风电机组塔筒振动的分析与测量

　　1 引言
　　塔筒是风电机组中的主要支承装置，它将机舱和风轮托举到所需的高度。在机组的整个寿命周期内，塔筒受到风轮、机舱以及自身重力作用的同时，还受到各种风况（正常风况、极端风况）引起的动载荷作用，承受大小和方向随时变化的疲劳载荷和极限载荷。因此设计时必须保证塔筒具有足够的强度、刚度和稳定性。
　　塔筒的振动分析与控制是风电机组设计过程中必须进行的工作之一。由于风轮在一定范围内转动，且风轮的转速时刻都在发生变化，因此设计时必须考虑风电机组运行时变载荷、变转速的特性，通过对各个部件动态特性及其耦合特性的设计，保证整个机组在工作过程中的平稳及安全可靠运行。通过对塔筒振动的测量和分析，可以了解实际工作过程中塔筒的振动水平及频率成分，对引起塔筒振动的原因进行具体分析，并对设计进行验证。
　　2 塔筒的载荷分析
　　目前，风电机组塔筒大都为锥形结构，其顶端安装有较大质量的机舱和在风载荷作用下旋转的风轮， 如图1 所示。概括起来，作用在塔筒上的载荷主要有以下几类：

图1 风力发电机组

图2 塔筒载荷和振动仿真结果

　　(1) 气动力：作用在塔筒顶部的风轮上的气动力是塔筒载荷的主要来源。此外， 风载荷直接作用在塔筒上也会对塔筒产生动载荷。
　　(2) 重力：机舱和风轮重力直接作用于塔筒顶部，是塔筒设计和机组安装时必须考虑的一个重要参数。机舱和风轮的重心位置也是设计时必须考虑的一个重要参数。
　　(3) 惯性载荷：由于风载荷的随机性，会引起塔筒的振动，而这种振动会产生惯性力，不但引起塔筒的附加应力，而且还会影响塔筒顶端叶轮的变形和振动。
　　(4) 控制系统的运行载荷：风电机组在运行过程中，控制系统和保护系统使机组启动、停车（包括紧急停车）、偏航、变桨、脱网时，都会引起机组结构和塔筒部件的载荷变化。
　　图2 为仿真得到的停车过程中塔筒顶部的倾覆力矩和振动