海上风机整体结构动力特性分析

(1.国家电投集团江苏海上风力发电有限公司， 江苏 盐城 224005；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 浙江 杭州 311122；3.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

图1 风机结构示例

能源是未来经济可持续发展的一大主题，而海上风能由于其诸多优势，已经逐渐成为调整能源结构的重要组成部分。作为海上发电主体部分的海上风机面临着尤为复杂的环境条件，在这些复杂荷载因素的共同作用下，风机结构本身的动力特性反应变得更为复杂。海上风机结构承受着多种随机荷载，包括风、浪、流、冰以及潮汐等，有时也会受到地震和极端恶劣天气的影响[1-2]。海上风机一般需在如此残酷的环境中长期工作几十年，因此能够抵抗波浪、海流作用的优异流体动力特性对于其基础结构而言是必不可少的[3-5]。模态分析可得到自振频率和振型，也可为海上风机结构基础设计和动力特性分析提供重要参数[6-8]。本文根据现有风机结构的实际参数设计WT 5 MW海上风机结构，开展荷载计算，同时采用SACS软件建立WT 5 MW整体结构有限元模型，开展多年平均水位下的WT 5 MW风机结构动力特性分析。

1 工程概况

5 MW风机是近期国内外海上风电场开发的典型和主力机型之一。以NREL 5 MW基准风机为基础，结合海装5 MW风机支撑结构设计，建立研究对象，命名为WT 5 MW海上5桩基准风机。所选风机基础结构顶法兰高程为9 m，考虑到轮毂中心高度为90 m，从轮毂中心到偏航轴承的高度为2.4 m，可确定塔筒高度为78.6 m。考虑到其顶部和底部的连接，确定塔筒顶部直径为3.78 m，底部直径为6 m。风机结构如图1所示。

参考海装5 MW风机海洋环境参数确定WT 5 MW风机海洋环境荷载参数，设计风参数如表1所示，设计水位与设计波浪参数如表 2所示，多年平均波浪参数如表3所示，设计海流参数如表 4所示。

表1 风环境参数

表2 WT 5 MW设计水位与设计波浪参数

表3 多年平均波浪参数

表4 WT 5 MW设计海流参数 cm/s

设计高程10 m按1 a重现期风速设计为14.60 m/s，WT 5 MW桩基础埋深为67.05 m，地基土层自泥面从上至下依次为黏土、淤泥和沙土。根据上述环境荷载参数，运用FAST和SACS计算得到WT 5 MW风机结构受到的环境荷载。采用FAST建立叶片-轮毂-机舱-塔筒-刚度阵的半整体模型，塔筒底部刚度阵可以保证半整体模型与整体结构模型的前4阶基频相似，基于叶素-动量理论计算得到空气动力荷载时程。基于计算得到风机荷载时程的等效静力最大值，作为塔筒顶部等效静力风机荷载，计算结果如表5所示。

表5 塔筒顶部等效静力风机荷载

使用SACS建立风机基础结构模型，采用适当的波浪理论和莫里森方程计算得到基础结构所受的波浪荷载以及海流荷载，如表 6和表 7所示。

表6 基础结构所受的波浪荷载计算结果

表7 基础结构所受的海流荷载计算结果

在表 6中，荷载编号与SACS一致：W1为50 a重现期极端高潮位下的波浪荷载，W2为5 a重现期极端高潮位下的波浪荷载，W3为1 a重现期设计高潮位下的波浪荷载，W4为1 a重现期设计低潮位下的波浪荷载，W5为50 a重现期极端低潮位下的波浪荷载，W6为5 a重现期极端低潮位下的波浪荷载。

在表 7中，荷载编号与SACS保持一致：X1代表极端高潮位下50 a重现期风速时的分层潮流力，X2代表极端高潮位下5 a重现期风速时的分层潮流力，X3代表设计高潮位下1 a重现期风速时的分层潮流力，X4代表设计低潮位下1 a重现期风速时的分层潮流力，X5代表极端低潮位下50 a重现期风速时的分层潮流力，X6代表极端低潮位下5 a重现期风速时的分层潮流力。

2 WT 5 MW风机整体结构有限元模型

图2 WT 5 MW风机整体结构有限元模型

采用FAST V 7.0建立叶片-轮毂-机舱-塔筒-刚度阵半整体结构模型，WT 5 MW风机的上部结构(包括机舱、叶片、轮毂等组件)与NREL 5 MW基准风机相同。基础结构与海装5 MW风机基本相同。塔筒参照NREL 5 MW风机塔筒和结构具体要求重新设计完成。塔筒与基础结构采用固定连接。

塔筒底部刚度阵可以保证半整体模型与整体结构模型的前4阶基频相似。基于叶素-动量理论计算得到空气动力荷载时程，基于1 a重现期风速，采用适当控制策略，开展动力时程分析得到塔筒顶部的风机荷载时程。依据上述风机荷载时程确定风机荷载时程的控制荷载，运用SACS软件建立海上风机整体结构简化模型，如图 2所示。

基础结构桩-土非线性作用的建模基于实测数据进行模拟，分别为：采用p-y曲线模拟水平向、t-z曲线模拟轴向、Q-z曲线模拟桩端的非线性桩-土相互作用。p-y曲线如图3所示。在模态分析时，结合多年平均海洋水文数据及由FAST计算得到的多年平均风速对应的风机荷载，进行桩基线性化处理，得到相应的桩头刚度矩阵。

图3 WT 5 MW风机非线性桩-土相互作用p-y曲线

3 模态分析

图4 WT 5 MW风机基础结构有限元模型

海上风机结构需要进行整体结构的模态分析，确保风机的基频处在允许的频率范围之内，以满足经济性和风机安全运行的要求。目前常用的海上风机结构分析方法是将等效静力风机荷载作用于基础结构顶法兰处，研究基础结构在风、浪、流等海洋环境荷载与风机荷载联合作用下的结构响应。采用FAST系列软件得到作用于塔筒顶部的等效静力风机荷载，基于改进的半整体方法建立海上风机整体结构简化有限元模型。

首先，采用SubDyn软件建立海上风机基础结构有限元模型，得到基础结构顶法兰点处的等效刚度矩阵和质量矩阵；然后，运用FAST V 7.0建立叶片-轮毂-机舱-塔筒-刚度阵半整体结构模型，基于1 a重现期风速，采用适当控制策略，开展动力时程分析得到塔筒顶部的风机荷载时程；最后，依据上述风机荷载时程值确定风机荷载时程的控制荷载，运用SACS软件建立海上风机整体结构简化模型，施加塔筒顶部控制风机荷载。根据多年平均风速、多年平均风机荷载以及多年平均海洋水文参数等，采用SACS软件，基于基础结构有限元模型(见图 4)完成桩基线性化，在整体结构有限元模型的基础上，开展WT 5 MW风机结构的模态分析，计算结果如表8所示。

表8 5桩导管架基础整体系统第1～10阶自振频率和周期

WT 5 MW风机结构前4阶振型如图 5所示。

由于WT 5 MW风机的机舱、叶片、轮毂等与NREL 5 MW风机完全相同，因此WT 5 MW风机结构的基频也应该与NREL 5 MW风机的基频相同。由表5可知：WT 5 MW风机结构的1阶频率为0.321 Hz，参考NREL 5 MW中的技术参数可知，基于FAST和ADAMS有限元分析得到的风机基频分别为0.321 Hz、0.320 Hz。从上述结果对比可知，WT 5 MW风机结构基频与NREL 5 MW基频基本一致。

图5 WT 5 MW风机结构振型图

4 结 语

FAST和SACS软件能够准确模拟WT 5 MW风机的机舱、叶片、轮毂等结构，根据海上风机模拟结果可知，其与实际风机基频基本一致，结果比较可靠。由于土体属性对风机运行环境有较大影响，后期需要对风场进行检测，可以采取布置阻尼器、对关键节点进行检测等措施防止结构共振造成危害。