浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)及有限元分析

李晨陽(yáng) 張 昱 張曉鍵 何炎平

(上海交通大學(xué)，上海 200240)

0.引言

海上風(fēng)力發(fā)電具有離用電集中區(qū)域近、風(fēng)能資源密度高、便于大型化和視覺(jué)污染小等優(yōu)點(diǎn)，已引起世界各國(guó)的重視。其中，歐洲規(guī)劃到2020年，近海風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到240000MW，年發(fā)電量 720TW·h，可以滿足 1/3的歐洲用電量[1]。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)大都位于水深20m左右的近海海域，采用固基的著底式風(fēng)電機(jī)塔。今后將逐步向水深100m甚至幾百米的海域發(fā)展，浮基海上風(fēng)電場(chǎng)將是一種經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性兼顧的重要發(fā)展方向[2]。

本文主要針對(duì)選定地點(diǎn)的環(huán)境條件進(jìn)行了浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)，并對(duì)塔筒連接處進(jìn)行了強(qiáng)度校核，對(duì)受力集中的破艙可能性原件進(jìn)行了有限元分析。

1.浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)及設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題

相比傳統(tǒng)的固定式風(fēng)機(jī)平臺(tái)，浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):

(1)對(duì)水深、水底條件的要求較小，所以選址的范圍更大，可應(yīng)用的區(qū)域更多。

(2)浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)的成本由專家估算約和中等深度海域的固定式風(fēng)機(jī)平臺(tái)的成本接近。

(3)移動(dòng)、安裝、更換、重復(fù)使用都比固定式風(fēng)機(jī)平臺(tái)來(lái)得便利、快捷。

基于浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)的以上優(yōu)點(diǎn)，浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)將有很大的發(fā)展?jié)摿Γ绕涫窃谥袊?guó)的南海區(qū)域，但是進(jìn)行浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)要進(jìn)行整體載荷的計(jì)算、系泊系統(tǒng)的固定和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析。項(xiàng)目組通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)值仿真和環(huán)境模擬等工作得到逐步解決。

目前，浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)還面臨很多問(wèn)題，其中最重要的一點(diǎn)是控制平臺(tái)成本。只有在控制成本的前提下，解決電纜的鋪設(shè)與維護(hù)、葉片旋轉(zhuǎn)與波浪載荷對(duì)平臺(tái)作用力的耦合等問(wèn)題，海洋風(fēng)電產(chǎn)業(yè)才有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

2.浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)模型設(shè)計(jì)

2.1 浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)的力學(xué)原理

在海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，環(huán)境條件是必須要納入考量范圍的，包括項(xiàng)目工作地點(diǎn)的地理氣候情況、風(fēng)浪流的條件以及生態(tài)環(huán)境等。這些環(huán)境變量對(duì)于平臺(tái)的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)有著極其重要的影響。其直接影響到的設(shè)計(jì)參數(shù)包括海洋平臺(tái)型深、系泊系統(tǒng)打樁的方式、風(fēng)機(jī)平臺(tái)的安裝方法、風(fēng)機(jī)的扭矩和最佳工況、風(fēng)機(jī)平臺(tái)的初穩(wěn)性高和總質(zhì)量。

根據(jù)牛頓第二定律和內(nèi)摩擦定律對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)建立數(shù)學(xué)模型如式1。

其中，Mw是波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的轉(zhuǎn)矩，Ms是上層建筑受風(fēng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，m為結(jié)構(gòu)物質(zhì)量和附連水質(zhì)量的總和，C為阻尼系數(shù)，K是初穩(wěn)性提供的回復(fù)力矩系數(shù)。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工況條件，調(diào)整結(jié)構(gòu)物的 m和K來(lái)避開(kāi)可能發(fā)生諧振的區(qū)域。

2.2 浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)的工況分析

為了使設(shè)計(jì)的浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)在實(shí)際工況下可靠運(yùn)行，必須先分析何種環(huán)境因素會(huì)影響到浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)。

由于風(fēng)機(jī)的功率直接和上層建筑所受到的風(fēng)力相關(guān)，所以風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率規(guī)模將由平臺(tái)自身的回復(fù)力矩限制，所以浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)的回復(fù)力矩越大，平臺(tái)裝機(jī)功率就越大。又因?yàn)轱L(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)要求其橫搖幅度在一定范圍內(nèi)，一般在10度以內(nèi)[4]，要求風(fēng)機(jī)平臺(tái)自身有很好的初穩(wěn)性。

考慮到風(fēng)機(jī)在海上運(yùn)行時(shí)，會(huì)遭遇到不規(guī)則波的載荷，為了提高其耐波性，就注定風(fēng)機(jī)平臺(tái)的水線面積不能很大，因此，主要平臺(tái)的初穩(wěn)性高的提高主要依靠降低壓載艙的位置。為了保證平臺(tái)有足夠的浮力又同時(shí)不使浮心位置過(guò)高，浮力艙的設(shè)計(jì)位置比較靠近水面。通過(guò)將壓載艙和浮力艙的分離使得風(fēng)機(jī)平臺(tái)擁有足夠的初穩(wěn)性高。根據(jù)實(shí)地測(cè)量結(jié)果，風(fēng)機(jī)模型的工作環(huán)境選定在上海交通大學(xué)閔行校區(qū)的思源湖湖心島處。為確保風(fēng)速測(cè)量值可信，風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)選取湖周邊無(wú)高大建筑物、樹(shù)木且位于風(fēng)場(chǎng)主風(fēng)向的上風(fēng)向的兩處位置[5]。模型在實(shí)際工況下，由于重心偏高，風(fēng)力作用更顯著，而浪的影響較小，修正后的方案通過(guò)增大水線面積增加初穩(wěn)性。

2.3 浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)模型基本參數(shù)

考慮到實(shí)際工況，浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)模型的各設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示，平臺(tái)主體由塔筒、浮筒和壓載艙組成，風(fēng)機(jī)安裝在塔筒頂端。塔筒通過(guò)焊接與浮筒以及支撐力柱連接。平臺(tái)總高度:2.703米，塔筒高度:1.5米，平臺(tái)總排水量:73.57千克，水線面積:0.108平方米，初穩(wěn)性高GM:0.165米，風(fēng)機(jī)葉片半徑:0.9米，啟動(dòng)風(fēng)速:0.9m/s。

圖1 浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3.浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)模型受力分析與校驗(yàn)

對(duì)圖1中的浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)模型設(shè)計(jì)方案在實(shí)際工況下的運(yùn)行做受力分析和校驗(yàn)如下。

3.1 風(fēng)傾力矩估算

根據(jù)風(fēng)機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式，推力F=a(1－a)ρAV2

其中，a為特征系數(shù)，A為風(fēng)機(jī)工作面面積，ρ為空氣密度 1.293 kg/m3，V為風(fēng)速。

為了安全起見(jiàn)，我們選擇了使推力最大的特征系數(shù)a=0.5，風(fēng)速 V=4m/s。估算得，最大推力 F=9.134N;承載力矩 M=F·L=9.134N/M

3.2 啟動(dòng)風(fēng)速修正

廠方給出的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)為，風(fēng)機(jī)槳葉長(zhǎng)度l0=0.6m，最小啟動(dòng)風(fēng)速V0=2.0m/s。為了使風(fēng)機(jī)能夠在實(shí)際工況下穩(wěn)定運(yùn)行，必須使啟動(dòng)風(fēng)速降低。為了便于估算做以下假設(shè):①單位面積上的風(fēng)壓P與風(fēng)速V的1次方成正比，即P=KV;②前后葉片近似看作等寬;③產(chǎn)生力矩的比例C也不變;④對(duì)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)的最小扭矩不變?yōu)門。

根據(jù)假設(shè)可得，當(dāng)選用新的槳葉 l=0.9m時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)速 V=0.90m/s。

3.3 強(qiáng)度校核

3.3.1 塔筒與平臺(tái)連接處強(qiáng)度校核

塔筒的受力分析可簡(jiǎn)化成懸臂梁的受力分析，主要受力為橫向風(fēng)力F1和縱向重力F2。

根據(jù)風(fēng)機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式，推力F1=a(1－a)ρAV2

其中，a為特征系數(shù)，A為風(fēng)機(jī)工作面面積，ρ為空氣密度 1.293kg/m3，V為風(fēng)速。

為了安全起見(jiàn)，我們選擇了使推力最大的特征系數(shù)a=0.5，風(fēng)速 V=4m/s。，

估算得: F1=5.849N

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的重量，參照重心重量表，風(fēng)機(jī)重7.77kg，部分塔筒重約 1.736kg

估算得: F2=mg=93.159 N

據(jù)此估計(jì)承載力矩: Mmax=F1·L=5.849×0.7=4.095N·m

考慮純彎曲情況

A點(diǎn)處的應(yīng)力為:

由D=45mm可得，最大內(nèi)徑 d=44.942mm，最小厚度 t=0.5(D －d)=0.5 ×(45 －44.942)=0.029mm

考慮屈曲情況

A點(diǎn)處的臨界應(yīng)力為:

認(rèn)為塔筒上端自由，下端固定，故μ取2，鋼管的彈性模量取 200000 N/mm2，取 D=0.045m ，d=0.039m，計(jì)算得臨界應(yīng)力 σcr=222.955MPa，符合強(qiáng)度要求，所以塔筒厚度可取為3mm。

3.3.2 壓載艙開(kāi)艙頂板有限元分析

壓載艙存放大量壓載并且壓載艙頂板還開(kāi)了艙口，所以壓載艙開(kāi)艙頂板屬于較為危險(xiǎn)的區(qū)域，我們采用Patran、Nastran有限元建模分析軟件進(jìn)行載荷計(jì)算并校核強(qiáng)度。取壓載艙左上角的179×103mm部分，艙口尺寸是100×83，艙口邊有半徑為2mm的小孔。根據(jù)壓載艙下部的質(zhì)量，三邊是36N/m向下的力，中間的柱子連接處是67.9N/m向上的力。仿真結(jié)果表明，艙口應(yīng)力最大值為66.5MPa＜113MPa，所以強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)在正常情況下不會(huì)發(fā)生破壞。

4.結(jié)語(yǔ)

本文分析了當(dāng)前海上風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)機(jī)平臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r，將浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)平臺(tái)進(jìn)行比較。浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)有著適用水域廣，成本不高于傳統(tǒng)平臺(tái)，以及移動(dòng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，是今后海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)發(fā)展的方向。同時(shí)，浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)中存在著一系列問(wèn)題，特別是在成本制約下，平臺(tái)如何克服風(fēng)浪耦合作用。本文通過(guò)運(yùn)用力學(xué)原理分析平臺(tái)的受力，以及建模研究，校驗(yàn)?zāi)Ｐ推脚_(tái)主要部件的強(qiáng)度，驗(yàn)證了浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)在實(shí)際水域下工作的可行性。

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