)和随机动态冰力,如图所示图3,4。
图3。风力涡轮机房间的加速度和位移响应稳态下冰力。
图4。风力涡轮机房间的加速度和位移响应下随机冰力。
结果表明,与稳态冰力相比,随机冰力下的结构响应(10厘米冰层厚度)是小,但它不能被忽视。在极端的稳态下冰力,振动加速度的基础达到4.198 m / s2和位移达到1.801米,大的振动和上部变形对结构本身构成更大的威胁和机电设备,以及需要采取的控制措施。
3层阻尼隔振方案和原理分析
基于结构振动控制理论,考虑到高耸的海上风力涡轮机的和灵活的结构特点,一层阻尼隔振控制方案提出了适合海上风力发电结构,结构模型是简化。
3.1阻尼层的隔振方案
减振和隔振层之间设置风力发电机塔的顶部和风力涡轮机的头,具体位置是取代部分的顶部的塔塔连接单元,并使用法兰连接。阻尼隔振层主要是由一个灵活的隔振和阻尼耗能设备的支持,如所示图5。其中,1连接法兰,2球铰链,3是粘性阻尼器,和4是灵活的隔振的支持,设备连接的下部鼻子的风力发电机塔基础螺栓。风力发电机塔振动时,灵活的隔振支持和粘性阻尼器将与塔轴为中心旋转360°。因为横向刚度隔振的支持相对较小,结构振动的隔振层水平。层间相对变形大,所以隔振支持有限的变形通过设置阻尼耗能设备。
图5。阻尼隔振层的示意图。
集中隔振层的变形和阻尼耗能器耗散输入结构的能量,达到的目的降低结构的振动响应和保护上机器头设备,降低结构的疲劳损伤。在分析中,主要是考虑阻尼和刚度,和春天combin14单元用于模拟。
3.2简化结构模型
根据2.1节的计算,第一和第二风扇结构的频率分别为0.2717和0.2719赫兹,和质心偏移量的主要影响第一和第二振动模式和频率。因为第一和第二频率之间的差异很小,这表明鼻子的质心偏移量的影响不大。因此,风机的结构是两个自由度简化,没有考虑的影响抵消质心的鼻子,以便计算阻尼隔振系统的刚度和阻尼。
应用阻尼隔离层后,潜浮性能结构简化成一个能量耗散和减振系统,如图所示图6。较低的基础的一部分结构简化为质点米1,其刚度和阻尼系数k1和c1分别;一套阻尼隔振层塔楼顶部和风力涡轮机之间的头,隔振层的刚度和阻尼系数k3和c3分别;风力发电机塔简化为集中质量米3,其刚度和阻尼系数k2和c2分别;风力涡轮机头简化为集中质量米3。
图6。阻尼隔振系统的简化模型。
所示的参数简化模型表2。
表2。隔振系统的参数简化模型。
膜片刚度k3和阻尼系数c3需要分析和设计的控制条件的隔振系统结构。
3.3阻尼比分析
阻尼比是一个重要的参数进行动态的计算结构,也是一个重要指标来衡量的能量耗散结构。因此,它也被认为是一个重要的指标来描述减振方案的效果。的等效系统结构减振和隔振系统模型对近海风力涡轮机所示图7。
图7。等效阻尼隔振系统的简化模型。
多自由度系统的振动微分方程可以表示为:
其中,米质量矩阵,C阻尼矩阵,K刚度矩阵,F (t)是外部结构上的负载。隔离每个质点和执行力分析获得以下矩阵形式:
结构的线性振动的叠加可以获得的各种模式,所以真正的模式结构的振型矩阵Φ介绍:
其中,ϕ我订单我振动系统的类型。
顺序:
其中,米n,Kn,Cn,Fn(t)代表了广义质量,广义刚度、广义阻尼,广义负荷分别为n阶振动类型。
介绍了阻尼系数:
在公式
结构振动微分方程的特征值表达式是:
基于MATLAB编程,结构振动的表达模式和频率可以发现,因为振动模式和频率表达式没有列在这里。从情商。11,第一振型阻尼比的系统表示为:
4分析参数和控制效果
阻尼之间的相对位移和隔振层不应太大。如果层之间的相对位移过大(刚度太小),它会导致一个巨大的离岸风力涡轮机的鼻子之间的横向变形结构和风力发电机塔,这并不有利于离岸风力涡轮机结构的安全运行。的刚度k3和阻尼系数c3阻尼振动的隔离层的两个关键参数的设计隔振层。
4.1振动隔离层的刚度系数
根据情商。13,第一个模式阻尼比ξ1可以得到阻尼系数的表达吗c3和刚度系数k3的阻尼隔振层。为了方便计算与分析,同时考虑到隔振层的刚度设计应与塔的位置的刚度隔振层刚度系数k3阻尼隔振层被表示为一个多个风力发电机塔刚度系数k2进行分析。
图8显示第一个模式阻尼比之间的变化规律ξ1的结构和阻尼系数c3阻尼隔振层在不同阻尼隔振层刚度。
图8。阻尼系数和阻尼系数之间的关系隔振层。
的变化ξ1与c3显示了一个线性关系,当k3增加,的变化率ξ1减少。
当结构的模态阻尼比大于0.2,结构的阻尼刚度增加,阻尼系数增加明显,难以实现,阻尼隔振层的阻尼效果将不再明显(长et al ., 2001)。因此,第一个模式阻尼比ξ1阻尼隔振系统作为分析。2。
灵活的风力涡轮机的一阶固有频率的结构应该满足风力涡轮机叶片通过频率P-3P (p= r / 60, r是叶片速度,单位是r / min,这里是12 r / min),表3显示了一阶基本频率对应于不同的风力发电机阻尼隔振系统的刚度系数和相对差异与原结构的基本频率。
表3。第一频率在不同阻尼隔振系统的刚度系数。
可以看出,随着阻尼系数的增加k3的一阶基频风力发电机阻尼隔振系统增加和持续接近原始的结构;当k3≧0.6k2,一阶基本满足结构叶片通过频率范围内的频率,并与原结构基础频率相比,相对频率差异很小;因此,考虑到整体结构的动态特性满足要求,阻尼隔离层的刚度系数应该至少塔的刚度系数的0.6倍。
4.2振动阻尼系数隔热层
当k3和ξ1的值,确定吗c3得到了。
图9显示了阻尼系数之间的关系c3和刚度比。随着刚度比,c3相应的增加。
图9。阻尼系数和刚度之间的关系比隔振层。
与此同时,为了澄清刚度参数的影响k3近海结构的阻尼效应,选择k3为0.6k2(Case1), 0.8k21.0(例2)k2(Case3), 1.2k2(Case4), 1.4k2(Case5), 1.6k2(Case6),分析了不同参数下的减振效果,简化模型的计算参数所示表4。
表4。阻尼隔振系统简化模型的计算参数。
4.3分析的振动控制效果
分析和计算单桩的动力响应离岸风力涡轮机结构稳定的冰力和随机冰力下添加阻尼隔振层之后,和使用η我评估不同参数下的振动控制效果,并进一步阐明隔振层的相关参数,其中,η我= 1 -我控制后/我前控制,我代表的加速度和位移响应的均方根值。值越大,控制效果越好。
4.3.1分析稳态下的振动控制冰力
图10显示的加速度和位移响应时间历史风力涡轮机的头之前和之后的隔振层冰力作用下的稳态。分析表明,在添加阻尼隔振层之后,顶部结构的位移和加速度响应幅度大大降低,和隔振系统具有良好的控制效果。
图10。加速度和位移控制效果在稳态下刚度比。8冰力。
图11显示了不同参数下的控制效果稳态冰力的作用。
图11。不同的刚度比的控制有效性在稳态下冰力。
在稳定状态下冰时,阻尼隔振层刚度系数k3大于6k2,可以实现良好的控制效果,控制效果大于50%;越大k3是,越控制效果。同时,考虑到阻尼隔振层土层位移变化不应太大,刚度不应太小了。
4.3.2下的振动控制分析随机冰力
图12显示的加速度和位移响应时间历史风力涡轮机的头之前和之后的隔振层作用下的随机冰力。分析表明,在添加阻尼隔振层之后,顶部结构的位移和加速度响应幅度减少,和隔振系统具有更好的控制效果。
图12。加速度和位移控制效果当刚度比。8下随机冰力。
图13显示了控制的有效性不同参数作用下的随机冰力。
图13。下不同刚度的控制效果比随机冰力。
与稳态冰相比,阻尼隔振层下随机冰力对结构响应,有较低的控制效果和控制效果小于60%;位移控制效果低于加速度的控制效果;和越大k3越糟,控制效果。因此,刚度系数k3不应该太大;但与此同时,考虑到阻尼隔振层土层位移变化不应太大,刚度不应太小,建议选择阻尼隔振层刚度k3塔刚度的1.0 - -1.4倍k2。
基于上述分析,考虑稳态和随机冰力的影响,建议选择刚度k3阻尼隔振层和在1.0 - -1.4倍塔刚度的范围k2和相应的阻尼系数c31828.78 - -3476.98 (kN·s / m)。
5的结论
离岸风力涡轮机在寒冷地区面临的更大的威胁是海冰和海冰的作用下结构将有明显的冰激振动。因此,这并不有利于风力发电机的安全运行,有必要采取相应的控制措施来实现结构振动控制。本文面对离岸风力涡轮机结构单桩在寒冷地区和冰振动控制方案提出了阻尼隔振。基于数值计算,分析了不同冰力激励下振动控制效果,及相关参数的阻尼隔振层被澄清。主要结论如下:
1)单桩风力发电机具有结构简单、支持和发动机舱上部塔的上部单桩基础。与传统的海洋工程结构相比,风力涡轮机结构有一个更大的直径在水线,一个更高的高度,和一个顶部质量浓度与小的基本频率,这是一个典型的高层柔性结构。结构产生一个相对明显的动态响应的作用下海冰,构成不小的威胁结构安全和正常运行的风力涡轮机。尤其是稳态冰力的作用下,大的振动和位移鼻子的位置对结构构成更大的威胁和机电设备,并需要采取相关控制措施。
2)阻尼隔振可以有效减少外部激励对结构的影响,针对高耸的和灵活的离岸风力发电机的结构特点。因此,一层阻尼隔振控制方案提出了适合海上风力发电结构。阻尼隔离层之间设置风力发电机塔的顶部和风力涡轮机的头,和基于振动控制理论,潜浮性能风力涡轮机的简化计算模型建立了阻尼隔振系统。
3)分析表明,当刚度系数的隔振层至少0.6倍塔刚度系数、阻尼隔振系统的动态特性是相似的原始结构,满足设计要求。第一个模式阻尼比ξ1阻尼隔振系统和显示层阻尼系数的变化是线性关系,以及隔振层刚度的增加和的变化率ξ1减少。此外,为了防止阻尼隔振层的侧向位移过大,振动隔离层的刚度不应太小了。当第一个模式的阻尼比大于2如果阻尼结构的刚度显著增加,这将增加阻尼系数。另一方面,阻尼的增加将减少阻尼减振效果的隔离层。因此,冰阻尼隔振系统的振动控制效果在不同隔振层参数阻尼比。2时测量和计算,结果表明,阻尼隔振层可以起到更好的结构位移和加速度响应控制效果两个稳态下冰力和随机冰力。这是更大的刚度阻尼隔振层,越控制效果,振动隔离层的刚度不应太大。综合分析表明,阻尼隔离层的刚度应1 - 1.4倍范围内风力发电机塔的刚度。
4)这个锅提出了隔振层海冰载荷控制方法和调查的影响,减振装置是否能发挥更好的控制效应在风荷载的作用下仍需要深入分析。同时,工程适用性的防冰设备需要进一步研究。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。
作者的贡献
概念化,ZB,博士,WG和ZD;数据管理、ZB博士,WG和WGu;正式分析,ZB,博士,WG和ZD;融资收购,ZD;方法,ZB, WG和ZD;原创作品草稿,ZB和工作组;writing-review和编辑,ZB,博士,WG WGu, ZD。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。
资金
这项研究得到了国家自然科学基金(52071055)和辽宁省高等学校创新团队(LT2019004)。
的利益冲突
作者ZB和WG受雇于PowerChina华东工程有限公司有限公司作者博士和WGu在大连理工大学学习。作者ZD被大连理工大学工作。
无利益冲突存在的提交手稿,手稿和批准所有作者出版。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:冰激振动,风力发电机基础,减少振动,阻尼隔振、自激振动
引用:宝丰Z,鲁伊·D,帮派W, Guojun W和Z Dayong冰激振动对风力涡轮机(2023)缓解使用阻尼隔振基础。前面。板牙。9:1117959。doi: 10.3389 / fmats.2022.1117959
收到:07年12月2022;接受:2022年12月28日;
发表:2023年1月11日。
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