海上風機整體結(jié)構(gòu)動力特性分析

(1.國家電投集團江蘇海上風力發(fā)電有限公司， 江蘇 鹽城 224005；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司， 浙江 杭州 311122；3.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

圖1 風機結(jié)構(gòu)示例

能源是未來經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一大主題，而海上風能由于其諸多優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸成為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。作為海上發(fā)電主體部分的海上風機面臨著尤為復雜的環(huán)境條件，在這些復雜荷載因素的共同作用下，風機結(jié)構(gòu)本身的動力特性反應變得更為復雜。海上風機結(jié)構(gòu)承受著多種隨機荷載，包括風、浪、流、冰以及潮汐等，有時也會受到地震和極端惡劣天氣的影響[1-2]。海上風機一般需在如此殘酷的環(huán)境中長期工作幾十年，因此能夠抵抗波浪、海流作用的優(yōu)異流體動力特性對于其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)而言是必不可少的[3-5]。模態(tài)分析可得到自振頻率和振型，也可為海上風機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計和動力特性分析提供重要參數(shù)[6-8]。本文根據(jù)現(xiàn)有風機結(jié)構(gòu)的實際參數(shù)設(shè)計WT 5 MW海上風機結(jié)構(gòu)，開展荷載計算，同時采用SACS軟件建立WT 5 MW整體結(jié)構(gòu)有限元模型，開展多年平均水位下的WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)動力特性分析。

1 工程概況

5 MW風機是近期國內(nèi)外海上風電場開發(fā)的典型和主力機型之一。以NREL 5 MW基準風機為基礎(chǔ)，結(jié)合海裝5 MW風機支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立研究對象，命名為WT 5 MW海上5樁基準風機。所選風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)頂法蘭高程為9 m，考慮到輪轂中心高度為90 m，從輪轂中心到偏航軸承的高度為2.4 m，可確定塔筒高度為78.6 m?？紤]到其頂部和底部的連接，確定塔筒頂部直徑為3.78 m，底部直徑為6 m。風機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

參考海裝5 MW風機海洋環(huán)境參數(shù)確定WT 5 MW風機海洋環(huán)境荷載參數(shù)，設(shè)計風參數(shù)如表1所示，設(shè)計水位與設(shè)計波浪參數(shù)如表 2所示，多年平均波浪參數(shù)如表3所示，設(shè)計海流參數(shù)如表 4所示。

表1 風環(huán)境參數(shù)

表2 WT 5 MW設(shè)計水位與設(shè)計波浪參數(shù)

表3 多年平均波浪參數(shù)

表4 WT 5 MW設(shè)計海流參數(shù) cm/s

設(shè)計高程10 m按1 a重現(xiàn)期風速設(shè)計為14.60 m/s，WT 5 MW樁基礎(chǔ)埋深為67.05 m，地基土層自泥面從上至下依次為黏土、淤泥和沙土。根據(jù)上述環(huán)境荷載參數(shù)，運用FAST和SACS計算得到WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)受到的環(huán)境荷載。采用FAST建立葉片-輪轂-機艙-塔筒-剛度陣的半整體模型，塔筒底部剛度陣可以保證半整體模型與整體結(jié)構(gòu)模型的前4階基頻相似，基于葉素-動量理論計算得到空氣動力荷載時程?；谟嬎愕玫斤L機荷載時程的等效靜力最大值，作為塔筒頂部等效靜力風機荷載，計算結(jié)果如表5所示。

表5 塔筒頂部等效靜力風機荷載

使用SACS建立風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，采用適當?shù)牟ɡ死碚摵湍锷匠逃嬎愕玫交A(chǔ)結(jié)構(gòu)所受的波浪荷載以及海流荷載，如表 6和表 7所示。

表6 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受的波浪荷載計算結(jié)果

表7 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受的海流荷載計算結(jié)果

在表 6中，荷載編號與SACS一致：W1為50 a重現(xiàn)期極端高潮位下的波浪荷載，W2為5 a重現(xiàn)期極端高潮位下的波浪荷載，W3為1 a重現(xiàn)期設(shè)計高潮位下的波浪荷載，W4為1 a重現(xiàn)期設(shè)計低潮位下的波浪荷載，W5為50 a重現(xiàn)期極端低潮位下的波浪荷載，W6為5 a重現(xiàn)期極端低潮位下的波浪荷載。

在表 7中，荷載編號與SACS保持一致：X1代表極端高潮位下50 a重現(xiàn)期風速時的分層潮流力，X2代表極端高潮位下5 a重現(xiàn)期風速時的分層潮流力，X3代表設(shè)計高潮位下1 a重現(xiàn)期風速時的分層潮流力，X4代表設(shè)計低潮位下1 a重現(xiàn)期風速時的分層潮流力，X5代表極端低潮位下50 a重現(xiàn)期風速時的分層潮流力，X6代表極端低潮位下5 a重現(xiàn)期風速時的分層潮流力。

2 WT 5 MW風機整體結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 WT 5 MW風機整體結(jié)構(gòu)有限元模型

采用FAST V 7.0建立葉片-輪轂-機艙-塔筒-剛度陣半整體結(jié)構(gòu)模型，WT 5 MW風機的上部結(jié)構(gòu)(包括機艙、葉片、輪轂等組件)與NREL 5 MW基準風機相同?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)與海裝5 MW風機基本相同。塔筒參照NREL 5 MW風機塔筒和結(jié)構(gòu)具體要求重新設(shè)計完成。塔筒與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用固定連接。

塔筒底部剛度陣可以保證半整體模型與整體結(jié)構(gòu)模型的前4階基頻相似?；谌~素-動量理論計算得到空氣動力荷載時程，基于1 a重現(xiàn)期風速，采用適當控制策略，開展動力時程分析得到塔筒頂部的風機荷載時程。依據(jù)上述風機荷載時程確定風機荷載時程的控制荷載，運用SACS軟件建立海上風機整體結(jié)構(gòu)簡化模型，如圖 2所示。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)樁-土非線性作用的建?；趯崪y數(shù)據(jù)進行模擬，分別為：采用p-y曲線模擬水平向、t-z曲線模擬軸向、Q-z曲線模擬樁端的非線性樁-土相互作用。p-y曲線如圖3所示。在模態(tài)分析時，結(jié)合多年平均海洋水文數(shù)據(jù)及由FAST計算得到的多年平均風速對應的風機荷載，進行樁基線性化處理，得到相應的樁頭剛度矩陣。

圖3 WT 5 MW風機非線性樁-土相互作用p-y曲線

3 模態(tài)分析

圖4 WT 5 MW風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型

海上風機結(jié)構(gòu)需要進行整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，確保風機的基頻處在允許的頻率范圍之內(nèi)，以滿足經(jīng)濟性和風機安全運行的要求。目前常用的海上風機結(jié)構(gòu)分析方法是將等效靜力風機荷載作用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)頂法蘭處，研究基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在風、浪、流等海洋環(huán)境荷載與風機荷載聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)響應。采用FAST系列軟件得到作用于塔筒頂部的等效靜力風機荷載，基于改進的半整體方法建立海上風機整體結(jié)構(gòu)簡化有限元模型。

首先，采用SubDyn軟件建立海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型，得到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)頂法蘭點處的等效剛度矩陣和質(zhì)量矩陣；然后，運用FAST V 7.0建立葉片-輪轂-機艙-塔筒-剛度陣半整體結(jié)構(gòu)模型，基于1 a重現(xiàn)期風速，采用適當控制策略，開展動力時程分析得到塔筒頂部的風機荷載時程；最后，依據(jù)上述風機荷載時程值確定風機荷載時程的控制荷載，運用SACS軟件建立海上風機整體結(jié)構(gòu)簡化模型，施加塔筒頂部控制風機荷載。根據(jù)多年平均風速、多年平均風機荷載以及多年平均海洋水文參數(shù)等，采用SACS軟件，基于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型(見圖 4)完成樁基線性化，在整體結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，開展WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，計算結(jié)果如表8所示。

表8 5樁導管架基礎(chǔ)整體系統(tǒng)第1～10階自振頻率和周期

WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)前4階振型如圖 5所示。

由于WT 5 MW風機的機艙、葉片、輪轂等與NREL 5 MW風機完全相同，因此WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)的基頻也應該與NREL 5 MW風機的基頻相同。由表5可知：WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)的1階頻率為0.321 Hz，參考NREL 5 MW中的技術(shù)參數(shù)可知，基于FAST和ADAMS有限元分析得到的風機基頻分別為0.321 Hz、0.320 Hz。從上述結(jié)果對比可知，WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)基頻與NREL 5 MW基頻基本一致。

圖5 WT 5 MW風機結(jié)構(gòu)振型圖

4 結(jié) 語

FAST和SACS軟件能夠準確模擬WT 5 MW風機的機艙、葉片、輪轂等結(jié)構(gòu)，根據(jù)海上風機模擬結(jié)果可知，其與實際風機基頻基本一致，結(jié)果比較可靠。由于土體屬性對風機運行環(huán)境有較大影響，后期需要對風場進行檢測，可以采取布置阻尼器、對關(guān)鍵節(jié)點進行檢測等措施防止結(jié)構(gòu)共振造成危害。