md控制風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

md控制風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究隨著人們對(duì)能源和環(huán)境的關(guān)注和可持續(xù)發(fā)展的理念的迫切需要，我們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注治理能力，并正在迅速發(fā)展。愈來(lái)愈多的風(fēng)力發(fā)電塔在地震活躍地區(qū)興建,因而對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔在地震作用下的響應(yīng)及如何控制減小這種響應(yīng)進(jìn)行研究具有非常重要意義。風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)的現(xiàn)有研究工作主要集中在系統(tǒng)建模及動(dòng)力響應(yīng)分析方面。Lobitz提出了風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的質(zhì)量-阻尼-彈簧模型,將塔體和漿葉離散為多自由度質(zhì)點(diǎn)體系,對(duì)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)荷載動(dòng)力時(shí)程分析;Bazeos等采用改進(jìn)前人的質(zhì)量-阻尼-彈簧模型將塔體分三段,每段采用相同尺寸建模,對(duì)風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)進(jìn)行了地震動(dòng)力時(shí)程分析;Murtagh等提出了基于剪力傳遞的漿葉和塔體耦合的有限元模型,明確了塔體和漿葉的耦合機(jī)制,對(duì)并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)荷載動(dòng)力時(shí)程分析。目前風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)抗震性能的試驗(yàn)及減振控制研究還較少。質(zhì)量調(diào)諧阻尼(TMD)是土木工程振動(dòng)控制領(lǐng)域較為成熟的一種被動(dòng)控制技術(shù),它是通過(guò)一外加子結(jié)構(gòu)對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力調(diào)諧,以減小主結(jié)構(gòu)的振動(dòng),而無(wú)須對(duì)主結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的加強(qiáng)措施。本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)的地震動(dòng)力響應(yīng)及TMD振動(dòng)控制效果進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值仿真分析研究。1振動(dòng)源試驗(yàn)研究1.1災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)在TMD質(zhì)量比和頻率比確定的情況下進(jìn)行,試驗(yàn)內(nèi)容包括:風(fēng)塔模型的自振特性測(cè)定和結(jié)構(gòu)有無(wú)TMD設(shè)置時(shí)的地震響應(yīng)測(cè)試。1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛅d裝置的性能1.2.1片螺旋葉塔體結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電塔原型實(shí)際高度為129.16m,模型結(jié)構(gòu)高度的尺寸縮比定為1/13,即模型高度9.934m。從整體上看,結(jié)構(gòu)由三片螺旋槳葉、機(jī)艙、塔體構(gòu)成,三片螺旋槳葉均勻匯集于輪轂,并通過(guò)機(jī)艙與塔體剛接。塔體結(jié)構(gòu)由下向上共分4節(jié)段,塔底外徑300mm,厚度4mm,塔頂外徑196mm,外徑3mm。機(jī)艙長(zhǎng)920mm,寬760mm,高460mm,重量551kg。槳葉長(zhǎng)2400mm,截面采用中空矩形,尺寸為80mm×40mm×3mm。模型材料為Q345D。1.2.2tmd裝置結(jié)構(gòu)與外框連接試驗(yàn)所采用質(zhì)量調(diào)諧阻尼器為雙向TMD系統(tǒng),TMD裝置的質(zhì)量塊通過(guò)彈簧與外框連接,外框利用螺栓剛性連接在風(fēng)塔頂部。通過(guò)增減彈簧數(shù)量可以改變TMD裝置的剛度,同時(shí)配合質(zhì)量塊的質(zhì)量改變可以得到需要的TMD結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比和頻率比。試驗(yàn)時(shí),TMD質(zhì)量塊的質(zhì)量為23.5kg。1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度輸入有:實(shí)際地震記錄El-Centro波、Chichi波、風(fēng)-海浪等效波DX1和DX2。試驗(yàn)中所有地震動(dòng)輸入均采用X向輸入。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分別為0、15rpm和30rpm。首先進(jìn)行無(wú)控試驗(yàn),然后安裝TMD,進(jìn)行有控試驗(yàn)。為考察風(fēng)塔在不同轉(zhuǎn)速下的自振特定,試驗(yàn)中不同轉(zhuǎn)速的工況均進(jìn)行白噪聲掃頻。1.4試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析1.4.1模型識(shí)別白噪聲激勵(lì)下,得到無(wú)控和有控狀態(tài)下風(fēng)塔不同高度處的X向前兩階振型的自振頻率如表1所示。1.4.2不同因素下響應(yīng)的響應(yīng)在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中,設(shè)置槳葉轉(zhuǎn)速為0、15rpm和30rpm三級(jí),用來(lái)研究槳葉旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)塔在不同地震波下響應(yīng)的影響。以塔頂相對(duì)位移、絕對(duì)加速度作為對(duì)比對(duì)象,在不同加速度幅值的El-Centro波輸入下,風(fēng)塔模型塔頂相對(duì)位移及絕對(duì)加速度的對(duì)比結(jié)果如圖1所示。由圖1中可以看出,在實(shí)際地震動(dòng)作用下,槳葉的旋轉(zhuǎn)可以降低風(fēng)塔的塔頂響應(yīng),但降低幅度很小且隨著地震波加速度峰值的增高,這種影響越來(lái)越小。1.4.3tmd對(duì)風(fēng)力發(fā)電高架系統(tǒng)響應(yīng)的控制效果在槳葉靜止?fàn)顟B(tài),以相對(duì)位移、絕對(duì)加速度為對(duì)比對(duì)象,在El-Centro波和Chichi波和等效波DX1作用下,風(fēng)塔型在控制前后X向塔頂相對(duì)位移和絕對(duì)加速度相對(duì)位移和絕對(duì)加速度的時(shí)程曲線對(duì)比結(jié)果如圖2所示,可見(jiàn)TMD對(duì)風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)具有良好的減震控制效果。限于篇幅,本文不給出所有工況下塔頂響應(yīng)的時(shí)程曲線,將所有工況下試驗(yàn)所測(cè)TMD對(duì)塔頂相對(duì)位移及絕對(duì)加速度的控制效果匯于表2和表3種中。由表中數(shù)據(jù)可知,TMD能有效減弱風(fēng)力發(fā)電塔在風(fēng)-海浪等效荷載作用及實(shí)際地震作用下風(fēng)力發(fā)電高塔的動(dòng)力響應(yīng),且在風(fēng)-海浪等效作用下的控制效果優(yōu)于在實(shí)際地震作用的控制效果;在實(shí)際地震作用下,TMD對(duì)于風(fēng)力發(fā)電塔的控制效果也各不相同,且實(shí)際地震波加速度幅值越高,TMD對(duì)塔頂響應(yīng)的控制效果越好;在實(shí)際地震作用下槳葉轉(zhuǎn)速15rpm時(shí)的控制效果最好,優(yōu)于靜止和轉(zhuǎn)速為30rpm的工況;在風(fēng)-海浪等效荷載下,隨轉(zhuǎn)速的提高,控制效果逐漸減弱。2試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢薹治?.1語(yǔ)言特性分析采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)風(fēng)塔模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模?？紤]到塔體與槳葉一個(gè)方向的尺寸和另兩個(gè)方向的尺寸相差較大,采用Shell181單元模擬。在整體分析過(guò)程中,我們只關(guān)心機(jī)艙和輪轂的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,而不關(guān)注其內(nèi)部構(gòu)件的細(xì)部特征,將機(jī)艙用Beam189單元模擬,輪轂用Mass21單元模擬,槳葉截面形狀簡(jiǎn)化為中空矩形,采用Beam188單元模擬,槳葉、輪轂、機(jī)艙間用cerig命令剛性連接。風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)一體化有限元模型如圖3所示。2.2風(fēng)塔模型模態(tài)分析為了確定風(fēng)塔模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征及建模的有效性,為其后的時(shí)程分析做準(zhǔn)備,首先利用ANSYS軟件對(duì)風(fēng)塔模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。有限元模擬第一階振型為X向振動(dòng),第二階振型為Y向振動(dòng),與試驗(yàn)頻率識(shí)別結(jié)果一致。模態(tài)分析所得頻率結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)比如表4。由表4中數(shù)據(jù)可見(jiàn),ANSYS數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)識(shí)別結(jié)果差別很小,證明用該有限元模型模擬原風(fēng)塔模型的動(dòng)力學(xué)行為是有效可行的。2.3el-centro波下的塔架位移利用ANSYS軟件對(duì)風(fēng)塔有限元模型進(jìn)行時(shí)程分析,以風(fēng)塔塔頂位移為對(duì)象,在El-Centro波下塔頂位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖4和圖5。從圖中可見(jiàn):結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)記錄的位移時(shí)程曲線吻合良好。3tmd對(duì)塔塔響應(yīng)的影響通過(guò)風(fēng)力發(fā)電塔TMD控制振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和有限元分析綜合研究,可得出如下結(jié)論:(1)TMD能夠有效減弱風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)在不同地震動(dòng)輸入下的振動(dòng)響應(yīng),減弱效果與地震動(dòng)輸入的頻率分布有