海上风电单桩基础载荷影响因素研究

吴加文，冀卫东，王爱国

(1.长江三峡集团福建能源投资有限公司，福建 福州 350001；2.新疆金风科技股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026)

在全球对绿色能源大力开发的今天，风电行业迅速发展，其中海上风电拥有稳定的海风资源和较大的发电功率等优势，受到广泛的研究和应用。我国较长的海岸线和宽阔的海域提供了丰富的风能资源，尤其对于经济发达的沿海地区，发展海上风电是具有长远意义的。相对于陆上风机，海上风机的环境更加复杂，不仅受到风作用，还受到海浪、海流、海冰等海洋环境的影响，因此海上支撑结构载荷受到多个环境参数的影响。当前对于海洋环境载荷的模拟，开发出了较为成熟的计算模型，并运用于实际工程中。显然，在海上风机的应用中，需要对给定的风机结构和环境载荷参数进行一个初步的载荷的评估，由此需要研究各个结构参数和环境参数对于风机载荷的影响规律。

本文将以兴化湾Ⅱ期嵌岩式单桩基础风机为研究模型，基于IEC61400-3标准[1]和Bladed软件进行多工况的仿真计算，研究结构频率、塔架结构、地质参数和极限风速、海况对基础载荷的影响规律。通过影响因素的规律研究，一方面，与同类型的项目进行比较时可以进行对载荷水平的预判或校验；另一方面，对结构优化也有指导意义。

1 载荷计算

海上风力发电机(OWT)由于处于海洋环境，不仅承受着自身重力，风载荷，还承受着波浪和水流等载荷。对于风机来说，这些载荷集中体现在风机基础上会出现较大的倾覆力矩，因此基础载荷需作为控制载荷，可通过降低基础载荷从而保障风机的安全。在空气动力学和水动力载荷等基本理论基础上，可对风机的多种运行状态进行仿真计算，从而获取基础载荷作为风机设计流程中的依据。本文按照IEC 61400-3标准[1]中风模型、波浪、流模型等环境载荷理论模型进行多工况的计算，使用Bladed软件对兴化湾II期工程中嵌岩单桩式基础风机进行动力学仿真，计算得出相应基础的极限载荷和疲劳载荷。

1.1 叶素动量理论

叶素动量理论是计算风机叶片气动载荷的一种方法，在Rankine、Froude等建立的一维动量理论基础上，H.Grauert提出了叶素动量理论[2]。

1.1.1 动量理论

动量理论主要是考虑风力机轴向的动量变化，气流流经风轮前后的动量变化量与风力机风轮能量的变化就是通过动量理论来描述的，进一步可推导出气流来流速度与作用在风轮上的力之间的关系，还可用来估算风力机的理想出力和风能利用效率。

通过一系列假设前提，如图1，可将气流流过风轮的流动简化为流管，气流从无穷远处流经风轮旋转形成的圆盘时，气流中的部分动能转化为风轮旋转的机械能。

图1 动量理论示意图

根据流管中流经任意截面的质量守恒原理：

ρA∞U∞=ρAdUd=ρAwUw

(1)

风轮形成的致动盘会诱导气流速度改变，即圆盘处的轴向气流速度可写为

Ud=U∞(1-a)

(2)

其中，a为轴向诱导因子。

1.1.2 叶素理论

风机的桨叶可以分成若干段叶素，每段叶素上的受力分析可转化为该微段二维翼型的气动分析，并且作用在叶素上的力与通过叶素扫过圆环的气流的动量变化有关。忽略气流的径向作用，如图2，作用在叶素轴向速度为U∞(1-a)，切向速度为Ωr。其投影到对应二维翼型的气流速度在图3中表示，由此确定翼型的攻角计算得出翼型上的升力和阻力[3]。

与总流速W垂直的升力为

(3)

与总流速W平行的阻力为

(4)

则轴向合力为

图2 风机叶素图

图3 二维翼型气动力图

1.2 水动力计算

1.2.1 波浪谱

相较于陆上风机，海上风机受到海洋环境的影响，波浪载荷对基础载荷的影响很大。在实际工程计算中，定义波浪谱的参数有义波高和周期峰值来描述随机波浪，并通过海浪的监测可得到描述波浪谱参数的概率分布。根据IEC61400-3标准，选用Jonswap谱的波浪模型来进行仿真计算[1]。Jonswap谱为欧洲国家对北海联合研究的成果，其谱型可以表示：

SJS(f)=C(γ)·SPM(f)·γa

(5)

其中：γ是谱峰因子；C(γ)是归一化因子。

(6)

1.2.2 Morison方程[3]

Morison方程一般用于计算海洋工程结构的粘性阻力和惯性阻力，其方程可表示为

(7)

其中：Cd是粘性阻力系数；Cm是惯性系数。

1.3 Bladed软件

Bladed软件是英国GH公司开发的一款用于风电机组设计的专业软件，并通过GL认证。该软件是一个集成软件包，可提供各种风模型、浪模型、控制系统等多种模型选择，并且可进行功率分析、载荷计算以及强大的数据后处理计算，如图4，为Bladed的功能模块界面。本文通过标准化操作生成多工况的bladed仿真计算文件，并使用Batch进行批量计算。

图4 Bladed功能模块界面图

1.4 载荷计算流程

本文根据IEC规范制定标准化载荷计算流程，如图5，通过对风机结构模型的确立和对风资源和水文参数整理设置多工况的环境参数，使用Bladed软件生成工况文件并计算，最后进行数据的后处理，本文主要研究基础载荷，因此主要获取塔底的极限载荷和疲劳载荷。

图5 载荷计算流程图

2 整机模型

本文选取兴化湾II期典型机位点处嵌岩单桩基础式6 MW风机为研究模型，如图6为单桩基础风机的示意图。该模型风机主要由机头部件和支撑结构组成，其中，支撑结构由塔架和单桩基础构成，塔架采用两直一椎结构；泥面以下的桩体在Bladed模型建立中等效为泥面刚度矩阵，泥面以上的基础有一部分受到浪流的载荷作用。

图6 单桩基础风机模型图

如表1和表2，为模型的结构参数和风、浪环境参数，可以从表1和表2中看出，本项目模型的风速较大，水深较浅，极限波高小，波浪具有风浪的特性，可以预判该模型的风载相对于浪载对结构载荷的影响会更大。

表1 6 MW机组模型结构参数表

表2 环境参数表

3 影响基础载荷因素

海上风机的主要载荷来源为风载荷和浪载荷，对于风机的塔架设计，风、浪载荷决定着塔底承受较大的剪力和倾覆力矩，同时风浪的随机性和周期性会影响塔架的疲劳载荷。从图6也可以看出，风载作用于桨叶传递到塔架，波浪载荷作用于基础传递到塔架。本文以塔底载荷作为衡量基础载荷的指标，从动力学角度分析，风、浪、流等载荷共同作用于风机机组，使得塔架产生较大位移和加速度，而塔底载荷即是结构惯性载荷作用在塔底的集中体现[4]。因此影响基础载荷的因素主要有风况、海况、整机结构、基础地质参数等，本节将讨论相关参数对基础载荷的影响规律。

3.1 支撑结构频率对单桩基础载荷的影响

海上机组支撑结构由塔架和基础组成，支撑结构的固有频率是整机的动力学特性之一。支撑结构频率低意味着结构更“柔”，结构变形幅度会较大；而当外加载荷的频率接近于结构的固有频率时，结构会发生共振，载荷将会大幅提升。因此，支撑机构频率对风机载荷起关键作用。对于风机，结构参数的改变都会影响到整机频率的改变，本文以兴化湾Ⅱ期单桩基础风机为计算模型，模型结构一阶频率为0.271 Hz，通过改变结构的固有频率，从而研究结构频率影响基础载荷的规律。

如图7，在结构频率变化范围内，塔底极限载荷变化幅度较小，但可以看出随结构频率增大而有小幅降低的趋势；塔底疲劳载荷随结构频率增加而显著降低，同时在频率为0.281 Hz后，载荷反而有增大的趋势。

对于极限载荷，极限工况发生在DLC6.2，因此极限载荷受到极限风速的影响较大，塔架机构频率在变化范围内对极限载荷的影响度较小；而对于疲劳载荷，随着结构频率增大，结构更加“刚”，塔架振动趋于缓和，但当结构频率继续增大时，将会靠近3P形成共振，因此疲劳载荷反而会逐渐增大。

图7 塔底载荷与支撑结构频率变化关系图

3.2 塔架结构对单桩基础载荷的影响

在风机设计过程中常常会对塔架结构进行优化，塔架结构的尺寸参数及结构布置对整机的结构频率有直接影响，进而影响基础载荷。兴化湾II期单桩基础风机塔架采用“两直一锥”分段结构，本节通过改变塔架的壁厚，研究塔架结构变化对基础载荷的影响。

如图8，更改塔架整体壁厚，在增加壁厚10%至减小壁厚10%的变化范围内，整机结构频率随壁厚的增大而增大，但频率的变化最大只有2%以左右，因此塔底疲劳载荷的变化并不显著，即对于该机组，在一定范围内，壁厚的变化对塔底疲劳载荷并不敏感。

图8 塔架壁厚对塔底疲劳载荷的影响图

3.3 水深对单桩基础载荷的影响

海上风机支撑结构底部有一段浸没在海水中，水深即表示平均水位与海床的高度差。水深影响风机支撑结构底端结构的刚度，对整机频率有一定影响，进而影响结构的载荷。如图9，改变水深，塔底极限载荷和疲劳载荷随水深增加而小幅增加。水深每增加1 m，塔底极限载荷增大不超3%，塔底疲劳载荷增大不超2%。因此对于本文模型，在水深范围6～12 m内，水深的变化对塔底载荷的影响较小。

图9 水深对塔底极限载荷和疲劳载荷的影响图

3.4 地质参数对单桩基础载荷的影响

在海上风机设计分析中，地质参数对整机泥面处的刚度矩阵和一阶频率有直接的影响。本文以兴化湾Ⅱ期嵌岩单桩基础的扫频计算为模型，简化土壤模型，分析砂土的内摩擦角、黏土的不排水抗剪强度对泥面刚度矩阵的影响，如图10，在砂土内摩擦角变化范围内，每增加5°的内摩擦角，频率值可提高0%～3%不等；在黏土不排水抗剪强度变化范围内，每增加5 kN/m2的不排水抗剪强度，频率值可提高0.3%～2%不等。

图10 地质参数(内摩擦角、不排水抗剪强度)对整机一阶频率的影响图

3.5 极限风速和极限海况对单桩基础载荷的影响

根据IEC规范，极限风速为轮毂高度处50年一遇极大风速10 min平均值，极限海况选用50年一遇极限有义波高和周期；极限工况中DLC6.1和DLC6.2为极限风速和极限海况的组合工况，本节通过分别改变极限风速和极限海况的参数，研究其对单桩基础的影响。

如图11，对DLC6.1空转某一工况进行仿真，改变极限风速的大小对塔底载荷Mxy进行谱分析，可以看出,极限风速越大，塔底的振动载荷越大。

图11 不同极限风速下塔底Mxy的谱分析图

如图12，改变极限海况中的有义波高，计算DLC6.1和DLC6.2的塔底载荷Mxy对应工况下的极限载荷，可以发现海浪极限波高的变化对极限载荷的影响微小，两个工况下的极限载荷基本不变，而塔底载荷Mxy在全工况下极限载荷发生在DLC6.2，因此改变极限波高对塔底极限载荷没有较大影响。

对于该项目，波浪载荷相对于风载荷对塔底载荷的贡献较小，因此在极限工况中，极限风况对塔底极限载荷更加敏感，极限海况的变化对塔底极限载荷的影响甚微。

图12 不同极限有义波高速下塔底相应工况下的极限载荷图

4 结 语

本文以福建近海项目嵌岩单桩基础风机为研究模型，研究影响单桩基础的几个重要因素，可得到以下结论：

1)整机频率改变对塔底载荷影响较小，但对于疲劳载荷，当频率增大时，塔底载荷会有减小的趋势，当频率继续增加靠近3P共振区域，将会使得疲劳载荷增大；

2)在塔架壁厚变化10%范围内，增大塔架壁厚，整机频率增大，对塔底疲劳载荷的影响较小；

3)水深的变化对塔底极限载荷和疲劳载荷的影响小，但载荷会随水深的增加缓慢增加；

4)在一定范围内，每增加5°的内摩擦角，频率值可提高0%～3%不等；每增加5 kN/m2的不排水抗剪强度，频率值可提高0.3%～2%不等；

5)由于该项目风速较大，波浪频率较小，单桩基础载荷中风载占主导，极限风速对极限载荷的影响较大，而极限海况对极限载荷的影响很小。

对于同类型项目，在对结构数据和环境参数的初步评估基础上，通过福建近海项目上述规律的发现将对福建海域海上风电基础选型有一定的指导意义。