戴靠山等：运转工况下风电塔抗震分析 ·1599· 机容量的34.6%)，随着风电技术日渐成熟，风力发 电场的分布范围越来越广，部分风电塔建设在地震多 发区.目前多数研究是对风电塔在纯风或纯震下进行 分析2-)，也有少部分学者关注了风与地震组合的情 况5-).风电塔顶部一般设有传感器，当塔顶振动过大 时风机控制系统会紧急制动，所以通常认为强震下风 电塔处于停机工况.但也存在由于地震持续时间较短 来不及完全制动，或者传感器失效的情况，即为风机运 转和地震作用同时发生的工况.国际电工技术委员会 风力发电机组设计要求规范(EC61400-1)[⑧例规定了 22种设计荷载工况，风机运转下的极端工况也被列在 其中.运转工况下，为提高发电效率，风机控制系统将 风轮调节至与来流风垂直方向.然而，地震方向是不 确定的，故而地震方向和风来流方向具有不同的夹角 (以下简称风震组合角)，并可能带来不同的结构响 应.本文基于某典型风电塔结构，在风轮运转工况下， 考虑不同风震组合角进行结构弹性响应计算，探讨确 定最不利风震组合角，并进一步利用精细有限元模型 在最不利风震组合角下对该风电塔进行弹塑性倒塔分 图1风电塔示意图（单位：mm) 析，明确风电塔在风机运转工况下的地震破坏模式， Fig.1 Schematic illustration of wind turbine (unit:mm) 1风震组合角分析 范[)的风参数设计要求，湍流强度取0.16，湍流模型 设为NTM(正常湍流模型)，功率谱选用EC Kaimal 1.1基于多体动力学的FAST模型 谱，风剖面类型采用指数型剖面.风速时程根据以上 使用美国可再生能源实验室基于多体动力学开发 参数使用Turbsim软件[2生成.关于风电塔抗震分析 的风电塔设计软件FAST(fatigue,aerodynamics,struc-- 的地震输入可采用单向5,7.或双向[6，本文定义风 tures,turbulence)及Seismic模块[9-o]对某风电塔建模 来流方向和主震方向的夹角为风震组合角，将双向 并开展风震组合下的结构响应分析.该风电塔是Nor 地震简化为单向地震输入进行计算分析.考虑近断 dexS701.5MW风电机组，轮毂高度为64.65m,塔 层地震可能具有更大危险性]，本文选择经典地震 筒总高63.15m,包括1.441m的地面以上基础（刚性 动El Centro1940南北向记录（以下简称El Centro 段)：塔筒底部直径为4.035m,顶部直径为2.955m;底 波)，加速度峰值为0.262g,在风时程45s输入，经过 部最大壁厚为25mm,接近顶部最小壁厚为10mm;风 试算表明在该荷载强度下结构还处于弹性.在水平 轮半径为35m,轮毂半径为1.75m:示意图如图1. 面上逆时针每隔30输入一次地震动并通过FAST进 该风电塔的塔简总质量为911，叶片（包括轮毂） 行响应计算，如图2所示.计算完成后，提取X向和 总质量为26.886t,机舱总质量为601：发电机关于高 Z向的结构响应，用平方和开平方根(square root of 速轴的转动惯量为53.036kg·m2,轮毂关于风轮轴的 the sum of the squares,SRSS)方法得到总响应.对比 转动惯量为34600kg·m2:塔简材料为钢材，弹性模量 为210GPa,密度为7850kg·m3,由于FAST软件仅能 进行弹性阶段计算，因此FAST模型中不考虑材料的 地震动单次 塑性：设置结构阻尼比为1%，运转下的气动阻尼可由 输人方向 FAST根据运行状况及外部风荷载自动计算：为了更真 实的模拟运行状况，运转工况下设置有变桨距系统，即 政 随着风速变化改变桨距角，以维持风轮转速稳定保证 风来流方向 额定发电功率，稳定发电转速为20.463r·min;没有 设置偏航系统，因为考虑到地震持时较短，在此期间认 为风的方向不会剧烈变化 风轮旋转平面 1.2荷载参数设置及分析方法 图2计算工况示意图 该风电塔等级为二级A类，根据EC61400-1规 Fig.2 Schematic illustration of calculation case戴靠山等: 运转工况下风电塔抗震分析 机容量的 34郾 6% [1] ,随着风电技术日渐成熟,风力发 电场的分布范围越来越广,部分风电塔建设在地震多 发区. 目前多数研究是对风电塔在纯风或纯震下进行 分析[2鄄鄄4] ,也有少部分学者关注了风与地震组合的情 况[5鄄鄄7] . 风电塔顶部一般设有传感器,当塔顶振动过大 时风机控制系统会紧急制动,所以通常认为强震下风 电塔处于停机工况. 但也存在由于地震持续时间较短 来不及完全制动,或者传感器失效的情况,即为风机运 转和地震作用同时发生的工况. 国际电工技术委员会 风力发电机组设计要求规范( IEC 61400鄄鄄1) [8] 规定了 22 种设计荷载工况,风机运转下的极端工况也被列在 其中. 运转工况下,为提高发电效率,风机控制系统将 风轮调节至与来流风垂直方向. 然而,地震方向是不 确定的,故而地震方向和风来流方向具有不同的夹角 (以下简称风震组合角),并可能带来不同的结构响 应. 本文基于某典型风电塔结构,在风轮运转工况下, 考虑不同风震组合角进行结构弹性响应计算,探讨确 定最不利风震组合角,并进一步利用精细有限元模型 在最不利风震组合角下对该风电塔进行弹塑性倒塔分 析,明确风电塔在风机运转工况下的地震破坏模式. 1 风震组合角分析 1郾 1 基于多体动力学的 FAST 模型 使用美国可再生能源实验室基于多体动力学开发 的风电塔设计软件 FAST( fatigue, aerodynamics, struc鄄 tures, turbulence)及 Seismic 模块[9鄄鄄10] 对某风电塔建模 并开展风震组合下的结构响应分析. 该风电塔是 Nor鄄 dex S70 1郾 5 MW 风电机组[11] ,轮毂高度为 64郾 65 m,塔 筒总高 63郾 15 m,包括 1郾 441 m 的地面以上基础(刚性 段);塔筒底部直径为 4郾 035 m,顶部直径为 2郾 955 m;底 部最大壁厚为 25 mm,接近顶部最小壁厚为 10 mm;风 轮半径为 35 m,轮毂半径为 1郾 75 m;示意图如图 1. 该风电塔的塔筒总质量为 91 t,叶片(包括轮毂) 总质量为 26郾 886 t,机舱总质量为 60 t;发电机关于高 速轴的转动惯量为 53郾 036 kg·m 2 ,轮毂关于风轮轴的 转动惯量为 34600 kg·m 2 ;塔筒材料为钢材,弹性模量 为 210 GPa,密度为 7850 kg·m - 3 ,由于 FAST 软件仅能 进行弹性阶段计算,因此 FAST 模型中不考虑材料的 塑性;设置结构阻尼比为 1% ,运转下的气动阻尼可由 FAST 根据运行状况及外部风荷载自动计算;为了更真 实的模拟运行状况,运转工况下设置有变桨距系统,即 随着风速变化改变桨距角,以维持风轮转速稳定保证 额定发电功率,稳定发电转速为 20郾 463 r·min - 1 ;没有 设置偏航系统,因为考虑到地震持时较短,在此期间认 为风的方向不会剧烈变化. 1郾 2 荷载参数设置及分析方法 该风电塔等级为二级 A 类,根据 IEC61400鄄鄄 1 规 图 1 风电塔示意图(单位: mm) Fig. 1 Schematic illustration of wind turbine (unit: mm) 范[8]的风参数设计要求,湍流强度取 0郾 16,湍流模型 设为 NTM(正常湍流模型),功率谱选用 IEC Kaimal 谱,风剖面类型采用指数型剖面. 风速时程根据以上 参数使用 Turbsim 软件[12]生成. 关于风电塔抗震分析 的地震输入可采用单向[5,7,13] 或双向[6,14] ,本文定义风 来流方向和主震方向的夹角为风震组合角,将双向 地震简化为单向地震输入进行计算分析. 考虑近断 层地震可能具有更大危险性[15] ,本文选择经典地震 图 2 计算工况示意图 Fig. 2 Schematic illustration of calculation case 动 El Centro 1940 南 北 向 记 录 ( 以 下 简 称 El Centro 波) ,加速度峰值为 0郾 262g,在风时程 45 s 输入,经过 试算表明在该荷载强度下结构还处于弹性. 在水平 面上逆时针每隔 30毅输入一次地震动并通过 FAST 进 行响应计算,如图 2 所示. 计算完成后,提取 X 向和 Z 向的结构响应,用平方和开平方根( square root of the sum of the squares, SRSS)方法得到总响应. 对比 ·1599·