海上風電機組吊裝液壓緩沖器仿真研究

1 引言

海上風力發電機（以下簡稱風機）在安裝過程中由于受到風和波浪的影響，風機塔架在從上向下接近安裝平臺的過程中，與安裝平臺間會產生劇烈的沖擊和碰撞，從而損壞風機相關設備，如圖1、圖2所示。為了避免這種情況的發生，需要在風機塔架下端安裝合適的抗沖擊緩沖器來減緩風機安裝碰撞過程中的沖擊，從而保證安裝過程中風機各個零部件不因過大的沖擊而損壞。目前海上風機安裝技術主要掌握在歐美國家手里，國內有同濟大學、上海交通大學和大連理工大學正在研究。

圖1 風電機組吊裝示意圖 圖2 對位緩沖裝置

液壓緩沖器是一種利用氣體的可壓縮性作用，轉化機械能為壓力能和熱能，用來延長沖擊負荷的作用時間，吸收并轉化沖擊負荷的能量的裝置。其特點是：抗力均衡、緩沖能量大、便于安裝。在壓縮量和最大作用力都相同時，液壓緩沖器比彈簧緩沖器幾乎能多吸收1倍的能量。故本文以液壓緩沖為基礎設計該抗沖擊緩沖器。傳統的設計方法是結合運動學、動力學與流體力學進行理論設計。這樣一個設計過程周期較長，操作繁瑣，對產品性能要求的多樣化非常不利。考慮以上因素，本文采用matlab針對液壓緩沖器進行優化仿真，對主要影響參數進行分析研究，加快其設計進程，提高設計的成功率。

2 緩沖的結構設計

本設計方案是通過外部的蓄能器來進行緩沖，其基本構成如圖3所示。緩沖器工作前，蓄能器內部設定好初始壓力，隨著缸筒的下降，油液從緩沖缸流入蓄能器，蓄能器中氣體的壓力增大，體積減小，蓄能器提供的能量就越來越大，由此來產生足夠的油壓使風機的運動減速。設計重點是保證整個緩沖過程加速度達到0.25g以下，最終滿足安裝要求。

圖3 緩沖器原理圖

3 緩沖器系統模型的建立

3.1緩沖器氣體狀態方程的選取

采用內裝氮氣的蓄能器作為風電機組電裝的緩沖器，能大大的緩解風機吊裝過程的振動和沖擊，提高風電機組吊裝的安全性。在緩沖過程中，蓄能器中的氣體處于不斷壓縮和膨脹的交替變化過程中，狀態復雜。目前國內大多數研究都把氣體作為理想氣體，用理想氣體的狀態方程來描述氣體的狀態變化過程，在低壓常溫時，實際氣體的性能同理想氣體比較接近，壓強和溫度變化不大的情況下，采用理想氣體狀態方程建模，還是能夠滿足仿真精度。但當氣體的溫度很低或壓力很高時，實際氣體的性能同理想氣體就會存在很大的偏離。當氣體壓力高于20MPa時，需要對實際氣體容積采用修正系數。因此在壓力很高或溫度很低時，應該用實際氣體的狀態方程來描述氣體狀態的變化。

目前常用的實際氣體狀態方程為BWR方程，該方程能比較準確地描述實際氣體狀態變化過程，而且考慮了氣體溫度變化產生的影響，其形式為：

[P=RTv+（B0RT-A0-C0T2）1v2+（bRT-a）1v3+aαv6+c（1+rv2）exp（-rv2）v3T2] （2.1）

其中，[A0]、[B0]、[C0]、[a]、[b]、[c]、[α]和[r]是經驗常數，對于氮氣，BWR方程中的八個常數可以確定；

[R]—實際氣體常數，對于氮氣[R=296.8]J/kg[?]K；

[T]—實際氣體絕對溫度，K；

[P]—實際氣體壓強，Pa；

[v]—蓄能器中氣體比容，m3/kg，其定義如下：

[v=Vmg] （2.2）

其中，[mg]—蓄能器中氣體質量，kg；

[mg=uP0V0R1T] （2.3）

[u]是氮氣的摩爾質量；

[P0]是蓄能器的預充氣體體積；

[R1]是常數，在這里取8.31441；

[V]—實際氣體體積，m3。

蓄能器中實際氣體體積[V]為：

[V=V0-ΔV] （2.4）

其中，[V0]—蓄能器中初始充氣體積，m3；

[ΔV]—蓄能器中氣體體積變化量，m3。

3.2 緩沖器數學模型的建立

對圖3的模型進行受力分析，緩沖缸輸出力方程為：

[F=Ma=Mg-P1A1-Ff-F繩索] （2.5）

其中，[P1]—緩沖液壓缸無桿腔油液壓力，Pa；

[A1]—緩沖液壓缸活塞面積，m2；

[M]—風機的質量，Kg；

[Ff]—緩沖缸密封圈摩擦力，N；

[F繩索]—鋼絲繩的拉力，N；

[a]—風機加速度，m2/s。

根據流體力學，無桿腔油液壓力P1主要受蓄能器中氣體壓強PA、管路局部壓力損失[Pα]和沿程壓力損失影響[Pβ]。即：

[P1=PA+Pα-Pβ] （2.6）

取蓄能器中的氣體為研究對象，蓄能器中的氣體壓強[PA]為：

[P=RTAvA+（B0RTA-A0-C0TA2）1vA2+（bRTA-a）1vA3+aαvA6+c（1+rvA2）exp（-rvA2）vA3TA2] （2.7）

[Pα=ρ（Q1Ac）2ζ10.5-0.5sign（x）-ζ20.5+0.5sign（x）] （2.8）

[Pβ=λc1lc1dcρv2c12sign（x）] （2.9）

其中，[ρ]—液壓油密度，取870kg/m3；

[Q1]—單位時間內I腔進入蓄能器油液的流量，可表示如下：

[Q1=-A?x] （2.10）

[Ac]—油管截面積，m2；

[ζ1]、[ζ2]—油管與蓄能器出口油液壓力損失系數，當油液由軟管向蓄能器內流動時，取[ζ1]=1；當油液從蓄能器向油管流動時，取[ζ2]=2；

[dc]—油管直徑，m；

[lc1]—油管長度，m；

由于蓄能器緩沖缸的制造精度和誤差，密封圈摩擦力對于緩沖過程有一定的阻尼作用，據文獻[8]中緩沖缸的密封圈摩擦阻力的算法，可知：

[Ff=uπΔPf（DbDdD+bddd）] （2.11）

其中，[u]—密封圈摩擦系數，按不同潤滑條件，可取0.1；

[ΔPf]—液壓缸兩側壓力差，[ΔPf=P1-P0]；

至此，可推導出風機加速度a：

[a=FM=g-（PA+Pα-Pβ）A1M-uπΔPf（DbDdD+dbddd）M-F繩M] （2.12）

4 緩沖器仿真分析

4.1仿真模型的建立

通過編寫matlab程序，對采用BWR方程得到的加速度方程進行仿真，程序仿真優化過程如下：

⑴設定P0和V0的合理工作范圍；

⑵在設定的工作范圍內遍歷所有P0和V0的數值組合，得到相應的加速度方程的曲線；

⑶把得到的每組曲線的最大值作為比較條件，以使得風機運動加速度方程最小作為目標函數，進行優化分析；

⑷最終得到最優的組合。

仿真優化程序框圖如圖4所示：

圖4 BWR方程優化方框圖

4.2仿真參數的選擇

（1）浪載荷影響分析

東海大橋風電場位于近海，海浪波周期約為6s。一般安裝工況海浪的最大允許起伏為±300mm。所以可將海浪波動模型簡化為正弦模型，海浪對安裝船的作用比較復雜，這里將海浪運動簡化為：

[x=Asin（2πTt+φ）+vt] （3.1）

其中，[A]—位移激勵的幅度，m；

[T]—激勵周期，s；

[φ]—激勵初相位，s；

[v]—吊勾下放速度，s；

[t]—時間，s。

（2）仿真模型參數輸入

根據風機吊裝的相關數據，選擇蓄能器的實際參數作為仿真模型的參數輸入，見表3.1。

表3.1仿真模型參數

在仿真過程中，假設油液的工作溫度是常溫即T=283.16 K，把蓄能器的預充氣體的壓力[P0]和預充體積[V0]作為優化變量，分別設置其范圍是5Mpa[≤][P0][≤]25Mpa和120L[≤][V0][≤]300L。

經過優化仿真，確定在蓄能器預充氣體壓力是10MPa，預充氣體體積是150L時，所獲得的風機加速度能比較好的滿足設計要求。其仿真結果如圖5所示，從圖中可以看出，整個仿真過程加速度始終小于0.25g，并且在46s以后加速度基本達到0，此時便可以把風機平穩的安裝在安裝平臺。

圖5 風機運動的加速度

5 結論

本文提出了風機的軟著陸安裝體系的緩沖系統，分析了海浪載荷對風機安裝的影響。利用緩沖加速度可控性及快速跟隨功能，將風機安裝時的加速度控制在要求范圍內，實現風機安裝的軟著陸。本文以一個海上風電機組吊裝的實際項目為背景，設計了液壓緩沖器，建立了其數學模型，并對緩沖過程的關鍵階段進行了分析和仿真。通過優化分析，最終得到一組最優的數值，使初始的最大加速度控制在2.3m2/s，結果滿足控制所提出的加速度≤0.25g的要求。為進一步研究緩沖器的控制算法、可靠性等奠定了基礎。