水平轴风力发电机塔架的振动模态分析

文章编号:1673 5196(2009)02 0033 04

水平轴风力发电机塔架的振动模态分析

赵荣珍1,2,吕 钢1,2

(1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州 730050; 2.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050)

摘要:根据多自由度模态分析理论,对水平轴风力发电机塔架的振动模态进行数学建模和仿真.运用次空间迭代法对模型进行数值计算,分析塔架在自由振动时的力学特性,获取塔架的固有频率和振型.结果表明,塔架的一阶固有频率高于叶片通过频率,属于刚性塔,不会因风轮激励而产生共振;依据振动理论,塔架振动过程的能量主要集中于一、二阶频率处,而一、二阶振型均为摆振,因此摆振是塔架的主要振动方式,是引起塔架疲劳破坏的主要原因.

关键词:水平轴风力发电机;塔架;有限元;模态分析;振动频率

中图分类号:T K89 文献标识码:A

Modal analysis of vibration of tower of horizontal axis wind turbine

ZH AO Rong zhen1,2,LU Gang1,2

(1.Key Laboratory of Digital M an ufacturin g T echnology and Application,T he M inistry of Education,L anz hou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China; 2.College of M ech ano Electronic Engin eering,Lanzh ou U niv.of Tech.,Lanz hou 730050,C hina)

Abstract:According to the theor y of multim odal analysis,mathematical m odeling and simulatio n of vibra tional m ode w ere conducted for the tow er o f horizontal ax is wind turbine.Num erical evaluation of the model w as perfo rmed by using sub space iteration m ethod and the mechanical character istics o f the tow er w ith natural oscillation w as analyzed so that its inher ent frequency and inherent vibr ation mode w ere ob tained.It w as show n by the analy sis that the first order innate frequency o f the tow er w as hig her than blade passing frequency(BPF),m eaning that the tow er w as a r ig id one and its resonance might be caused by the stim ulation of w ind w heel w o uld no t take place.A cco rding to v ibration theory,the energ y of tow er vibr ation w as fo cused at the first and second order frequency o n its the vibration mode,show ing that the shimmy w as the m ain tow er vibr ation m ode w hich w as the main reason of tow er fatigue.

Key words:horizontal ax is w ind turbine;to w er;finite elem ent;m odal analysis;vibration frequency

被称为 蓝天白煤的风力资源,是一种取之不尽,又不会产生污染的可再生能源.目前国外的商品化大型风力发电机组的单机容量已发展到10M W 级水平,塔架最大高度已达120m[1],随着塔架高度的不断增加,作用在塔架上的载荷的交变性和随机性更为明显,其本身又是弹性结构,因此塔架的振动是不可避免的.振动带来的疲劳会降低材料的强度,缩短整机的使用寿命.所以对塔架的结构动力学特性分析是风力机研究工作的一项重要环节.

收稿日期:2008 07 04

基金项目:国家自然科学基金(50875118),兰州市科技攻关项目(2008 1 16)

作者简介:赵荣珍(1960 ),女,山东枣庄人,博士,教授,博导. 近年来,有限元法已广泛应用于塔架结构的计算.国内许多研究者[2 6]对塔架的动态特性做了研究,如在国家 八五新能源科技攻关项目 风力机气动设计软件包结构动力学特性分析子包的研究中,陆萍等人[7 9]结合风力发电机组塔架几种典型结构的特点,采用自动划分单元网格技术,利用FOR TRAN语言编制了一个自动化程度较高的有限元前后处理程序,并且以筒型塔架为例计算了它的动态特性[6].但是,大部分研究主要是围绕珩架式塔架或小型风力发电机塔架为主,对兆瓦级的风力发电机的圆筒型塔架的振动模态分析还相对比较缺乏.基于此种状况,针对1.5M W风力发电机的圆筒型塔架,本文利用ANSYS软件,对大型风力发电机的

第35卷第2期2009年4月

兰 州 理 工 大 学 学 报

Jo ur nal of L anzho u U niv ersity of T echno lo gy

Vo l.35No.2

A pr.2009