董霄峰，練繼建，王海軍

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海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)與特性分析

董霄峰1, 2，練繼建1，王海軍1

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津大學(xué)前沿技術(shù)研究院有限公司，天津 301700)

以某海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)為研究對(duì)象，基于現(xiàn)場原型觀測獲取整體風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在停機(jī)、正常運(yùn)行、開(停)機(jī)及臺(tái)風(fēng)工況下的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地分析海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)頻域特性與變化規(guī)律，探討影響海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的關(guān)鍵因素及其對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)安全性的影響規(guī)律．結(jié)果表明：在風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)隨環(huán)境風(fēng)速的增加而顯著增大；而運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響效應(yīng)明顯，對(duì)振動(dòng)變化起到主導(dǎo)作用．海上風(fēng)機(jī)在開(停)機(jī)過渡過程中振動(dòng)顯著大于正常運(yùn)行狀態(tài)，臺(tái)風(fēng)期風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)超過實(shí)測最大風(fēng)速時(shí)停機(jī)工況的響應(yīng)．塔筒頂部與基礎(chǔ)頂部振動(dòng)響應(yīng)同步性說明整體風(fēng)機(jī)具有很好的變形協(xié)調(diào)性．

海上風(fēng)電；現(xiàn)場實(shí)測；振動(dòng)特性；運(yùn)行因素；臺(tái)風(fēng)工況

海上風(fēng)電工程具有大風(fēng)速、高產(chǎn)出及長壽命等優(yōu)勢，近年來得到了快速發(fā)展[1]．然而，隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量逐漸增加，相應(yīng)的配套葉片長度與塔筒高度也隨之增大，例如我國福建平海灣海上風(fēng)電場[2](容量5MW、葉片64.0m、塔筒90.0m)與英國Westermost海上風(fēng)電場[3](容量6MW、葉片77.0m、塔筒102.0m)等．海上風(fēng)機(jī)逐漸呈現(xiàn)大容量、高塔筒、長葉片的發(fā)展趨勢，由于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與葉輪葉片均屬于柔性結(jié)構(gòu)，因此，隨這種變化而來的一個(gè)重要問題就是風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全問題．

近年來，隨著測試方法與監(jiān)測技術(shù)逐漸成熟，學(xué)術(shù)界基于實(shí)測數(shù)據(jù)來獲悉風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性方面的研究迅速發(fā)展．Kusiak等[4]通過對(duì)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)、頻域分析，以說明結(jié)構(gòu)振動(dòng)與識(shí)別反饋參數(shù)間的關(guān)系．Bassett等[5]針對(duì)一臺(tái)2.3MW風(fēng)機(jī)，實(shí)測開機(jī)與穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的加速度數(shù)據(jù)，通過小波分解獲得結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征．馬人樂等[6]對(duì)3臺(tái)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行現(xiàn)場測試，提出“槳葉-輪轂-機(jī)艙-塔筒”整體耦合建模方法，指導(dǎo)風(fēng)機(jī)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)分析與振動(dòng)控制．Yang等[7]考慮數(shù)據(jù)間相關(guān)性，提出一種有效的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的安全評(píng)估．Schlechtingen等[8-9]基于風(fēng)機(jī)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)提出一種新的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)模型，以測試不同種類監(jiān)測信號(hào)．Kilic等[10]利用無線傳感器建立一套新型的風(fēng)電測試系統(tǒng)SESHMS，并通過現(xiàn)場測試進(jìn)行驗(yàn)證．Hu等[11-12]對(duì)5MW風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行長達(dá)兩年的現(xiàn)場測試，通過獲得的動(dòng)態(tài)信號(hào)研究結(jié)構(gòu)共振、環(huán)境與運(yùn)行因素對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)力特性的影響．Currie等[13]將結(jié)構(gòu)整體無線測試技術(shù)引入到原型觀測中，通過位移測試評(píng)估風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定性，并對(duì)嵌入式連接環(huán)的變形進(jìn)行預(yù)警．姚興佳[14]通過對(duì)某風(fēng)電場風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特征與振動(dòng)隨著機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生顯著改變．

綜上所述，目前研究對(duì)整體海上風(fēng)機(jī)及支撐結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測較少，持續(xù)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)特性還缺乏全面深入的研究．在前期研究中，雖然對(duì)塔筒頂部振動(dòng)特性開展探討并實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工作模態(tài)變化規(guī)律的研究[15]，但從結(jié)構(gòu)整體安全角度出發(fā)，還缺少針對(duì)風(fēng)機(jī)底部振動(dòng)特性及響應(yīng)異同性的研究．因此，本文針對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的停機(jī)狀態(tài)、正常運(yùn)行、開停機(jī)及臺(tái)風(fēng)等不同工況，開展風(fēng)機(jī)時(shí)頻振動(dòng)特征及影響規(guī)律研究，對(duì)比分析影響海上風(fēng)機(jī)頂部與底部振動(dòng)的關(guān)鍵因素，并探討整體風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)安全性．本文第1部分介紹研究海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)的工程概況，第2部分則通過數(shù)值模擬方法掌握海上風(fēng)機(jī)自振特性，第3、4、5部分基于實(shí)測響應(yīng)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析風(fēng)機(jī)在不同工況下的時(shí)、頻振動(dòng)特性，第6部分為文章結(jié)論．

1?工程概況

測試所用海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)位于我國黃海海域內(nèi)，額定功率2.5MW，額定轉(zhuǎn)速18r/min，基礎(chǔ)采用復(fù)合式筒型基礎(chǔ)形式[16-17]．風(fēng)機(jī)葉輪直徑93.4m，輪轂高度80.0m，塔筒為3段式安裝，機(jī)艙與塔筒及相鄰塔筒之間設(shè)有工作平臺(tái)．本次測試在塔筒內(nèi)部由上至下布置5個(gè)測點(diǎn)，位置為距離工作平臺(tái)高約1.5m處的塔筒壁上，具體布置位置如圖1所示．傳感器選擇低頻振動(dòng)位移傳感器，頻響范圍最低可達(dá)到0.1Hz，為三向測振，滿足采集結(jié)構(gòu)低頻多向振動(dòng)信號(hào)的試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

圖1?工程位置與原型觀測測點(diǎn)布置

2?海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)自振特性

為了更好地說明風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，先按風(fēng)機(jī)實(shí)際尺寸在有限元軟件ADINA中構(gòu)建數(shù)值模型．基礎(chǔ)與塔筒分別賦予鋼筋混凝土與鋼材屬性，機(jī)艙、輪轂、葉片采用模型等效處理的方式建模，即保證結(jié)構(gòu)整體剛度與質(zhì)量不變的前提下采用較為簡單的體型來替代復(fù)雜的風(fēng)機(jī)機(jī)艙、輪轂、葉輪等結(jié)構(gòu)，各材料密度按每部分結(jié)構(gòu)實(shí)際質(zhì)量與模型中體積計(jì)算．風(fēng)機(jī)葉片材料參考GFRP材料的各項(xiàng)參數(shù)，采用正交各向異性材料形式模擬，選定葉片展向模量40.0GPa，剪切模量5.5GPa，泊松比取為0.22，常阻尼比0.02，密度經(jīng)簡化計(jì)算為146.08kg/m3．表1列出了數(shù)值模型主要結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)．

表1?模型各部分結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)

Tab.1?Equivalent material parameters of each model part

考慮到現(xiàn)場筒型基礎(chǔ)大部分埋于地基中，并經(jīng)過長時(shí)間作用與周圍土體形成了一個(gè)穩(wěn)定的整體，故為簡化計(jì)算將忽略基礎(chǔ)與土質(zhì)地基間的相互作用，同時(shí)將模型基礎(chǔ)下部與土體接觸部分的邊界條件按照全約束處理．在整體坐標(biāo)系下建立的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖2所示．通過模態(tài)分析獲得海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的前3階模態(tài)頻率與振型如圖3所示．由圖3可知，實(shí)測海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)前3階振動(dòng)頻率分別為0.36Hz、1.46Hz與2.56Hz，與基于實(shí)測數(shù)據(jù)的模態(tài)識(shí)別結(jié)果基本一致[18]，主要體現(xiàn)風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的第1、2階擺動(dòng)振動(dòng)形式．

圖2?實(shí)際海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與數(shù)值模型示意

圖3?海上風(fēng)機(jī)模態(tài)特性

3?正常工況風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性

3.1?停機(jī)工況

選取風(fēng)機(jī)頂部1#測點(diǎn)與底部5#測點(diǎn)作為參考，以實(shí)測風(fēng)速在2.0～10.0m/s范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)停機(jī)狀態(tài)下20組振動(dòng)響應(yīng)為研究對(duì)象，采樣時(shí)長為60s，以水平、向信號(hào)的均方根值作為研究標(biāo)準(zhǔn)[19]．圖4給出了海上風(fēng)機(jī)振動(dòng)隨環(huán)境風(fēng)速的變化規(guī)律，由于風(fēng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)工況下僅受到以風(fēng)荷載為主的環(huán)境激勵(lì)影響，因此其振幅與風(fēng)速間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，且在頻域上主要體現(xiàn)風(fēng)機(jī)1階固有模態(tài)頻率0.324～0.342Hz(如圖5所示)．對(duì)于1#測點(diǎn)水平向振動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速低于5.0m/s時(shí)振動(dòng)幅度變化較小，低于2.0mm，當(dāng)風(fēng)速超過5.0m/s時(shí)向振動(dòng)幅度迅速增加，并在風(fēng)速為10.0m/s時(shí)達(dá)到最大均方根值11.04mm．水平向振動(dòng)則呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，最大均方根值為5.95mm．塔筒底部振動(dòng)與頂部具有明顯的同步性，說明整體風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性較好，、向振動(dòng)最大均方根值分別為0.061mm與0.042mm．

圖4?停機(jī)工況下水平振動(dòng)隨風(fēng)速變化趨勢

圖5?停機(jī)工況下主頻率隨風(fēng)速變化趨勢

3.2?運(yùn)行工況

為證明所選運(yùn)行工況可以真實(shí)有效地表達(dá)各運(yùn)行因素與結(jié)構(gòu)振動(dòng)間的關(guān)系，繪制現(xiàn)場實(shí)測機(jī)組負(fù)荷與理論機(jī)組負(fù)荷比對(duì)如圖6所示，再繪制葉輪轉(zhuǎn)速隨實(shí)測風(fēng)速的變化如圖7所示．圖6說明隨風(fēng)速變化現(xiàn)場實(shí)測機(jī)組負(fù)荷分布趨勢與理論機(jī)組負(fù)荷分布基本保持一致，且滿足風(fēng)機(jī)機(jī)組理論功率曲線[20]．圖7說明葉輪轉(zhuǎn)速隨著運(yùn)行風(fēng)速的增加而逐漸增大，直至風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速12.0m/s時(shí)穩(wěn)定在18r/min運(yùn)行．由此可知，測試數(shù)據(jù)滿足直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行風(fēng)速與機(jī)組負(fù)荷、葉輪轉(zhuǎn)速間變化關(guān)系，實(shí)測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠．

圖6?實(shí)測負(fù)荷與理論負(fù)荷對(duì)比

圖7?葉輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化趨勢

圖8給出了兩測點(diǎn)水平、向振動(dòng)均方根值隨風(fēng)速的變化趨勢．由圖可知，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，風(fēng)速與水平向振動(dòng)幅度總體上呈現(xiàn)正相關(guān)性，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速3.0m/s后，風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行并產(chǎn)生明顯振動(dòng)；隨著風(fēng)速的不斷增大，風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速同時(shí)不斷增加，結(jié)構(gòu)振動(dòng)愈發(fā)劇烈；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速12.0m/s后，葉輪轉(zhuǎn)速基本保持不變，但由于運(yùn)行風(fēng)速的繼續(xù)增大導(dǎo)致作用在風(fēng)機(jī)上的荷載增加，故結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度會(huì)不斷增加．由圖可知，在運(yùn)行風(fēng)速均超過10m/s時(shí)，海上風(fēng)機(jī)1#與5#測點(diǎn)的水平向、向振動(dòng)最大，其均方根值分別為41.61mm、57.38mm與0.259mm、0.235mm．

圖8?水平向振動(dòng)隨風(fēng)速變化趨勢

由圖9可知，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下振動(dòng)的主要頻域信息具有顯著的變化規(guī)律．當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速未超過8r/min時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要體現(xiàn)環(huán)境激勵(lì)下的1階固有模態(tài)頻率(1#測點(diǎn)為0.319～0.358Hz，5#測點(diǎn)為0.324～0.374Hz)；而當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加后，風(fēng)機(jī)振動(dòng)在體現(xiàn)自振特性的同時(shí)，也會(huì)同時(shí)體現(xiàn)與實(shí)時(shí)葉輪轉(zhuǎn)頻相關(guān)的諧波信息；而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過14r/min后，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起諧波激勵(lì)，對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)起到主導(dǎo)作用，實(shí)測振動(dòng)信號(hào)中主要包含的是轉(zhuǎn)頻信息．而相比于1#測點(diǎn)，位于風(fēng)機(jī)底部的5#測點(diǎn)同時(shí)呈現(xiàn)出其他頻域規(guī)律．一方面是在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其振動(dòng)主頻率呈現(xiàn)固有模態(tài)的次數(shù)明顯多于1#測點(diǎn)；另一方面是兩種荷載聯(lián)合激勵(lì)時(shí)，5#測點(diǎn)主頻率出現(xiàn)了0.42～0.60Hz的情況．前者主要是由于5#測點(diǎn)距離風(fēng)機(jī)葉輪較遠(yuǎn)，上部諧波激勵(lì)對(duì)其影響程度有限；后者則可能是諧波頻率經(jīng)傳播在風(fēng)機(jī)底部形成疊加而產(chǎn)生了高能量的倍頻振動(dòng)．結(jié)果可以說明：隨著運(yùn)行風(fēng)速與葉輪轉(zhuǎn)速的增加，誘發(fā)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的激勵(lì)變化遵循由環(huán)境荷載激勵(lì)轉(zhuǎn)為環(huán)境荷載激勵(lì)和葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)合作用，再到完全由葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生諧波激勵(lì)影響的規(guī)律．

圖9?運(yùn)行工況下水平振動(dòng)主頻率隨風(fēng)速變化趨勢

4?開停機(jī)工況風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性

4.1?開機(jī)過程工況

針對(duì)風(fēng)機(jī)開機(jī)過程，分別進(jìn)行了9組不同風(fēng)速工況的監(jiān)測試驗(yàn)，每次測試時(shí)間為150s，并于第60s時(shí)啟動(dòng)機(jī)組開機(jī)運(yùn)行，圖10給出了兩測點(diǎn)在不同風(fēng)速條件下開機(jī)過程中水平向振動(dòng)位移．

圖10?不同風(fēng)速下水平z向開機(jī)過程中的振動(dòng)位移

由圖10可知，所有測試工況的開機(jī)過程均可分為停機(jī)狀態(tài)、過渡過程、開機(jī)過程及運(yùn)行狀態(tài)4個(gè)典型階段．在停機(jī)狀態(tài)時(shí)海上風(fēng)機(jī)僅受到環(huán)境荷載作用，由于葉輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度較?。陲L(fēng)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入過渡過程后，機(jī)組轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而緩慢增加，由于此時(shí)機(jī)組并未發(fā)電且轉(zhuǎn)速較低，結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度相對(duì)停機(jī)狀態(tài)會(huì)略有增加但依然較?。?dāng)進(jìn)入開機(jī)過程后，葉輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，作用在葉輪上的荷載持續(xù)增加，從而外部能量集中轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量而使得振幅會(huì)迅速增加．直至達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速而進(jìn)入穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)后，風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)完全接入工作，外部能量將部分轉(zhuǎn)化為電能，結(jié)構(gòu)振動(dòng)趨于穩(wěn)定．由圖10可以看出，風(fēng)機(jī)在開機(jī)過程中的振動(dòng)相比運(yùn)行狀態(tài)下均明顯增大，但相比于1#測點(diǎn)，位于風(fēng)機(jī)底部的5#測點(diǎn)在開機(jī)過程中振動(dòng)雖會(huì)增大，但突變性并不明顯，這也是由其距離風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)較遠(yuǎn)造成的，結(jié)構(gòu)頂部突變荷載對(duì)其影響程度有限．9種工況下兩測點(diǎn)水平方向振動(dòng)位移均方根值增加百分比見表2，1#與5#測點(diǎn)最大增比分別為42.00%與48.54%，均出現(xiàn)在風(fēng)速為5.5m/s時(shí)．

表2 開機(jī)過程中各工況水平向振動(dòng)位移均方根值增加百分比

Tab.2 RMS value increase percentage of horizontal vi-bration displacement under different startup con-ditions

4.2?停機(jī)過程工況

針對(duì)風(fēng)機(jī)停機(jī)過程，同樣分別進(jìn)行了9組不同風(fēng)速工況的監(jiān)測試驗(yàn)，測試時(shí)間為150s，并選取合理的停機(jī)時(shí)間，圖11給出了兩個(gè)測點(diǎn)在不同風(fēng)速條件下停機(jī)過程中水平向振動(dòng)位移．

由圖11可知，所有測試工況的停機(jī)過程均可分為運(yùn)行狀態(tài)、停機(jī)過程、慣性緩沖過程及停機(jī)狀態(tài)4個(gè)典型階段．風(fēng)機(jī)停機(jī)前處于運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為平穩(wěn)，振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)出明顯的大幅值、多周期疊加的特征．而風(fēng)機(jī)開始停機(jī)后，由于不再有電能輸出，外部能量會(huì)集中轉(zhuǎn)化為動(dòng)能使得振動(dòng)幅值在短時(shí)間內(nèi)會(huì)明顯增加，并因受到機(jī)組剎車制動(dòng)的影響而快速進(jìn)入慣性緩沖過程，此時(shí)風(fēng)機(jī)不受機(jī)組動(dòng)力影響，而僅受到自身慣性作用逐漸趨于在外部環(huán)境荷載影響下平穩(wěn)響應(yīng)的停機(jī)狀態(tài)，停機(jī)后的停機(jī)狀態(tài)下信號(hào)具有單一周期、小幅值的振動(dòng)特性．由圖11可知，風(fēng)機(jī)在停機(jī)過程中振動(dòng)相比于運(yùn)行狀態(tài)下明顯增大，但5#測點(diǎn)仍由于距離風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)較遠(yuǎn)而振動(dòng)突變性較弱．9種工況下兩測點(diǎn)水平方向振動(dòng)位移均方根值增加百分比見表3，1#與5#測點(diǎn)最大增比分別為256.72%與163.02%，均出現(xiàn)在風(fēng)速為7.6m/s時(shí)．

圖11 測點(diǎn)不同風(fēng)速下水平z向停機(jī)過程中的振動(dòng)位移

表3 停機(jī)過程中各工況水平向振動(dòng)位移均方根值增加百分比

Tab.3 q RMS value increase percentage of horizontal vi-bration displacement under different shutdown conditions

5?臺(tái)風(fēng)工況風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性

本次試驗(yàn)觀測到3組臺(tái)風(fēng)影響下海上風(fēng)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)，各組臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測獲得10min平均風(fēng)速分別為11.0m/s、12.0m/s、13.0m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速分別為17.0m/s、26.0m/s、20.0m/s，各測點(diǎn)水平、方向最大振動(dòng)幅值見表4，向振動(dòng)最大幅值206.00mm與向最大幅值274.15mm分別出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)蘇拉&達(dá)維與布拉萬影響期間．塔筒底部的4#測點(diǎn)和法蘭環(huán)下部靠近基礎(chǔ)的5#測點(diǎn)最大水平位移分別為1.32mm和0.99mm，說明在較強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)各部位振動(dòng)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)．圖12給出3次臺(tái)風(fēng)期間1#與5#測點(diǎn)水平、向5min最大絕對(duì)振動(dòng)位移及運(yùn)行風(fēng)速與葉輪轉(zhuǎn)速的變化曲線，羅馬數(shù)字Ⅰ～Ⅴ分別表示單個(gè)工況中風(fēng)機(jī)典型的運(yùn)行階段．由圖可見，1#測點(diǎn)與5#測點(diǎn)水平向振動(dòng)具有明顯的同步性，說明海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的整體性較好，同時(shí)進(jìn)一步論證了臺(tái)風(fēng)期海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與變化規(guī)律[15]．

本次測試臺(tái)風(fēng)期運(yùn)行階段主要?dú)w納為正常停機(jī)階段、臺(tái)風(fēng)停機(jī)階段、正常運(yùn)行階段與限制運(yùn)行階段．以圖12(a)中的蘇拉&達(dá)維雙臺(tái)風(fēng)為例，風(fēng)機(jī)上、下兩個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)位移的區(qū)域Ⅰ均體現(xiàn)測試臺(tái)風(fēng)過程中正常停機(jī)階段的振動(dòng)特性，此時(shí)由于風(fēng)速未達(dá)到機(jī)組運(yùn)行的切入風(fēng)速，風(fēng)機(jī)無法啟動(dòng)運(yùn)行而處于轉(zhuǎn)速為零的停機(jī)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度僅與風(fēng)速變化相關(guān)，類似狀態(tài)也體現(xiàn)于圖12(b)中的區(qū)域Ⅳ．而圖12(b)的區(qū)域Ⅳ平均風(fēng)速接近7.0m/s，風(fēng)機(jī)仍處于未運(yùn)行狀態(tài)，可能是事故檢修造成的正常停機(jī)狀態(tài)．

表4?臺(tái)風(fēng)工況下各測點(diǎn)水平向最大振動(dòng)幅值

Tab.4 The maximum horizontal vibration amplitude of different measured points under typhoon condi-tion

注：3#測點(diǎn)、向數(shù)據(jù)超出傳感器量程，故在此不予考慮。

臺(tái)風(fēng)停機(jī)階段體現(xiàn)在如圖12(a)中的區(qū)域Ⅲ，此時(shí)實(shí)測臺(tái)風(fēng)期風(fēng)速較大，但轉(zhuǎn)速與兩測點(diǎn)振動(dòng)幅度較小，其原因?yàn)轱L(fēng)機(jī)受控制進(jìn)入順槳停機(jī)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)僅受環(huán)境荷載作用，以避免在大風(fēng)速運(yùn)行下產(chǎn)生較大的瞬時(shí)荷載導(dǎo)致葉片或結(jié)構(gòu)破壞，類似狀態(tài)也體現(xiàn)于圖12(b)中的區(qū)域Ⅱ與圖12(c)中的區(qū)域Ⅱ．

圖12(a)中的區(qū)域Ⅱ?qū)儆谂_(tái)風(fēng)期的正常運(yùn)行階段，此階段葉輪轉(zhuǎn)速與運(yùn)行風(fēng)速具有明顯的同步性，風(fēng)速范圍往往低于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速，結(jié)構(gòu)振動(dòng)同時(shí)受到葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的諧波激勵(lì)與環(huán)境荷載的聯(lián)合影響，類似狀態(tài)也體現(xiàn)于圖12(b)中的區(qū)域Ⅰ與圖12(c)的區(qū)域Ⅲ和Ⅴ．而臺(tái)風(fēng)?？陂g振動(dòng)最大值即出現(xiàn)在該階段中圖12(b)中的區(qū)域Ⅰ．

圖12?臺(tái)風(fēng)影響期間風(fēng)機(jī)振動(dòng)位移時(shí)程

臺(tái)風(fēng)期的限制運(yùn)行階段主要體現(xiàn)在圖12(a)的區(qū)域Ⅳ和Ⅴ，此階段運(yùn)行風(fēng)速大多高于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速，而轉(zhuǎn)速與風(fēng)速卻呈現(xiàn)非同步的現(xiàn)象．雖然兩區(qū)域風(fēng)速呈現(xiàn)下降趨勢，但隨著區(qū)域Ⅴ葉輪轉(zhuǎn)速增加，風(fēng)機(jī)振動(dòng)相比于區(qū)域Ⅳ卻明顯增大，為典型的通過固定機(jī)組負(fù)荷控制葉輪轉(zhuǎn)速的情況，臺(tái)風(fēng)達(dá)維&蘇拉期間風(fēng)機(jī)振動(dòng)的最大值即出現(xiàn)在這樣的階段．類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在圖12(b)的區(qū)域Ⅲ和Ⅴ與圖12(c)的區(qū)域Ⅰ中，前者體現(xiàn)的是在不同固定負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)振幅隨葉輪轉(zhuǎn)速的變化而變化．后者則出現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)布拉萬期間的振動(dòng)最大值，其開始階段機(jī)組以額定狀態(tài)運(yùn)行，隨后由于機(jī)組負(fù)荷值的限定，葉輪轉(zhuǎn)速依然保持穩(wěn)定的變化而不受風(fēng)速增加的影響，風(fēng)機(jī)振動(dòng)也隨著轉(zhuǎn)速減小而減弱．

由以上研究發(fā)現(xiàn)，葉輪轉(zhuǎn)速變化對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響要比運(yùn)行風(fēng)速帶來的影響更加明顯，這一點(diǎn)從12(a)的區(qū)域Ⅲ中也可獲得驗(yàn)證，期間很小的轉(zhuǎn)速增加即可引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的明顯變化．而在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，風(fēng)速變化才會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生影響，此規(guī)律在12(a)的區(qū)域Ⅳ與12(c)的區(qū)域Ⅰ中有所體現(xiàn)，特別是對(duì)于位置較低的5#測點(diǎn)，振動(dòng)尤為明顯．

6?結(jié)?論

本文以某海上風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)樣機(jī)為研究對(duì)象，以原型觀測的振動(dòng)位移為研究數(shù)據(jù)，全面、深入、系統(tǒng)地分析海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)特性及變化規(guī)律，主要獲得以下結(jié)論．

(1) 不同工況下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)特性研究中，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度均在限定范圍以內(nèi)，滿足安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)．風(fēng)機(jī)塔筒頂部與基礎(chǔ)頂部測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)具有很好的同步性，頻域上也呈現(xiàn)出相似的變化特征，說明整體風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性較好．

(2) 海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在停機(jī)工況下振動(dòng)僅由環(huán)境荷載決定，水平、方向最大振動(dòng)均方根值分別為11.04mm與5.95mm，在頻域上體現(xiàn)風(fēng)機(jī)自身模態(tài)屬性，1階模態(tài)頻率為0.324～0.342Hz．

(3) 在正常運(yùn)行工況下，運(yùn)行風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速與機(jī)組負(fù)荷間存在明顯同步性，隨著運(yùn)行因素的增加，風(fēng)機(jī)振動(dòng)呈現(xiàn)明顯增大趨勢，水平、方向最大振動(dòng)位移均方根值分別為41.61mm與57.38mm．頻域信息則因外部荷載的改變體現(xiàn)從固有模態(tài)頻率向諧波激勵(lì)頻率的過渡過程，底部結(jié)構(gòu)由于遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)而受到更多環(huán)境荷載與諧波倍頻的影響．

(4) 在整個(gè)開、停機(jī)工況下，停機(jī)狀態(tài)與運(yùn)行狀態(tài)均存在一個(gè)過渡階段與開(停)機(jī)過程階段，且開(停)機(jī)過程階段相比于運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度多數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，水平向的振動(dòng)均方根值分別最大增加42.00%與256.72%，而底部測點(diǎn)振動(dòng)突變性由于激勵(lì)能量傳遞損耗而相對(duì)較弱．

(5) 在臺(tái)風(fēng)達(dá)維&蘇拉與布拉萬期間，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的最大值出現(xiàn)在額定工作狀態(tài)下，最大振幅分別為206.00mm與274.15mm，而臺(tái)風(fēng)?？r下振動(dòng)最大值出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)無干擾正常運(yùn)行階段，最大振幅為125.80mm，此結(jié)果可以說明在運(yùn)行狀態(tài)下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要受到葉輪轉(zhuǎn)速的作用，而在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，風(fēng)速變化才會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生影響，對(duì)基礎(chǔ)底部測點(diǎn)尤為明顯．

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(責(zé)任編輯：樊素英)

Monitoring Experiment and Characteristic Analysis of Structural Vibration of Offshore Wind Turbine

Dong Xiaofeng1, 2，Lian Jijian1，Wang Haijun1

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Frontier Technology Research Institute Limited Company，Tianjin University，Tianjin 301700，China)

This study considered one offshore wind turbine prototype as the research object，and its structural vibration responses under standstill，normal operational，startup，shutdown，and typhoon conditions were obtained through field measurement. First，the variation characteristics of the vibration responses under different operational conditions are examined systematically through time and frequency domain analyses. Furthermore，the key factors influencing structural vibration and their influence rules on the vibration safety of offshore wind turbine are explained clearly. Results show that the structural vibration increases with the increase in wind speed when the wind turbine operates under the standstill condition. The research results also show that the rotation speed of the blades has an obvious influence on structural vibration and plays a dominant role during vibration under the normal operational condition. Thereafter，the structural vibration of offshore wind turbine under the transition process of the startup(shutdown) condition is significantly greater than that under the normal operational condition with the same variables. Simultaneously，the observed vibration under the typhoon condition with rated rotation speed exceeds the corresponding responses under the standstill condition with maximum measured wind speed. Finally，the synchronization of the vibration responses measured from the tower and foundation indicates that the overall structure has good deformation coordination.

offshore wind power；field measurement；vibration characteristic；operational factor；typhoon condition

the Innovation Method Fund of China(No. 2016IM030100)，the National Natural Science Foundation of China (No. 51709202)，the Program of Introducing Talents of Discipline to Universities(No. B14012)，Tianjin Science and Technology Program(No. 16PTGCCX00160).

10.11784/tdxbz201708007

TK8

A

0493-2137(2019)02-0191-09

2017-08-05；

2018-08-28.

董霄峰（1986— ），男，博士，講師.

董霄峰，tju_dongxf@126.com.

國家科技計(jì)劃項(xiàng)目創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)資助(2016IM030100)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51709202)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B14012)；天津市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(16PTGCCX00160).