董霄峰， 練繼建， 王海軍

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué) 前沿技術(shù)研究院有限公司，天津 301700)

運(yùn)行狀態(tài)下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振源特性研究

董霄峰1,2， 練繼建1,2， 王海軍1,2

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué) 前沿技術(shù)研究院有限公司，天津 301700)

由于海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，其振源的準(zhǔn)確識別與振源特性研究已經(jīng)成為風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性評估的重點問題。以某新型復(fù)合式筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海上風(fēng)力發(fā)電試驗樣機(jī)為研究對象，依據(jù)原型觀測獲得的全負(fù)荷條件下結(jié)構(gòu)不同位置的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，對不同運(yùn)行工況下誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動的振源進(jìn)行全面識別與分析。利用譜峭度法識別明確引起海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的主要振源及其對應(yīng)振動響應(yīng)的頻域?qū)傩?，通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對實測信號進(jìn)行分解得到表征各振源特性的頻域或頻率尺度的分量，同時引入振動能量法對不同振源的能量比重進(jìn)行統(tǒng)計分析，給出了海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)下結(jié)構(gòu)整體振動主振源及其對應(yīng)振動能量分布隨運(yùn)行因素變化的分布規(guī)律。研究表明隨著機(jī)組負(fù)荷的增加運(yùn)行狀態(tài)下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的振源變化遵循由單一的環(huán)境荷載激勵轉(zhuǎn)為環(huán)境荷載激勵和葉輪轉(zhuǎn)動聯(lián)合作用再到完全由葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的諧波激勵影響的規(guī)律。

海上風(fēng)電；現(xiàn)場實測；振源識別；譜峭度；經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解；振動能量

海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下往往受到風(fēng)、浪、流等復(fù)雜多變環(huán)境荷載的聯(lián)合作用，由于風(fēng)機(jī)機(jī)組與支撐結(jié)構(gòu)連為一體，結(jié)構(gòu)振動主要為機(jī)組與支撐結(jié)構(gòu)的耦聯(lián)振動，響應(yīng)信號中既體現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的特點同時也包含環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)自身的振動特性。機(jī)組運(yùn)行為支撐結(jié)構(gòu)提供振源，支撐結(jié)構(gòu)振動又反作用于機(jī)組，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)過大的振動不僅對自身產(chǎn)生破壞作用，還對機(jī)組結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響。有鑒于此，近年來有關(guān)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)下安全狀況方面的研究越來越受到人們的重視，并成為當(dāng)前風(fēng)電領(lǐng)域的熱點研究問題之一。

目前、國內(nèi)外對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)下的振動特性與結(jié)構(gòu)安全性研究還多停留在通過模擬環(huán)境荷載和結(jié)構(gòu)計算來實現(xiàn)[1-3]，重點關(guān)心外界荷載對于結(jié)構(gòu)的作用效力而忽略了結(jié)構(gòu)內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境的影響。另外，基于現(xiàn)場原型觀測的結(jié)構(gòu)振動資料主要還僅限于結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)的識別[4-5]，而對海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的誘因和結(jié)構(gòu)振動能量分布特性的研究鳳毛麟角。因此，為探究海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的振源特性并準(zhǔn)確把握各種振源能量的分布變化規(guī)律，本文以某海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)實測振動響應(yīng)為研究依據(jù)，首先基于譜峭度法(Spectral Kurtosis)獲取結(jié)構(gòu)振動的主要振源類型與對應(yīng)振動頻率的振動屬性，此后采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(EMD)對信號按頻域由高到低進(jìn)行分解排列，將各階信號頻分與可能的激振源頻率進(jìn)行比對并完成對結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下振源的初步識別，再引入振動能量法對與通頻內(nèi)各信號分量所對應(yīng)的不同振源能量所占振動總能量的比重進(jìn)行統(tǒng)計分析，最后歸納海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)下結(jié)構(gòu)整體振動主振源及其對應(yīng)振動能量分布隨運(yùn)行因素變化規(guī)律，為海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全性評估工作提供必要的理論依據(jù)。

1 基本理論與方法背景

1.1譜峭度法

對于實測離散隨機(jī)信號X(t)，其離散傅里葉變換為X(f)，則信號X(t)的譜峭度可以定義為復(fù)隨機(jī)變量X(f)在每個頻分f處的峭度[6]，按照如下形式表示：

(1)

式中：X(f)∈{X(f),X*(f)}；X*(f)是X(f)的復(fù)共軛形式；kr是第r階累積量。若X(t)為一平穩(wěn)隨機(jī)過程，則頻域X(f)成分可以表達(dá)為每個頻率f處循環(huán)的復(fù)隨機(jī)變量，這就說明對于X(f)的非零累積量其共軛成分與非共軛成分要保持一致，則式(1)又可以寫為

(2)

根據(jù)復(fù)隨機(jī)變量的循環(huán)性，每種頻率成分處的峭度值以期望的形式定義為：

(3)

在實際應(yīng)用中，對于數(shù)據(jù)長度為L的信號X(t)，通常在時域上需預(yù)先確定數(shù)據(jù)長度為N的時間窗口，保證信號X(t)可以分割為M個非重合的信號區(qū)域，并且恒有M×N=L。對首個信號區(qū)域內(nèi)信息進(jìn)行獨立的N點離散傅里葉變換為XN(f)，隨后沿時間軸移動窗口，即可以得到不同時段的頻譜，對不同頻帶內(nèi)的傅里葉譜統(tǒng)計其相應(yīng)的峭度，就能夠繪制出整體的譜峭度。以上操作后，離散信號X(t)的全頻域內(nèi)的譜峭度的無偏估計值可以寫為

(4)

譜峭度法最重要的用途之一是檢驗信號中不同頻分振動的屬性，即判斷信號成分是體現(xiàn)隨機(jī)振動特性還是受迫振動特性[7]。然而，保證譜峭度法精度的主要影響因素是對信號分段數(shù)M的選取，M選取不當(dāng)容易造成譜峭度整體計算的失真。因此，為避免信號數(shù)據(jù)長度與區(qū)塊劃分對傳統(tǒng)譜峭度計算精度的影響，文獻(xiàn)[8]提出了一種行之有效的求解譜峭度的過程，其思路是根據(jù)對實測數(shù)據(jù)分析的需要，預(yù)先劃定適宜寬度的頻帶將整個頻域分割為若干的單位頻段，通常采用窄帶帶通濾波的方法，再基于峭度的基本定義對每個頻段內(nèi)的振動響應(yīng)求解其峭度值，將獲得的峭度值在全頻域進(jìn)行分布即得到譜峭度。此種區(qū)分振動隨機(jī)特性與諧波特性方法的判斷標(biāo)準(zhǔn)較為簡單，即當(dāng)某種頻域或頻率內(nèi)的響應(yīng)為隨機(jī)特性激勵誘發(fā)所致的，其峭度值通常穩(wěn)定在3.0附近，而當(dāng)振動響應(yīng)體現(xiàn)諧波受迫特性時，其峭度值一般接近于1.5。

1.2振動能量理論

假設(shè)同樣的實測離散隨機(jī)信號X(t)含有多種頻分，其內(nèi)部各頻分信號均為零均值平穩(wěn)隨機(jī)過程，則X(t)表達(dá)式可以寫為各信號累加之和：

(5)

式中：i為信號中包含頻分的個數(shù)(i=1，2，…，n)；Ci(t)為信號X(t)中不同頻分信號表達(dá)式，每一個Ci(t)理論上對應(yīng)一個頻率或一段頻域。

原始信號經(jīng)過EMD法分解會得到數(shù)量若干的標(biāo)準(zhǔn)IMF分量[9-10]，各IMF分量按照頻域由高到低排列的順序分別表征原始信號中所包含的不同頻分尺度的信號成分，理論上可以與Ci(t)相互對應(yīng)，其數(shù)量為n。為了說明信號的能量分布特征，在此引入振動信號能量法理論，對于原始信號X(t)其總振動能量可以表示為信號幅值平方對時間的積分[11-12]：

(6)

(7)

式中：j為信號X(t)的離散數(shù)據(jù)個數(shù)(j=1，2，…，m)；E為原始信號總能量；Xj(t)為對應(yīng)信號中的單個數(shù)據(jù)。同樣對于原始信號每一階分解后的分量Ci(t)，其具有的振動能量Ei可以按如下表達(dá)式計算得到：

(8)

由于信號分解后的IMF分量具有正交性，因此各階分量信號能量與原始信號總能量應(yīng)存在如下恒等關(guān)系[13]：

(9)

定義信號各階分量能量比重為Wi，其可以說明原始信號在不同頻域內(nèi)的能量分布特性，具體表達(dá)式可以寫為

(10)

1.3振源與能量分布識別流程

基于以上介紹的譜峭度法與振源能量理論，考慮實際海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下的激勵特性，可以確定結(jié)構(gòu)振源及其能量分布特性識別流程如下：

(1) 選取風(fēng)機(jī)典型運(yùn)行工況，通過頻域分析與譜峭度法確定海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)實測振動的主要頻域特性與主振源的屬性；

(2) 對原始信號進(jìn)行EMD分解，將分解各階信號主頻與風(fēng)機(jī)可能振源激勵頻率進(jìn)行比較，確定振動中存在主要振源類型與特性；

(3) 基于振動能量理論對EMD分解后各階信號進(jìn)行能量計算，確定各類振源在振動信號中所占有的能量比重。

以上識別流程可將譜峭度法、EMD信號分解法與振動能量理論較好地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振源及其能量分布的同步識別。

2 工程概況

測試海上風(fēng)機(jī)采用直驅(qū)式機(jī)組形式，額定功率2.5 MW，額定轉(zhuǎn)速18 r/min，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用復(fù)合式筒型基礎(chǔ)形式[14-15]。風(fēng)機(jī)葉輪直徑93.4 m，輪轂高度80.0 m，塔筒為三段式安裝，機(jī)艙與塔筒及相鄰塔筒之間設(shè)有工作平臺?；A(chǔ)總高25.2 m，下部筒體高度7.2 m，上部筒身高度18 m，下部筒體底面直徑30 m，基礎(chǔ)總重量約為2 500 t。測試在塔筒內(nèi)部由上至下布置5個測點，位置為距離工作平臺高度約1.5 m處的塔筒壁上，具體布置位置參見圖1所示。傳感器選擇低頻振動位移傳感器，頻響范圍最低可達(dá)到0.1 Hz，均為三向測振，滿足采集結(jié)構(gòu)低頻多向振動信號的試驗?zāi)康摹?/p>

圖1 現(xiàn)場測點布置示意圖

圖2 現(xiàn)場實測負(fù)荷與理論負(fù)荷比對圖

圖2顯示隨風(fēng)速變化現(xiàn)場實測機(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，從而說明實測獲得機(jī)組負(fù)荷數(shù)據(jù)與實測結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)真實可靠。而同時為清楚地說明海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中振源及其能量分布的變化規(guī)律，本文選取多組現(xiàn)場測試工況并將整個風(fēng)機(jī)運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷范圍分成三個區(qū)域，分別按照低負(fù)荷區(qū)(0～800 kW)、中負(fù)荷區(qū)(800 kW～1 700 kW)及高負(fù)荷區(qū)(1 700 kW～2 500 kW)進(jìn)行研究說明。

3 方法工程應(yīng)用與驗證

選擇兩組典型運(yùn)行工況來說明提出方法的工程適用性，工況1參數(shù)：運(yùn)行風(fēng)速4.0 m/s、葉輪轉(zhuǎn)速8 r/min、機(jī)組負(fù)荷150 kW；工況2參數(shù)：運(yùn)行風(fēng)速10.7 m/s、葉輪轉(zhuǎn)速18 r/min，機(jī)組負(fù)荷2 500 kW，圖3和圖4分別給出兩種運(yùn)行條件下風(fēng)機(jī)振動信號的功率譜與譜峭度圖。

圖3 工況1時響應(yīng)信號功率譜密度與譜峭度

從圖3可以看出，工況1結(jié)構(gòu)振動主要頻率集中在0.33 Hz處，其對應(yīng)的峭度值在3.0附近，說明此時風(fēng)機(jī)振動主要體現(xiàn)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動特性。其原因可以歸結(jié)為在風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)較低的情況下，結(jié)構(gòu)振動主要受到環(huán)境荷載的作用，其激勵結(jié)構(gòu)以其自身的結(jié)構(gòu)固有模態(tài)頻率進(jìn)行振動，風(fēng)機(jī)運(yùn)行引起的諧波激勵對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用較小。

圖4 工況2時響應(yīng)信號功率譜密度與譜峭度

圖4中可以看出，此工況下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的優(yōu)勢頻率僅穩(wěn)定在0.30 Hz附近，這與葉輪轉(zhuǎn)頻保持一致，說明此工況下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動主要受到葉輪轉(zhuǎn)動的影響。再對應(yīng)到相應(yīng)的譜峭度圖中，0.30 Hz頻率處存在明顯的向下的峰值，數(shù)值上接近于1.50，這說明響應(yīng)中0.30 Hz頻率對應(yīng)的振動體現(xiàn)較為穩(wěn)定諧波特征。

表1 典型工況分解各階分量信號主頻與能量比重統(tǒng)計表

表2引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的振源類型和頻率信息表

Tab.2Vibrationsourcetypesandcorrespondingfrequenciesofwindturbinestructure

編號結(jié)構(gòu)振動來源對應(yīng)頻率/Hz1環(huán)境荷載激勵引起結(jié)構(gòu)振動0.33～0.39[16];…2葉輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)頻及其倍頻0.12～0.30;0.36～0.90;…3葉片振動引起結(jié)構(gòu)振動0.62～0.75;1.08～1.14;1.93～2.024風(fēng)致渦激振動頻率1.37～1.49[17]5發(fā)電機(jī)額定頻率9.06機(jī)組電磁工頻及其倍頻50;100

表1給出了基于EMD法對兩種工況信號分解后獲得各階分量主頻與能量比重信息，可以知道各階分量信號能量比重總和基本維持為100%，結(jié)構(gòu)振動能量主要集中在信號前9階分量且足夠可以表征原始信號的全部主要頻域特性。而表2為根據(jù)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的受力、工作特點同時參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振源理論給出的可能引起海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的振源類型與對應(yīng)頻率。具體由表1可知，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在工況1時主要能量分布在主頻為0.33 Hz的第8階分量上，能量比重76.40%，而工況2時結(jié)構(gòu)振動能量則主要集中在優(yōu)勢頻率為0.30 Hz的第7階信號分量上，能量比重83.07%。與表2中可能振源激勵頻率進(jìn)行比對可知，兩種工況下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的主振源分別為環(huán)境荷載激勵與機(jī)組運(yùn)行引起諧波激勵。

4 海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振源識別

基于本文提出方法對不同負(fù)荷工況實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得對應(yīng)的主要振源頻率分布情況見圖4所示。與表2中的理論振源頻率進(jìn)行對照可知，0.16～0.30 Hz范圍內(nèi)頻率為不同工況下機(jī)組轉(zhuǎn)頻，0.41～0.60、0.78～0.93、1.00～1.27、1.66～1.81、2.05～2.49、2.62～2.70 Hz等頻域范圍為風(fēng)機(jī)運(yùn)行多倍轉(zhuǎn)頻；0.33～0.37 Hz、1.32～1.35 Hz、2.51～2.57 Hz頻率范圍則對應(yīng)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)自身的前三階模態(tài)頻率，0.62～0.75 Hz、1.08～1.14 Hz、1.93～2.02 Hz范圍內(nèi)頻率應(yīng)為風(fēng)機(jī)葉片的前三階固有頻率，這三種振源頻率的響應(yīng)均為結(jié)構(gòu)受環(huán)境荷載激勵后所產(chǎn)生；另外在1.37～1.49 Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)較少的頻率可能為較高風(fēng)速條件下風(fēng)致渦激振動的頻率。

圖5 海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要振源頻率分布圖

5 振源及其能量隨運(yùn)行因素變化規(guī)律

5.1運(yùn)行因素對結(jié)構(gòu)主振源的影響規(guī)律

圖6給出了海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在不同負(fù)荷范圍內(nèi)，各測點振動位移信號主頻率出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計分布趨勢示意圖，圖中實心點表示經(jīng)譜峭度分析后該頻率為諧波成分，而空心點則是代表結(jié)構(gòu)模態(tài)成分的振動頻率。由圖可知，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在機(jī)組負(fù)荷較低工況下，結(jié)構(gòu)主振頻率范圍為結(jié)構(gòu)低階模態(tài)頻率0.33～0.35 Hz，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)受環(huán)境激勵而產(chǎn)生固有模態(tài)特性。該工況下風(fēng)機(jī)機(jī)組運(yùn)行較為緩慢，僅對塔筒上部存在微弱影響，如圖6(a)中1#測點在0.21 Hz附近出現(xiàn)的頻率分布峰值。隨著負(fù)荷的增加，逐漸增大的運(yùn)行轉(zhuǎn)速對結(jié)構(gòu)的影響程度開始上升，集中體現(xiàn)在圖6(b)中0.25～0.26 Hz頻域內(nèi)各測點均出現(xiàn)了明顯的主頻分布峰值。但由于受到機(jī)組負(fù)荷的限制，機(jī)組運(yùn)行并沒有成為結(jié)構(gòu)振動的唯一振源，環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)振動在振源成分中仍占有較大的比重，振動主頻分布峰值存在于0.33～0.34 Hz范圍內(nèi)，說明此時結(jié)構(gòu)振動是由風(fēng)機(jī)運(yùn)行與環(huán)境荷載聯(lián)合激勵下發(fā)生的。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷增加至接近額定功率時，機(jī)組運(yùn)行對結(jié)構(gòu)的影響也達(dá)到最大，結(jié)構(gòu)振動主頻的分布峰值僅于額定轉(zhuǎn)頻0.30 Hz附近出現(xiàn)，而體現(xiàn)結(jié)構(gòu)一階模態(tài)的0.33 Hz出現(xiàn)次數(shù)明顯減少。說明在高負(fù)荷條件下風(fēng)機(jī)振動的主振源來自機(jī)組運(yùn)行過程中的葉輪轉(zhuǎn)動，環(huán)境激勵影響較小。

綜上可知，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的主振源變化遵循由單一的環(huán)境激勵轉(zhuǎn)為環(huán)境荷載和葉輪轉(zhuǎn)動聯(lián)合作用再到完全由葉輪轉(zhuǎn)動引起諧波激勵影響的規(guī)律。結(jié)構(gòu)振動形式從低負(fù)荷條件下按固有模態(tài)頻率振動，轉(zhuǎn)變?yōu)橹械蓉?fù)荷下環(huán)境荷載與風(fēng)機(jī)運(yùn)行引起諧波激勵作用下的聯(lián)合振動，再到高負(fù)荷下完全由機(jī)組運(yùn)行影響下的純受迫振動的變化過程。

(a) 低負(fù)荷區(qū)

(b) 中負(fù)荷區(qū)

(c) 高負(fù)荷區(qū)

5.2各振源能量隨結(jié)構(gòu)位置的變化規(guī)律

圖7為運(yùn)行風(fēng)速6.6 m/s、葉輪轉(zhuǎn)速12 r/min、機(jī)組負(fù)荷600 kW工況下風(fēng)機(jī)塔筒各測點振動位移信號各主要振源成分所占能量比重分布圖。該工況下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)處于環(huán)境荷載與諧波激勵的同時作用，其振動特性主要體現(xiàn)這兩種荷載對結(jié)構(gòu)的作用特征，而從各測點的振源能量分布上來看，以環(huán)境荷載誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動及葉輪轉(zhuǎn)動引起諧波激勵占有振動能量的90.0%以上，最大可達(dá)到總振動能量的99.5%，發(fā)生在位于塔筒底部第一層工作平臺的4#測點處，這兩種振源是引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的強(qiáng)振源。

隨著測點位置降低，葉輪轉(zhuǎn)動引起的諧波激勵對風(fēng)機(jī)振動的影響在逐漸減小，能量比例從塔筒頂部1#測點處的53.2%降到了4#測點處的23.10%，說明風(fēng)機(jī)運(yùn)行引發(fā)諧波激勵主要影響結(jié)構(gòu)上部振動，由于機(jī)組距離下部結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)導(dǎo)致影響減小。相對而言，由環(huán)境激勵誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動能量隨著測點位置的降低而逐漸增加，相應(yīng)地從塔筒上部兩個測點約40.0%的能量比重增加到4#測點處的76.40%，環(huán)境荷載對下部結(jié)構(gòu)影響的增加一方面是由于機(jī)組運(yùn)行影響的減弱，另一方面也可能是風(fēng)機(jī)下部振動誘發(fā)結(jié)構(gòu)多階固有頻率振動所致。除了以上兩種主要振源以外，引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的振源還包括葉片振動誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動，發(fā)電機(jī)運(yùn)行引起結(jié)構(gòu)振動及電磁工頻等，但由于所占能量較低，可視為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的弱振源。

(a) 1#測點

(b) 2#測點

(c) 4#測點

5.3各主振源能量隨運(yùn)行因素的變化規(guī)律

海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)1#、2#和4#測點處不同主振源能量比重隨機(jī)組負(fù)荷變化如圖8所示。由圖中可以看出結(jié)構(gòu)在全負(fù)荷范圍內(nèi)，葉輪轉(zhuǎn)動引起的諧波激勵與環(huán)境荷載在內(nèi)的兩種主要振源所誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動的能量比重隨著機(jī)組負(fù)荷變化的規(guī)律基本保持一致，均表現(xiàn)為諧波振源能量隨著機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，而環(huán)境荷載振源導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動的能量則隨著運(yùn)行因素的變化而逐漸減小。這種變化的誘發(fā)原因主要是在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)處于較低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時，由于葉輪轉(zhuǎn)速較低，其產(chǎn)生的諧波激勵對結(jié)構(gòu)影響有限，結(jié)構(gòu)主要還是受到環(huán)境荷載作用從而在響應(yīng)中體現(xiàn)更多結(jié)構(gòu)自身的振動信息。而當(dāng)機(jī)組負(fù)荷逐漸增大時，葉輪轉(zhuǎn)動對結(jié)構(gòu)的影響開始逐漸增大且不可忽略，這一階段結(jié)構(gòu)響應(yīng)中既包括環(huán)境荷載誘發(fā)產(chǎn)生的隨機(jī)振動，也包括諧波激勵作用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的受迫振動，兩種振源在能量上處于較為平衡的狀態(tài)。而當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加后，風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的諧波影響將成為結(jié)構(gòu)振動的主要振源，相比之下，環(huán)境荷載對結(jié)構(gòu)的影響作用已經(jīng)變得微乎其微了，在負(fù)荷大概超過1 200 kW時，結(jié)構(gòu)振動基本以諧波激勵下的受迫振動為主，環(huán)境荷載引起的隨機(jī)成分占據(jù)的能量比重很小甚至接近于零。

(a) 1#測點

(b) 2#測點

(c) 4#測點

5.4諧波與其倍頻能量隨運(yùn)行因素的變化規(guī)律

圖9分別為風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速運(yùn)行狀態(tài)下，統(tǒng)計獲得結(jié)構(gòu)各振源能量在信號響應(yīng)中所占比重的餅狀圖。由此可以看出，當(dāng)運(yùn)行風(fēng)速剛剛超過切入風(fēng)速且在4.0 m/s時，葉輪轉(zhuǎn)動較為緩慢，諧波激勵對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)影響較小，此時結(jié)構(gòu)振動的主振源為環(huán)境荷載。在振動能量比重中，機(jī)組轉(zhuǎn)頻與倍頻所占比重僅分別為0.97%與0.11%，雖在同一量級上但前者能量要大于后者。當(dāng)運(yùn)行風(fēng)速達(dá)到6.6 m/s時，風(fēng)機(jī)進(jìn)入較為穩(wěn)定的運(yùn)行階段，此時隨著葉輪轉(zhuǎn)動的加快，諧波激勵占總能量比重已經(jīng)超過環(huán)境荷載，機(jī)組轉(zhuǎn)頻能量比重達(dá)到了52.39%，而倍頻能量比重僅為0.81%。雖然倍頻能量比重相比于低風(fēng)速下有所增加，但與轉(zhuǎn)頻能量的差距則進(jìn)一步拉大，對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主要影響的諧波激勵振源為葉輪轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)頻，倍頻激勵的影響效果并不明顯。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于接近額定風(fēng)速的11.6 m/s與接近切出風(fēng)速的22.0 m/s時，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)均處于額定狀態(tài)的運(yùn)行工況，此時葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的諧波能量幾乎占據(jù)了結(jié)構(gòu)振動的全部能量，分別為98.00%與98.88%，而倍頻能量比重僅為0.16%與0.12%，與前者相比微乎其微，說明風(fēng)機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下葉輪轉(zhuǎn)頻是結(jié)構(gòu)振動的最主要振源，而倍頻對結(jié)構(gòu)影響較小。

(a) 風(fēng)速4.0 m/s

(b) 風(fēng)速6.6 m/s

(c) 風(fēng)速11.6 m/s

(d) 風(fēng)速22.0 m/s

由以上研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行因素的增加，葉輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)頻激勵對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響明顯呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢。而將諧波振源細(xì)分后的倍頻諧波激勵對結(jié)構(gòu)的影響則相對較小甚至可以忽略，這就說明在風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性評估中，需要重點考慮的是葉輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)頻與結(jié)構(gòu)固有模態(tài)頻率間的關(guān)系。而對于倍頻諧波來說，由于對結(jié)構(gòu)影響效應(yīng)有限，因此可以考慮在安全評估上適當(dāng)?shù)胤艑捁逃心B(tài)頻率與3P頻率間的安全標(biāo)準(zhǔn)，使得風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在1P與3P頻率間的頻域安全范圍加大。以上研究成果可以在風(fēng)機(jī)設(shè)計過程中使得整體結(jié)構(gòu)剛性化加強(qiáng)，固有模態(tài)頻率更加遠(yuǎn)離葉輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)頻，雖然靠近倍頻頻率(3P頻率)而不影響結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，為新型剛性海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

6 結(jié) 論

本文基于某海上風(fēng)電試驗樣機(jī)現(xiàn)場實測振動數(shù)據(jù)，同時從頻域和能量的角度研究運(yùn)行狀態(tài)下引起海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的主要振源及其能量分布特性隨風(fēng)機(jī)運(yùn)行因素變化的規(guī)律機(jī)理，主要獲得以下結(jié)論：

(1) 在運(yùn)行狀態(tài)下對風(fēng)機(jī)振動影響最為關(guān)鍵的振源是環(huán)境激勵與葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的諧波激勵，前者主要體現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身的低階模態(tài)成分，而后者則主要呈現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)頻及其倍頻信息。

(2) 隨著運(yùn)行風(fēng)速和機(jī)組負(fù)荷的增加海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動的主振源變化遵循由單一的環(huán)境荷載激勵轉(zhuǎn)為環(huán)境荷載激勵和葉輪轉(zhuǎn)動聯(lián)合作用再到完全由葉輪轉(zhuǎn)動引起諧波激勵影響的規(guī)律。

(3) 隨著測點位置的降低，諧波激勵對風(fēng)機(jī)振動的影響在逐漸減小，說明其主要影響結(jié)構(gòu)上部的振動，而由環(huán)境荷載激勵引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動能量隨著測點位置的降低而逐漸增加。

(4) 海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在全負(fù)荷范圍內(nèi)，各測點諧波振源能量隨著機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，而環(huán)境荷載振源導(dǎo)致結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動的能量則隨著運(yùn)行因素的變化而逐漸減小。

(5) 將諧波振源細(xì)分后的諧波倍頻(主要為3P頻率)激勵對結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)小于葉輪轉(zhuǎn)動對應(yīng)的諧波基頻(1P頻率)的影響，因此在風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性評估中需重點考慮的是葉輪諧波基頻激勵與結(jié)構(gòu)固有模態(tài)頻率間的關(guān)系，而適當(dāng)?shù)胤艑捁逃心B(tài)頻率與對結(jié)構(gòu)影響有限的倍頻間的安全標(biāo)準(zhǔn)，增大風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在1P與3P頻率間的頻域安全范圍而不影響結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

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Vibrationsourcefeaturesofoffshorewindpowerstructuresunderoperationalconditions

DONG Xiaofeng1,2, LIAN Jijian1,2, WANG Haijun1,2

(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)

Due to the operational environment complexity of offshore wind power structures, the correct identification of their vibration sources and their vibration source features study become key problems for their operation security assessments. Here, a new type test prototype of offshore wind turbine with a composite cylindrical foundation structure was taken as the study object, according to vibration response data at the structure’s different positions measured on the original prototype under the condition of full loading, its vibration sources to excite structural vibrations under different operational conditions were identified and analyzed. Firstly, the main vibration sources causing structural vibrations of the offshore wind turbine, and frequency domain properties of the corresponding vibration responses were identified with the spectral kurtosis (SK) method. Secondly, the measured signals were decomposed using the empirical mode decomposition (EMD) method to obtain components in frequency domain or frequency scale characterizing different vibration sources’ features. Simultaneously, the vibration energy method was introduced to analyze statistically energy proportions of various vibration sources. At last, the distribution laws of the main vibration sources of the offshore wind turbine’s entire structure under operation and the relevant vibration energy with the variation of operational factors were derived. The study showed that the vibration sources of the offshore wind turbine under operation have a variation law from pure environmental load excitations to the combination of ambient loads and its impeller rotating, and finally to harmonic component excitations caused by its impeller rotating.

offshore wind power; site measurement; vibration source identification; spectral kurtosis (SK); empirical mode decomposition (EMD); vibrational energy

國家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51021004)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(B14012)

2016-04-07 修改稿收到日期：2016-06-09

董霄峰 男，博士，講師，1986年8月生

練繼建 男，教授，博士生導(dǎo)師，1965年8月生 E-mail: tju_dongxf@126.com

TK8

： A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.17.004