魏煜鋒， 何維令， 蔣祥增， 何宇翔

(明陽智慧能源集團(tuán)股份公司 風(fēng)能研究院，廣東 中山 528437)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境極為復(fù)雜，運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)同時(shí)受到風(fēng)、大地脈動(dòng)、地震等外部環(huán)境載荷以及風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)、偏航、電磁激勵(lì)等內(nèi)部運(yùn)行載荷的聯(lián)合激勵(lì)作用，從而導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)特性變得復(fù)雜。塔筒結(jié)構(gòu)作為機(jī)組主要的支撐部件，具有輕質(zhì)、高聳、低阻尼等特點(diǎn)，使得其對(duì)各種激勵(lì)的動(dòng)力響應(yīng)更為激烈，過大的振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生破壞作用，還會(huì)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定性造成影響。因此，為保證機(jī)組能夠正常運(yùn)行，開展塔筒在各種載荷激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)研究具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對(duì)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)的研究主要通過數(shù)值模擬[1-2]和模態(tài)參數(shù)識(shí)別[3-5]來實(shí)現(xiàn)，而對(duì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的誘因以及能量分布特性的研究較少。因此，為探究誘發(fā)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振源特性和各振源能量分布的變化規(guī)律，本文以某140 m級(jí)高柔塔風(fēng)電機(jī)組塔筒為研究對(duì)象，測量其不同高度處的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，利用譜峭度法識(shí)別誘發(fā)塔筒振動(dòng)的主要振源類型及其特性，采用小波包分解和小波包能量計(jì)算原理對(duì)實(shí)測信號(hào)進(jìn)行分解得到表征各振源特性的頻域分量和能量占比，最后通過對(duì)不同工況和不同測點(diǎn)位置的振源特性及其能量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了機(jī)組在不同工況下各測點(diǎn)的振源及其能量分布規(guī)律，該研究成果對(duì)機(jī)組的健康監(jiān)測、安全評(píng)估以及塔架設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)際運(yùn)用和參考價(jià)值。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 譜峭度

設(shè)x(n)是一組實(shí)測離散時(shí)域隨機(jī)序列，X(m)是其離散傅里葉變換。一般的，X(m)為復(fù)數(shù)序列，其二階累積量和四階累積量以共軛對(duì)形式可以定義為

k2(m)=cum[X(m),X*(m)]

(1)

k4(m)=cum[X(m),X*(m),X(m),X*(m)]

(2)

如果信號(hào)屬于穩(wěn)定信號(hào)，運(yùn)用復(fù)隨機(jī)變量的簡單變換得到

(3)

(4)

因此，頻譜的峭度值可以定義為[6]

(5)

將時(shí)間序列分為M段，并對(duì)每段分別做傅里葉變換得Xi(m),(i=1,2,…,M)，得到譜峭度的無偏估計(jì)式

(6)

線性系統(tǒng)的響應(yīng)不會(huì)改變輸入信號(hào)的屬性。設(shè)混合信號(hào)x(n)由高斯信號(hào)和周期信號(hào)組成，即：

x(n)=b(n)+s(n)

(7)

式中：n=1,2,…,N；b(n)為高斯信號(hào)序列；s(n)為周期信號(hào)序列。b(n)經(jīng)離散傅里葉變換后為B(n)，由式(6)計(jì)算出譜峭度值為

(8)

設(shè)頻率為m0的周期信號(hào)為

(9)

經(jīng)離散傅里葉變換后為S(m)=Aδ(m0)ejφ，其中，δ(m0)為狄拉克函數(shù)。由式(6)可計(jì)算在m0頻率處的譜峭度值為

(10)

根據(jù)傅里葉變換的線性性質(zhì)，混合信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果為X(m)=B(m)+S(m)，得到混合信號(hào)的譜峭度值為

(11)

譜峭度法最重要的用途之一是檢驗(yàn)信號(hào)中不同頻分振動(dòng)的屬性，即判斷信號(hào)是具有周期屬性或隨機(jī)屬性[7]，如果信號(hào)中主要成分頻率對(duì)應(yīng)的譜峭度值在-1附近波動(dòng)，那么該信號(hào)整體具有周期性質(zhì)，如果信號(hào)中主要成分頻率對(duì)應(yīng)的譜峭度值在0附近波動(dòng)，那么該信號(hào)具有隨機(jī)性質(zhì)。因此，本文采用譜峭度法來檢驗(yàn)塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)中主要成分頻率對(duì)應(yīng)的峭度值來判斷引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要振源類型及其頻域特性。

1.2 小波包分解和小波包能量計(jì)算

小波包分解是基于小波變換的一種信號(hào)分解精細(xì)算法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)頻帶內(nèi)的多層次均勻劃分，不僅具有小波變換的信號(hào)低頻部分精確分解的優(yōu)點(diǎn)，還能同時(shí)對(duì)高頻部分進(jìn)行精確分解[8]。信號(hào)通過小波包分解后，信號(hào)的全部特征信息均得以保留，從而能大大提高信號(hào)分解的完整性[9]。

假定振動(dòng)信號(hào)x(t)的最高頻率為fmax，經(jīng)過小波包的j層分解，可以得到2j個(gè)小波包系數(shù)[10]，其表達(dá)式如下

(12)

與這2j個(gè)小波包系數(shù)相對(duì)應(yīng)的頻帶為[11]

(13)

將每個(gè)小波包系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)可以得到對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)的小波包分量

(14)

因此，原始信號(hào)可以分解為2j個(gè)小波包分量的和

(15)

對(duì)于原始響應(yīng)信號(hào)x(t)，j層小波包分解下的總能量Ex為[12]

(16)

利用小波包分解的正交性條件可得各個(gè)頻段總能量為

(17)

(18)

(19)

2 工程背景及實(shí)施方案

2.1 試驗(yàn)機(jī)組概況

試驗(yàn)機(jī)組位于河南省信陽市固始縣境內(nèi)，該地區(qū)屬于平坦地形，風(fēng)切變及湍流強(qiáng)度較小，適合高柔塔機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)機(jī)組為半直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，額定功率為3.0 MW，額定轉(zhuǎn)速為11.1 r/min，切入、切出風(fēng)速分別為2.5 m/s和20 m/s；機(jī)組葉輪直徑156 m，輪轂中心高度140 m，塔筒為鋼制錐筒結(jié)構(gòu)，分為六節(jié)，每相鄰兩節(jié)之間通過高強(qiáng)度螺栓連接，從下到上各節(jié)的高度分別為17 m，17.5 m，22.5 m，25 m，27.5 m，27.42 m，塔筒總質(zhì)量約為450 t，設(shè)計(jì)使用壽命為20年。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京東方振動(dòng)和噪聲研究所研制的INV3068-S2數(shù)據(jù)采集儀以及中國地震局工程力學(xué)研究所研制的941B低頻速度拾振器；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析基于某開源平臺(tái)開發(fā)的分析程序。

2.3 試驗(yàn)方案

整機(jī)塔筒由六節(jié)組成，在每節(jié)塔筒頂部法蘭處各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，同時(shí)在各個(gè)測點(diǎn)的徑向和法向各安裝一個(gè)941B拾振器，共設(shè)置6個(gè)測點(diǎn)、安裝12個(gè)拾振器。將各層的傳感器通過屏蔽線纜連接到塔基的采集器上進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，其測點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。由于機(jī)組屬于高柔、低頻結(jié)構(gòu)，因此將采樣頻率設(shè)置為12.8 Hz，采樣時(shí)間設(shè)置為10 min/組。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring point layout

2.4 試驗(yàn)分析流程

本文根據(jù)譜峭度法與小波包分解和小波能量理論進(jìn)行塔筒結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下的振源識(shí)別和特性分析，其流程如下：

(1)對(duì)可能引起柔塔機(jī)組振動(dòng)的各類振源類型及頻率進(jìn)行分析；

(2)選取三種典型工況下的塔筒振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過頻域分析與譜峭度法確定機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的主要頻率特性和主振源的屬性；

(3)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波包分解，將分解的各子信號(hào)中的主頻與機(jī)組振源激勵(lì)頻率進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，確定原始信號(hào)中存在的主要振源類型；

(4)運(yùn)用小波包能量原理對(duì)分解的各子信號(hào)進(jìn)行能量計(jì)算，確定各類振源在振動(dòng)信號(hào)中所占有的能量比重；

(5)對(duì)不同運(yùn)行工況下各振源能量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，歸納總結(jié)誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)的主要振源及其能量隨機(jī)組運(yùn)行工況的變化規(guī)律。

3 振源類型及頻率分析

引起柔塔機(jī)組塔筒振動(dòng)的振源類型主要分為三類，即：環(huán)境載荷激勵(lì)引起的塔筒振動(dòng)、機(jī)組運(yùn)行時(shí)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)引起的塔筒振動(dòng)以及發(fā)電機(jī)等電磁激勵(lì)引起塔筒的振動(dòng)[13]。其中，在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒振動(dòng)影響最為關(guān)鍵的振源是以風(fēng)載荷、大地脈動(dòng)為主的環(huán)境激勵(lì)以及機(jī)組運(yùn)行的葉輪轉(zhuǎn)頻激勵(lì)。前者引起結(jié)構(gòu)按照固有模態(tài)成分進(jìn)行自激振動(dòng)，后者則使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生周期性的受迫振動(dòng)。在采集的塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)中，前者體現(xiàn)的頻分主要為機(jī)組自身結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)——葉片、塔筒低階固有頻率，后者則體現(xiàn)為機(jī)組葉輪的轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分[14-15]。

圖2(a)為利用錘擊法將葉片固定在試驗(yàn)臺(tái)上測量其激勵(lì)和響應(yīng)的頻響函數(shù)后通過最小二乘復(fù)頻域法(PloyLSCF)模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法得到的柔塔葉片模態(tài)穩(wěn)定圖；圖2(b)為利用塔筒振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)通過隨機(jī)子空間(stochastic subspace identification,SSI)運(yùn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法識(shí)別的塔筒模態(tài)穩(wěn)定圖。表1給出柔塔機(jī)組運(yùn)行工況下引起塔筒振動(dòng)的各類振源及其頻率。

圖2 柔塔葉片及塔筒模態(tài)穩(wěn)定圖Fig.2 Blade and tower modal stability diagram

表1 振源類型及頻率表Tab.1 Vibration source types and frequencies

4 主振源識(shí)別及能量計(jì)算

4.1 譜峭度分析

表2和圖3分別給出停機(jī)、低功率、額定功率三種典型工況下機(jī)組運(yùn)行參數(shù)以及對(duì)應(yīng)的塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)譜峭度圖。從圖3(a)中可以看出，靜止工況下，塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)中的優(yōu)勢頻率為0.15 Hz，體現(xiàn)為塔筒的1階自振頻率，對(duì)應(yīng)的譜峭度值在-1附近，表明在靜止工況下，塔筒振動(dòng)表現(xiàn)為以1階自振頻率的周期性振動(dòng)；從圖3(b)中可以看出，工況2下，塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)中的優(yōu)勢頻率為0.095 Hz，0.15 Hz，分別體現(xiàn)為風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻和塔筒1階自振頻率，對(duì)應(yīng)的譜峭度值都在-1附近，表明在該工況下，塔筒振動(dòng)表現(xiàn)為以風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻以及1階自振頻率的多諧波耦合周期性振動(dòng)；反觀圖3(c)中，工況3下，塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的優(yōu)勢頻率為0.185 Hz，對(duì)應(yīng)的譜峭度值在-1附近，表明在該工況下，塔筒振動(dòng)表現(xiàn)為以風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻的周期性振動(dòng)。

表2 三種工況參數(shù)表Tab.2 Parameter table of three working conditions

圖3 三種工況下塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)譜峭度圖Fig.3 Kurtosis spectrum of tower vibration response signal under three working conditions

4.2 小波包分解和小波包能量計(jì)算

將三種工況數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包分解，由于塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)具有周期性，因此小波函數(shù)為sym5[16]，分解層數(shù)為6，共分解成64個(gè)子頻帶，塔筒振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的采樣頻率為12.8 Hz，根據(jù)采樣定理[17]，fmax=6.4 Hz，每個(gè)子頻帶的帶寬為0.1 Hz。表4給出了三種工況振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)小波分解和小波包能量計(jì)算后各頻帶主頻以及能量占比的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)三種工況的能量主要集中在前面32個(gè)子頻帶中，達(dá)到99%以上。其中：工況1時(shí)，振動(dòng)能量主要分布在的第2子頻帶中，主頻為0.15 Hz，體現(xiàn)為塔筒1階自振頻率，能量占比達(dá)到93.392%；工況2時(shí)，振動(dòng)能量主要分別分布在第1和第2子頻帶中，對(duì)應(yīng)主頻分別為0.095 Hz，0.150 Hz，體現(xiàn)為風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻和塔筒1階自振頻率，能量占比分別達(dá)到18.056%，64.912%；工況3時(shí)，振動(dòng)能量主要分布在第2、第6、第10子頻帶中，對(duì)應(yīng)主頻分別為0.185 Hz，0.556 Hz，1.109 Hz，體現(xiàn)為風(fēng)輪1倍轉(zhuǎn)頻、3倍轉(zhuǎn)頻以及6倍轉(zhuǎn)頻，能量占比分別達(dá)到了71.016%，7.838%，18.606%。結(jié)合表2給出的風(fēng)機(jī)振源類型及其對(duì)應(yīng)的頻率可以看出：在工況1下，塔筒主要受自身1階自振激勵(lì)發(fā)生周期性的自激振動(dòng)；工況2下，塔筒主要受自身1階自振和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)聯(lián)合激勵(lì)發(fā)生周期性的自激、強(qiáng)迫耦合振動(dòng)；工況3下，塔筒主要受風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)發(fā)生周期性的強(qiáng)迫振動(dòng)。

由以上分析可以得到，風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)在三種工況下的主振源分別為塔筒1階自振激勵(lì)、1階自振和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)聯(lián)合激勵(lì)以及風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)，其中1階自振激勵(lì)頻率體現(xiàn)為塔筒的1階固頻，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率體現(xiàn)為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)頻及其倍頻。

5 振源特性分析

5.1 不同工況主振源變化規(guī)律

圖4給出峭度值為-1的塔筒響應(yīng)頻率隨功率、轉(zhuǎn)速變化的散點(diǎn)圖，從圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn)：在功率約300 kW以下時(shí)譜峭度值為-1對(duì)應(yīng)的頻率為0.15 Hz，體現(xiàn)為塔筒1階自振頻率；300～750 kW譜峭度值為-1的頻率體現(xiàn)為塔筒1階自振頻率以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻；在750 kW以上時(shí)，譜峭度值為-1對(duì)應(yīng)的頻率為風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率達(dá)到2 000 kW以上時(shí)，譜峭度值為-1的頻率隨功率的上升不再增加，由于這時(shí)風(fēng)輪達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。從圖4(b)中可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律：低轉(zhuǎn)速區(qū)(<5.5 r/min)塔筒振動(dòng)響應(yīng)譜峭度值為-1的頻率體現(xiàn)為機(jī)組塔筒的1階自振頻率；中轉(zhuǎn)速區(qū)(5.5～7.5 r/min)塔筒振動(dòng)響應(yīng)譜峭度值為-1的頻率體現(xiàn)為塔筒1階自振頻率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻；高轉(zhuǎn)速區(qū)(>7.5 r/min)塔筒振動(dòng)響應(yīng)譜峭度值為-1的頻率體現(xiàn)為風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在8.5～10 r/min機(jī)組設(shè)置了禁止轉(zhuǎn)速區(qū)，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻有效的避開了塔筒1階自振頻率。

圖4 譜峭度值為-1的頻率隨功率、轉(zhuǎn)速變化散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot of frequency with spectral kurtosis value of -1 as a function of power and speed

圖5給出了柔塔機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速工況下各測點(diǎn)主頻率的分布圖。由圖5(a)可知，在低轉(zhuǎn)速工況下，塔筒各個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)主頻率分布在0.15～0.152 Hz內(nèi)，表現(xiàn)為塔筒的1階自振頻率；隨著轉(zhuǎn)速的增大，如圖5(b)所示，各個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)主頻率主要分布在0.1～0.133 Hz，0.15～0.152 Hz，0.3～0.4 Hz內(nèi)，分別表現(xiàn)為風(fēng)輪1倍轉(zhuǎn)頻、塔筒1階自振頻率以及風(fēng)輪3倍轉(zhuǎn)頻，同時(shí)在1.0～1.2 Hz內(nèi)也有少量分布，體現(xiàn)為塔筒的2階自振頻率；在高轉(zhuǎn)速區(qū),如圖5(c)，各個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)主頻率集中在0.167～0.183 Hz，0.5～0.6 Hz，1.0～1.2 Hz三個(gè)頻率范圍內(nèi)，分別表現(xiàn)為風(fēng)輪1倍轉(zhuǎn)頻、3倍轉(zhuǎn)頻、6倍轉(zhuǎn)頻，而在其他頻率區(qū)分布較少。

圖5 不同轉(zhuǎn)速工況下各測點(diǎn)響應(yīng)主頻分布統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 The main frequency distribution statistics diagram of the response of each measuring point under different speed conditions

根據(jù)以上分析，可知引起塔筒結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要激勵(lì)源在不同工況下表現(xiàn)不同，其中，在低轉(zhuǎn)速工況下，塔筒1階自振激勵(lì)為主振源；中轉(zhuǎn)速工況下，塔筒1階自振和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)聯(lián)合激勵(lì)為主振源；在高轉(zhuǎn)速工況下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)頻激勵(lì)為主振源，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速區(qū)風(fēng)輪3倍頻和6倍頻和塔筒的固有模態(tài)頻率重合，可能引起機(jī)組的共振，從表3工況3的能量分布也可看出，在3倍頻和6倍頻處對(duì)應(yīng)的能量占比較大。

表3 三種工況小波包分解子帶主頻與能量占比統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Three working conditions wavelet packet decomposition sub-band dominant frequency and energy ratio statistics table

5.2 不同測點(diǎn)各振源能量變化規(guī)律

圖6給出轉(zhuǎn)速為8 r/min、功率750 kW工況下1#、3#、5#測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)主要振源及能量占比圖。該工況下塔筒受機(jī)組自振與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)聯(lián)合激勵(lì)作用，圖中可以看出，風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻及倍頻、塔筒固頻自振能量占總能量的90%以上，這兩種激勵(lì)源為誘發(fā)塔筒振動(dòng)的強(qiáng)振源。隨著塔筒位置的變化兩種強(qiáng)振源能量分布有所不同，隨著測點(diǎn)位置的降低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻及倍頻激勵(lì)引起塔筒振動(dòng)的能量在降低，塔筒自激引起塔筒振動(dòng)的能量在增加。以上表明，在該工況下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)對(duì)塔筒上部振動(dòng)影響大，機(jī)組自振激勵(lì)對(duì)塔筒下部振動(dòng)影響大。

圖6 不同測點(diǎn)各振源能量占比圖Fig.6 Energy ratio diagram of each vibration source at different measuring points

5.3 不同工況主振源能量變化規(guī)律

圖7給出機(jī)組塔筒1#、3#、5#測點(diǎn)處塔筒1階自振激勵(lì)與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)的能量占比隨功率變化趨勢圖。從圖中可以看出各測點(diǎn)兩種主要振源能量占比隨功率變化趨勢一致，隨著機(jī)組功率的增加，塔筒1階自振激勵(lì)能量占比逐漸減少，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)能量逐漸增加。在400 kW以下時(shí)，各測點(diǎn)塔筒1階自振激勵(lì)能量占比高達(dá)75%以上，占據(jù)主導(dǎo)作用；隨著機(jī)組功率升高，在600～800 kW時(shí)，塔筒振動(dòng)既受1階自振激勵(lì)影響也受風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)影響，兩者對(duì)塔筒振動(dòng)的貢獻(xiàn)相當(dāng)，能量占比在30%～60%；當(dāng)機(jī)組功率達(dá)到1 000 kW以上時(shí)，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)能量達(dá)到70%以上，占主導(dǎo)作用，并且在機(jī)組功率達(dá)到1 600 kW以上時(shí)，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)能量占比達(dá)90%以上，誘發(fā)塔筒振動(dòng)的貢獻(xiàn)幾乎來自風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)，塔筒1階自振激勵(lì)影響作用幾乎可以忽略不計(jì)。

圖7 不同測點(diǎn)各主振源能量占比隨功率變化趨勢圖Fig.7 Trend graph of the energy ratio of each main vibration source at different measuring points vs. power

5.4 中高功率區(qū)轉(zhuǎn)頻與倍頻能量對(duì)比

圖8給出1 000 kW以上功率區(qū)各個(gè)測點(diǎn)轉(zhuǎn)頻激勵(lì)及倍頻激勵(lì)能量占比圖，由圖中可以看出，當(dāng)功率達(dá)到1 000 kW以上時(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)頻及倍頻激勵(lì)能量占比達(dá)70%以上，由此可知中高功率區(qū)誘發(fā)塔筒振動(dòng)的主要振源來自風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)。其中，塔筒上部測點(diǎn)主要受風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻激勵(lì)作用，1倍頻激勵(lì)能量占比達(dá)60%以上，下部測點(diǎn)主要受6倍頻激勵(lì)作用，能量占比基本在40%～70%，遠(yuǎn)超過1倍頻激、3倍頻勵(lì)能量占比，通過分析這一區(qū)間風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，在該功率區(qū)間，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速維持在10～11 r/min，對(duì)應(yīng)的6倍轉(zhuǎn)頻為1～1.1 Hz，剛好和塔筒的2階彎曲模態(tài)頻率接近，從而引起塔筒共振，導(dǎo)致下部測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)在6倍頻附近能量占比很大。針對(duì)機(jī)組的安全評(píng)估，機(jī)組雖然設(shè)置了共振穿越控制程序，但主要考慮的是避免風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻(1P)和塔筒1階自振頻率重合，但實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)輪的諧波激勵(lì)對(duì)機(jī)組振動(dòng)影響也較大，在高轉(zhuǎn)速區(qū)，風(fēng)輪3倍頻、6倍頻與塔筒的扭轉(zhuǎn)和二階固有頻率接近，容易引發(fā)機(jī)組的共振。

圖8 中、高功率區(qū)各測點(diǎn)轉(zhuǎn)頻與倍頻激勵(lì)能量占比圖Fig.8 Frequency conversion and frequency doubling excitation energy proportion diagram of each measuring point in the middle and high power areas

6 結(jié) 論

高柔塔機(jī)組具有輕質(zhì)、高聳、低柔等特性，使得塔筒結(jié)構(gòu)對(duì)各種激勵(lì)的動(dòng)力反應(yīng)更為敏感。本文通過測量塔筒不同高度處的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，基于譜峭度法和小波包分解以及小波包能量理論分析方法，從頻域和能量的角度來分析運(yùn)行狀態(tài)下引起機(jī)組振動(dòng)的主要振源類型及其能量變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要受到塔筒低階自振激勵(lì)和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)影響，這兩種激勵(lì)是誘發(fā)塔筒振動(dòng)的主要振源，前者頻率體現(xiàn)為塔筒的1階自振頻 率，后者頻率體現(xiàn)為風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻及倍頻。通過譜峭度分析，兩者頻率對(duì)應(yīng)的峭度值都在-1附近，說明高柔塔機(jī)組塔筒在整個(gè)生命周期內(nèi)始終都受到周期性的強(qiáng)振源激勵(lì)作用。

(2)在不同運(yùn)行工況下，兩種主振源貢獻(xiàn)不同：在低功率、低轉(zhuǎn)速工況下，塔筒1階自振激勵(lì)為主要振源，起主導(dǎo)作用，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)作用影響較?。恢泄β?、中轉(zhuǎn)速工況下，兩者貢獻(xiàn)相當(dāng)，機(jī)組同時(shí)受到塔 筒 自振激勵(lì)和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)影響；在高功率、高轉(zhuǎn)速工況下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)為主要振源，起主導(dǎo)作用，塔筒自振激勵(lì)影響較小。

(3)不同高度位置處兩種振源能量占比不同，其中，上部位置風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)激勵(lì)能量占比較大，下部位置塔筒自振激勵(lì)能量占比大。

(4)機(jī)組雖然設(shè)置了共振穿越控制程序，但主要考慮的是避免風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻(1P)和塔筒1階自振頻率重合，但實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)輪的諧波激勵(lì)對(duì)機(jī)組振動(dòng)影響也較大，在高轉(zhuǎn)速區(qū)，風(fēng)輪3倍頻、6倍頻與塔筒的固有頻率接近，容易引起機(jī)組的共振，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定性，因此在機(jī)組的塔筒設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)倍頻與其固有頻率間的關(guān)系，適當(dāng)加大塔筒結(jié)構(gòu)固有頻率與風(fēng)輪3倍頻和6倍頻之間的安全裕量以保障機(jī)組運(yùn)行時(shí)的安全穩(wěn)定性。