圆球减振装置对风力发电高塔的振动控制研究

    引言

    随着风力发电机组装机容量的不断增加，机组的支撑结构———风力发电高塔也不断向大型化发展。在风荷载作用下，塔体将产生显著的动力响应，从而影响机舱内传动系统的工作，降低风电机组的发电效率。而塔体的频繁振动也将缩短其疲劳寿命，甚至可能导致疲劳破坏引起的倒塔事故，产生不可估量的损失。设置振动控制装置对风力发电高塔进行振动控制，能有效降低风塔的动力响应，提高服役性能，延长疲劳寿命，具有良好的发展前景。关于风力发电高塔振动控制的研究在过去的几年间才逐渐兴起，且都还处于理论研究阶段。最早提出的风力发电高塔振动控制装置均属于 TMD，但无论是悬挂式 TMD［1］、还是普通 TMD［2］或MTMDS［3］，均面临着风电机组内部空间有限，控制装置的安装不易实现的问题。有研究者提出将 TLCD 应用于风塔的振动控制［4］。TLCD 是一种 U 形水箱，数值仿真结果表明，TLCD 的设置能够有效降低风塔的动力响应。但是塔体内部空间的限制使得，TLCD 很难发挥其最优控制效果［5］，而水箱漏水对风力发电机组而言亦是一种隐患。

    本文提出了一种新的风力发电高塔振动控制装置———圆球减振装置，该装置具有简单紧凑、经济实用的特点。滚球减振的概念首先由捷克的 Pirner［6］提出，本文在其基础上，结合拉格朗日方程及随机振动理论，推导得到圆球减振装置对风力发电高塔的振动控制运动方程，从而为该装置控制风塔风振响应的分析提供了理论手段。分析结果表明，设置了圆球减振装置后，在脉动风作用下的塔顶位移、塔顶加速度及塔底弯矩均显著减小，塔体的疲劳寿命得以延长。

    1 圆球减振装置介绍

    1． 1 概述

    本文提出的风力发电高塔圆球减振装置由金属圆球、球壳底座、上部盖板及黏弹性摩擦层所组成，可设振装置相应地发生反相位的运动，从而吸收外界施加给主结构的一部分能量，降低其风振响应。不同于普通的 TMD，圆球的恢复力由圆球自重及球壳对圆球反力的合力所提供，阻尼力由圆球与球壳接触面的黏弹性摩擦层所提供，故其构造简单紧凑。该装置的另一优点是可以在所有方向对结构进行制振( 圆球可在球壳表面沿任意方向滚动) ，对于风力发电高塔这种对称程度较高的结构而言具有较好的应用前景。

    1． 2 圆球减振装置对单自由度系统的振动控制原理

    现考察圆球减振装置对单自由度系统的振动控制原理，其计算简图如图 2 所示。