海上風機整體結構動力特性分析

(1.國家電投集團江蘇海上風力發電有限公司， 江蘇 鹽城 224005；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 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 風機結構示例

能源是未來經濟可持續發展的一大主題，而海上風能由于其諸多優勢，已經逐漸成為調整能源結構的重要組成部分。作為海上發電主體部分的海上風機面臨著尤為復雜的環境條件，在這些復雜荷載因素的共同作用下，風機結構本身的動力特性反應變得更為復雜。海上風機結構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境中長期工作幾十年，因此能夠抵抗波浪、海流作用的優異流體動力特性對于其基礎結構而言是必不可少的[3-5]。模態分析可得到自振頻率和振型，也可為海上風機結構基礎設計和動力特性分析提供重要參數[6-8]。本文根據現有風機結構的實際參數設計WT 5 MW海上風機結構，開展荷載計算，同時采用SACS軟件建立WT 5 MW整體結構有限元模型，開展多年平均水位下的WT 5 MW風機結構動力特性分析。

1 工程概況

5 MW風機是近期國內外海上風電場開發的典型和主力機型之一。以NREL 5 MW基準風機為基礎，結合海裝5 MW風機支撐結構設計，建立研究對象，命名為WT 5 MW海上5樁基準風機。所選風機基礎結構頂法蘭高程為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。考慮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。風機結構如圖1所示。

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

表1 風環境參數

表2 WT 5 MW設計水位與設計波浪參數

表3 多年平均波浪參數

表4 WT 5 MW設計海流參數 cm/s

設計高程10 m按1 a重現期風速設計為14.60 m/s，WT 5 MW樁基礎埋深為67.05 m，地基土層自泥面從上至下依次為黏土、淤泥和沙土。根據上述環境荷載參數，運用FAST和SACS計算得到WT 5 MW風機結構受到的環境荷載。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構模型的前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。基于計算得到風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建立風機基礎結構模型，采用適當的波浪理論和莫里森方程計算得到基礎結構所受的波浪荷載以及海流荷載，如表 6和表 7所示。

表6 基礎結構所受的波浪荷載計算結果

表7 基礎結構所受的海流荷載計算結果

在表 6中，荷載編號與SACS一致：W1為50 a重現期極端高潮位下的波浪荷載，W2為5 a重現期極端高潮位下的波浪荷載，W3為1 a重現期設計高潮位下的波浪荷載，W4為1 a重現期設計低潮位下的波浪荷載，W5為50 a重現期極端低潮位下的波浪荷載，W6為5 a重現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重現期風速時的分層潮流力，X2代表極端高潮位下5 a重現期風速時的分層潮流力，X3代表設計高潮位下1 a重現期風速時的分層潮流力，X4代表設計低潮位下1 a重現期風速時的分層潮流力，X5代表極端低潮位下50 a重現期風速時的分層潮流力，X6代表極端低潮位下5 a重現期風速時的分層潮流力。

2 WT 5 MW風機整體結構有限元模型

圖2 WT 5 MW風機整體結構有限元模型

采用FAST V 7.0建立葉片-輪轂-機艙-塔筒-剛度陣半整體結構模型，WT 5 MW風機的上部結構(包括機艙、葉片、輪轂等組件)與NREL 5 MW基準風機相同。基礎結構與海裝5 MW風機基本相同。塔筒參照NREL 5 MW風機塔筒和結構具體要求重新設計完成。塔筒與基礎結構采用固定連接。

塔筒底部剛度陣可以保證半整體模型與整體結構模型的前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，基于1 a重現期風速，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構簡化模型，如圖 2所示。

基礎結構樁-土非線性作用的建模基于實測數據進行模擬，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。在模態分析時，結合多年平均海洋水文數據及由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 模態分析

圖4 WT 5 MW風機基礎結構有限元模型

海上風機結構需要進行整體結構的模態分析，確保風機的基頻處在允許的頻率范圍之內，以滿足經濟性和風機安全運行的要求。目前常用的海上風機結構分析方法是將等效靜力風機荷載作用于基礎結構頂法蘭處，研究基礎結構在風、浪、流等海洋環境荷載與風機荷載聯合作用下的結構響應。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構簡化有限元模型。

首先，采用SubDyn軟件建立海上風機基礎結構有限元模型，得到基礎結構頂法蘭點處的等效剛度矩陣和質量矩陣；然后，運用FAST V 7.0建立葉片-輪轂-機艙-塔筒-剛度陣半整體結構模型，基于1 a重現期風速，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構簡化模型，施加塔筒頂部控制風機荷載。根據多年平均風速、多年平均風機荷載以及多年平均海洋水文參數等，采用SACS軟件，基于基礎結構有限元模型(見圖 4)完成樁基線性化，在整體結構有限元模型的基礎上，開展WT 5 MW風機結構的模態分析，計算結果如表8所示。

表8 5樁導管架基礎整體系統第1～10階自振頻率和周期

WT 5 MW風機結構前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風機結構的基頻也應該與NREL 5 MW風機的基頻相同。由表5可知：WT 5 MW風機結構的1階頻率為0.321 Hz，參考NREL 5 MW中的技術參數可知，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。從上述結果對比可知，WT 5 MW風機結構基頻與NREL 5 MW基頻基本一致。

圖5 WT 5 MW風機結構振型圖

4 結 語

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