如何计算塔架的固有频率？

由风轮转动引起的塔架受迫振动中，既有风轮转子残余的旋转不平衡质量产生的塔架以每秒转数n为频率的振动，也有由塔架影响、不对称空气来流、风剪切、尾流等造成的频率为Bn的振动。恒定转速的风力机应保证塔架-机舱系统固有频率值在转速激励的受迫振动频率之外。一般要求塔架的一阶固有频率与受迫振动频率n、B_n的差值必须超过这些值的20％以上，才能避免共振。同时，还应注意避免高阶共振。变转速风电机可在较大的转速范围内变化输出功率，但不容许在风轮发生超速现象时转速的叶片数倍频下的冲击也不得产生对塔架的激励共振。当叶片与轮毂之间采用非刚性连接时，对塔架振动的影响可以减小。尤其在叶片与轮毂采用铰性连接（变锥度）或风轮叶片能在旋转平面前后5°范围内挥舞时，取这样的结构设计能减轻由阵风或风的切变在风轮轴和塔架上引起的振动疲劳，缺点是构造复杂。

1.规范要求

为了避免塔架与机组其他部分的共振，规范要求为

1）应对包括运动部件在内的所有风力机部件组成的扭转系统进行系统扭转振动特性计算，以确定系统扭转振动固有频率。计算时还应考虑基础和系统阻尼的影响。设计计算的固有频率值应比风轮叶片实际转动频率高20％。

2）对于因风轮旋转引起振动的情况，应证实塔架（包括基础）的固有频率f₀充分远离转动风轮的激励频率f_R；

对于f_R/f₀≤0.3和f_R/f₀≥1.4的情况，不必考虑动态放大的影响。

对于0.3＜f_R/f₀＜0.95和1.05＜f_R/f₀＜1.4的情况，应对塔架进行动态分析，其使用的载荷谱应乘以动态放大系数。动态放大系数的确定按有关规定。

当0.95≤f_R/f₀≤1.05时，必须对塔架进行动态分析，并在使用期间定期进行振动进行监控。否则，不允许塔架长期使用。

3）设计时还应对由阵风引起的沿风向的振动和湍流引起的横向振动加以考虑，其振动研究方法按有关规定。

2.经验公式

（1）对于高耸结构来说结构基本自振周期经验公式：

一般情况

T₁=（0.007～0.013）H （9-42）

（2）对于塔架壁厚不大于30mm圆柱或者圆筒基础塔

当H²/D₀＜700时

T₁=0.35+0.85×10^-3H²/D₀ （9-43）

当H²/D₀≥700时(www.xing528.com)

T₁=0.25+0.99×10^-3H²/D₀ （9-44）

式中 H——从基础底板或柱基顶面至设备塔顶面的总高度，单位为m；

D₀——塔的外直径，单位为m；对于变直径塔，可以按照各段高度为权，取外直径的加权平均值。

3.固有频率测试

大型风力发电机组的塔架高度一般都在80m以上，动力学问题直接影响风力发电机组的工作性能和可靠性，其中必须考虑塔筒与叶轮是否会发生共振。设计时的频率计算模型与实际结构有一定差距，因此塔架完成后还需要实际测量塔架的频率和模态。

以某研究单位的一个实际工程为例说明测试方法。使用的试验仪器主要有：941B拾振器，INV3018C 24位便携式采集仪，INV1861A应变调理器和DASP V10分析软件。试验方法分别使用振动和应变两种测试方法进行测试，振动信号使用941B拾振器进行测试，传感器分别放置在塔筒的第二层和第三层；应变测试使用应变片进行，塔基均布4个测点，测点布置如图9-27所示，测试现场如图9-28所示。

图9-27 塔架固有频率测试的测点布置

图9-28 塔架固有频率测试现场

图9-29所示为塔架振动频谱分析图，图9-30所示为时域信号局部放大图，比较光滑的是第三层拾振器的信号，另一条为第二层拾振器信号。塔架的一阶固有频在叶轮旋转频率的1～3倍之间，与设计相符，另外，塔架的一阶固有频率与叶轮转频及三倍频的差值也符合要求，无共振隐患。

图9-29 塔架振动时域及频谱分析图

图9-30 塔架振动时域局部放大图