水平轴风电机组钢筋混凝土塔筒反应谱分析

知识点：水平轴向风力发电机组

风电机组的塔架支撑机舱和叶轮, 是风电机组的骨架，它为叶轮提供所必须的高度，既承担风电机组的全部重量，又直接影响风电机组的工作可靠性和性能。因此了解风电机组塔架在工作时的应力、位移和振型是塔架设计的关键问题。近年来，随着风电机组单机容量逐渐增大，塔顶叶轮和机舱的重量也逐渐增大，这就要求塔架的结构尺寸和重量也越来越大。现在主流的钢结构塔架不仅用钢量大，在施工方面也相当困难。因此，一些研究人员开始把精力投放在钢筋混凝土塔架上。

中国是地震多发国家之一，而且众多风电场分布在地震高烈度区。风电机组的叶轮叶片位于塔筒顶部，刚度较小，在地震力作用下易产生端部的“鞭梢效应”，不利于叶片安全运行，而塔架顶部支撑机舱和叶轮，结构上头重脚轻，也不利于抗震。因此在风电机组结构安全设计时，考虑地震作用的影响至关重要。

近年来，不少研究人员研究了风电机组塔筒的动力特性。棚邉隆进行了 600kW 大型风力发电设施的运转振动与地震作用的组合荷载的动力分析。祝磊用SAP2000 计算了停机状态下7 台风电机组的地震反应谱响应，提出了钢筒塔架的剪力和弯矩计算公式，并研究了叶片的弯矩分布规律。张斌用ANSYS 建立了某1MW 风电机组钢塔筒模型，研究了其抗风、抗震特性。余长海建立了某1.25MW 风电机组的ANSYS 有限元模型，研究了钢筒和钢筋混凝土筒的动力特性及风荷载下的静、动态反应。贺广零考虑钢筒和钢筋混凝土筒两种塔架形式，用ANSYS 建立了某1.25MW风电机组的有限元模型，并分别计算了风、地震作用下的动力响应。毕继红设计了某2MW 风电机组预应力钢筋混凝土塔筒，并用ANSYS 分析其地震响应。

目前，大部分研究都集中在风电机组钢制塔筒，对混凝土塔筒的研究还很有限。本文建立风电机组混凝土塔筒有限元模型，进行模态分析，并按照中国抗震规范中的标准设计地震反应谱，选择某一特定的设计分组以及设防烈度，进行地震反应谱分析。

模型建立

本文分别选取钢筋混凝土塔筒底部外径6m、7m、8m、9m、10m、11m，壁厚从200mm －600mm 每100mm 一个间隔的塔筒形式，总共分析了30 种规格。钢筋混凝土塔高100m，外径从下到上按0.02 的坡度逐渐减小，筒壁采用强度等级C30 混凝土，弹性模量为3.0×104MPa，质量密度为2410kg/m3；钢筋采用HRB400 级，弹性模量为200GPa。运用ANSYS 有限元软件建立模型，参照某大型风电机组参数，把叶轮和机舱简化成一个550t 的集中质量，采用mass21 单元加在塔筒顶部；塔筒采用beam189单元模拟变截面，《高耸结构设计规范》6.2.2 规定计算结构自振特性时，混凝土高耸结构的截面刚度取0.85EcI，因此ANSYS 建模时混凝土的弹性模量取0.85Ec，材料弹性模量E=2.55×104MPa, 泊松比为0.167，材料密度为2410kg/m3；塔筒与地面刚接。定义沿塔筒高度方向为Z 轴正方向，塔筒横截面方向分别为X 轴和Y 轴。以塔筒外径7m，壁厚200mm 为例，有限元模型如图1 所示。

模态分析

模态分析用来确定结构或构件的振动特性，即固有频率和振型。同时，模态分析也是其他动力学分析（如反应谱分析）前期必须完成的环节。在ANSYS 中提取模态的方法有：Block Lanczos 法、Subspace 法、Reduced法、Unsymmetric法、Damped 法等。本文采用BlockLanczos 法进行模态分析，提取前10 阶频率和对应的振型。部分频率及相应振型图如表1 及图2 所示。

由于把风电机组的机舱和叶轮看作集中质量加载在混凝土塔筒的顶端，因此本文所建立模型属对称型。模型在X、Y 方向质量和刚度分布相同，分别导致第1 阶频率和第2 阶频率以及第3 阶频率和第4 阶频率一样。通过观察动态显示，其中第1 阶振型特征和第3 阶振型特征沿Y 方向弯曲振动；第2 阶振型特征和第4 阶振型特征沿X 方向振动；第7 阶振型特征沿Z 方向轴向振动，第10 阶振型特征沿X、Y 平面扭转振动。

选取塔顶外径7m、11m 壁厚200mm 的模型，对X、Y 方向的1 阶和2 阶模态进行无量纲化处理，横坐标为振型位移与塔顶位移的比值，纵坐标为塔架Z 坐标与塔架高度的比值，见图3。

因1 阶频率和2 阶频率相同，由图3 可知，风电机组混凝土塔筒的1 阶、2阶模态重合；且不同尺寸的混凝土塔筒1 阶、2 阶模态曲线走向相似。

经建模计算，本文所列其他尺寸混凝土塔筒振型特征与之相似，在此不一一列出。

反应谱分析

依据中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011 －2010）所采用的相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度，即Sa/g 与体系自振周期T 之间的关系作为设计反应谱。本文取抗震设防烈度8 度，多遇地震，场地类别IV，设计地震分组三，特征周期Tg=0.90s。依照中华人民共和国国家标准《烟囱设计规范》（GB50051 －2002）中混凝土烟囱规定的阻尼比，取0.05。经计算本文所对应的地震影响系数曲线图如图4 所示。

模态分析后，继续用ANSYS 有限元软件进行地震反应谱分析，地震加速度分别从X、Y 两个方向分别输入。

地震加速度从X 方向输入，进行有限元振型分解反应谱法分析得到位移场分布等值线图如图5 所示。

图5 显示，将风电机组的叶轮和机舱简化成集中质量加载在塔筒顶部，得出高100m，底部外径7m，壁厚200mm 的混凝土塔筒顶部位移最大值为0.256m，为高度的0.256%。

将叶片和机舱简化成集中质量加载在塔筒顶部导致该模型属对称型，因此从X 方向和Y 方向输入地震加速度得出的结果是一样的，本文不再列出。

输入地震反应谱计算后，选取混凝土塔筒不同高度截面所对应的弯矩，并将其进行无量纲化处理，横坐标为塔筒各个截面弯矩与塔底弯矩的比值，纵坐标为塔架Z 坐标与塔架高度的比值，得出混凝土塔筒各个截面弯矩沿塔筒高度的分布情况如图6 所示。

图6 显示，不同尺寸的风电机组钢筋混凝土塔筒在地震作用下，弯矩沿着塔筒高度的分布曲线大致相同且接近重合，呈近似线性关系。另外，最大弯矩发生在塔筒底部。

图7 显示， 不同尺寸的风电机组钢筋混凝土塔筒在地震作用下， 剪力沿着塔筒高度的分布曲线走向趋势大致相同且接近重合。另外，最大剪力均发生在塔筒底部。

结论

（1）通过将风电机组的叶片和机舱简化成集中质量加载在塔筒顶部，用有限元软件建立混凝土塔筒简化模型，模拟了混凝土塔筒的动力特性。

（2）进行模态分析计算，得出风电机组混凝土塔筒的各阶频率以及相应的振型图。由于简化后的混凝土塔筒属对称型，因此不同尺寸混凝土塔筒的1 阶频率和2 阶频率以及3 阶频率和4 阶频率相同，所对应的振型图也一致，只是方向不同。另外，不同尺寸的混凝土塔筒1 阶、2 阶模态曲线走向相似。

（3）通过输入地震加速度谱进行反应谱分析，得出多种规格混凝土塔筒的截面弯矩、剪力沿塔筒高度的分布情况，结果显示其走向大致相同且接近重合，弯矩、剪力沿塔筒分布呈近似直线关系。弯矩和剪力在风电机组钢筋混凝土塔筒底部最大。（完）

相关推荐链接：

1、异步电机软运行机理探究

2、同步发电机运行技术与实践