风力发电塔系统整体建模与模态分析研究

构 ， 略法 兰连接 ， 忽 可认 为塔 筒 是 连 续 的变 截 面 壳 体 。根 据 其 几 何 主 要 受 力 特 性 ， 采 用 板 单 元 或壳 单 可 元， 由于壳单 元 除 了弯 曲变 形还有 中面 变形 ， 而且 壳体 的弯 曲 内力 和 中面 内力相 互 联 系 、 互 影 响 ， 板 相 但 单 元 的变形 只为 弯 曲变 形 ， 因此 ， 塔筒 采用 壳单元 Ｓ Ｅ Ｌ ８ 为合理 。 Ｈ Ｌ １１最
桨 叶旋 转效应 和 桨 ｎ／ ｆ 塔筒 耦合 机制 ， 用于 风力 发 电塔 系统模 态 的计算 。 可 风 力发 电塔 系统 的模态 与 风力 发 电机 运行 状 态 休戚 相 关 ， 与一 般 建 筑 结 构 不 同之 处 ， 进 行模 态 这 故
分 析时必 须 了解风 力发 电机 运行 全 过 程 的模 态 情 况 Ｊ 。对 内蒙 古京 能 乌 兰 伊利 更 项 目风 力 发 电 机进 行 了停 机 阶段 、 行 阶段 和切 出 阶段 的模 态分 析 ， 比了三个 阶段 风力 发 电塔 系 统 的频 率 和振 型 ， 到 一些 运 对 得
现桨 叶的旋 转效 应 ， 叶与塔筒 之 间相 互 作 用 的不 确 定 性 也 可 能带 来 经 济 上 的 浪 费或 者 安 全 上 的 隐 患 ， 桨 其 合理 性有 待进 一步 研究 。ＭＵ Ｔ Ｇ Ｒ Ａ Ｈ等 提 出 了一 种基 于 剪 力 传递 的桨 叶 和塔 筒 的耦 合 机制 ， 然 考 虑 虽
２卷 第４ ３ 期
石 家庄铁 道 大 学 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｖ ．３ ｏ 。２ ． １ Ｎ ４
２１年１月 ＪＵＮ Ｌ Ｆ Ｈ Ｉ Ｈ ＡＧＴ Ｄ ＯＵＩ ＲＩ ＮＴＲＬ Ｃ ＮＥ ０ ０ ２ Ｏ ＲＡ ＩＡ Ｕ Ｎ ＥＡ Ｎ Ｅ Ｓ Ｙ（ＡＵＡ Ｉ Ｃ ） Ｄｃ２１ Ｏ Ｓ ＪＺ Ｉ Ｖ Ｔ ＳＥ ｅ ０ ． ０
以了解 它 的动态 特性 ， 而 可 以判断 风 力发 电塔 系 统 固有频 率 是否 避 开 了桨 叶旋 转频 率或 者 穿越 频 率一 从 定 的范 围 Ｊ 即是 否 能避 开共 振 ， ， 因此对 于风 力发 电塔 系 统模 态分 析 的研 究 具有 重要 的工 程意 义 。
风力发 电塔 系 统主要 构件 有 桨叶 、 轮毂 、 舱和 塔筒 ， 们 之 间 的耦合 作 用 对塔 筒 的模 态 分 析有 很 大 机 它 的影 响 ， 虑耦合 能更 为 准确 的反 映 系统 的动态 特性 。但 目前 风力 发 电塔 系统 有 限元 模 型 多采 用将 桨 叶 考 和机舱 凝 聚成塔 顶 的质量 块 的简化 处 理 方 法 』此 方 法无 法 准 确 体 现桨 叶与 塔 筒 的耦 合 机 制 ， 无 法 体 ， 也
有 益的结 论 。
１ 风 力 发 电塔 系统 的 整体 建模
１ １ 整体 建模 方案 ．
整 体建 模 时 ， 不仅 要 对风力 发 电塔 系 统进 行 一 些 简化 处 理 ， 要 考 虑 塔 顶 上 方 机 舱 和 轮毂 总 质 量 及 还 转动惯 量 、 叶的合 理化 建模 、 桨 构件 之 间 的耦 合方 法 以及单 元类 型 的选 择 。
力 。 目前 ， 瓦大 型风力 发 电机得 到 越来 越 广 泛 的应 用 ， 兆 大型 风 机 具 有 转 动 惯 量 大 ， 作 风 速 范 围广 泛 ， 工
桨 叶和塔 筒柔性 较 大等 特点 … ， 了风 力 发 电机 的安 全 性 ， 力 发 电机 就 需 要 具 有 良好 的动 态 特 性 。模 为 风 态分 析用 于分 析结 构 固有 特 性 ， 即确 定 频 率 和结 构 的 固有 振 型 。通 过 对 风 力 发 电塔 系 统进 行 模 态 分 析 ，
桨 叶和 塔筒 之 间的耦合 Ｊ但 忽 略 了两 者 之 问弯 矩 、 矩 和轴 力 的传 递 。依 据 风力 发 电塔 系统 主 要 构 件 ， 扭 的特点 ， 并在 已有 模 型的基 础上 ， 出 了考虑 “ 叶一轮 毂一 机舱 一 塔筒 ” 提 桨 耦合 的整 体建 模 的方法 ， 现 了 体
收稿 日期 ：００— ６—３ ２ １ ０ ２
作者 简介 ： 马跃强
男
１８ ９ ２年出生
博士研究生
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ２
石家庄 铁道 大 学学报 （自然 科 学版 ）
第２ ３卷
（） １ 塔筒建 模 。大 中型水 平轴 风力 发 电机 塔 筒 主要 用 于支 撑 桨 叶 和机 舱 ， 为 圆筒 型 或 锥筒 型 的结 多
风 力发 电塔 系 统 整体 建 模 与 模 态 分 析 研 究
马 跃 强
（ 同济 大 学 土 木工 程 学 院 ， 海 上 ２ ０９ ） ０ ０ ２
摘 要 ： 了判 断风 力发 电塔 系统 是 否 能避 开共 振 ， 对 其进 行 模 态分 析 。提 出 了考 虑 “ 为 需 桨
叶一 轮 毂一 机 舱一 塔 筒 ” 合 的整 体建 模 的 方 法 ， 用 于 风 力发 电塔 系统 模 态的 计 算 。分 别 进 耦 可 行 了停机 阶段 、 行 阶段 和切 出阶段 的模 态分析 ， 比其 频 率和 固有振 型 。对 比结果 表 明 ： 个 运 对 三 阶段 的频率基 本 相 同 ， 须验 算停 机 状 态 下 的频 率 满 足 规 范 即 可 ； 筒 的振 动 形 式主 要 为 侧 向 只 塔 弯曲振 动 、 后 弯 曲振 动 和扭 转振 动 ； 前 桨叶在 前 十阶 的振 动 形 式 主要 为挥 舞 振 动 和摆 振 ， 三 桨 且 叶振 动存 在 一 定的规律 ； 对 于停机 阶段 ， 行 阶段 时振 型基 本相 同 ， 出阶段 时振 型有 较 大差 相 运 切
异。
关键 词 ： 力发 电塔 系统 ； 风 共振 ； 整体 建模 ； 态分析 模
中图分类 号 ：Ｕ ７ ． 文献 标 识码 ： Ｔ ２９ ７ Ａ 文章 编 号 ： ０ ５— ３ ３ ２ １ ）４— ０ １ ０ ２ ９ ０ ７ （０ ０ ０ ０ ２ — ５
随着 人们 对能 源 和环境 问题 的关 注 ， 风力 发 电技术 得 到迅 速 发 展 ， 国风 能 资源 丰 富 ， 巨大 发 展潜 我 有