新型海上风电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构分析

张学森 ZHANG Xue-sen；李丹 LI Dan

（①中国广核新能源控股有限公司，北京 100071；②保定建业集团有限公司，保定 071000）

0 引言

根据对中国当前在海上风电机组架构设计中存在的结构荷载承重能力不足和机制不连贯等问题现状进行了深入分析，需要针对中国实际工程设计的现状，进行了一个比较完整的海上风力发电机组塔筒与导管架基础之间的筒式联接结构方案设计，并且需要充分考虑对海上风力机组的筒塔运行负荷、自重、风载荷、海浪负荷、海流载荷以及对整机的负荷等进行有效估算，并且需要利用有限元ANSYS 软件精确地计算海上风力发电机组塔筒与导管架基础之间的筒式连接结构，并建立了筒式连接的设计模式，结合对比结构模型方法和控制变量方法对不同角度的入射方向荷载数值进行有效测试，同时也实现计算结果的有效对比，全面了解海上风电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构设计的优势，对荷载传递带来的优越性，同时也减轻荷载压力，为海上风电机组系统的设计提供可靠支持。

1 海上风电机基础结构设计的重要意义

新时期的电力产业推动了我国海上风力发电产业的不断发展。在海上风力发电产业中，风力发电机组作为整个系统的核心，对风力发电产业的稳定运行起到了关键性作用。然而在当前背景下我国海上风力发电机组的规模也在不断扩大，推动了风电产业的发展，同时对风力发电机组的基础环节设计也带来了全新的挑战。基于研究可以看出，我国当前的风力发电产业发展受到发电成本所制约，从海上发电角度分析，对于海上风电机的基础建设成本需要占整个系统成本的大部分比重，而西方发达国家在此项研究报告中明确表明，海上风力发电系统的总投入中，风电机的基础投资费用可以占总投资的五分之一以上，所以，为了保障海上风力产业的持续健康发展，必须从风电机组的基础设施建设入手，重视基础结构的优化，有效缩减海上风力发电机组的投资成本，同时也提高海上风电产业的经济性。此外，在海上风电系统中，由于各类组合具有特异性，这也为发电机组的基础结构设计带来了巨大的挑战。据统计结果显示海上发电机组基础体系的复杂性引发发电机组故障的概率高达18%，这也使得海上风电机组的基础设施成为成本投入的核心风险因素。

就海洋风力发电机组系统建设的架构分析来看，其基本架构主要由中心浮动平台、负压筒基础构造、重力型构造、导管架型构造、三脚架基础以及单桩构造组成。从全球各国角度分析，目前仍然有很多的海洋风力发电机系统都是采用以导管架、三脚架基础或者单桩来设置基础结构，但不管三脚架基础或者单桩承台构造，由于其承载力都是通过中心桩身完整性来承载，因此导致中心桩柱的孔径和壁厚都太大，同时费用也相当高昂。而且因为极限荷载或者疲劳都会损坏中心桩柱，所以如果替换为桩柱那么成本也就非常昂贵了，并且会严重影响整机的经济价值。对于导管架基础设施工程来说，主要是通过在导管架基座和塔筒间建造的连接结构，以便于起到相互联系和支撑的功能，但由于设置的连接结构要与导管架基础基本处于分离关系，同时负荷承受的机制又不连贯，分布出现了不平衡现象，很容易出现导管架基础设施的局部负荷过高问题，甚至出现了结构破坏等问题。而面对这一问题，以下针对一种新型的海上风力发电机塔筒和导管架基础的筒式连接结构进行分析，在该连接结构的设计中，起到良好的支撑效果。

2 海上风电机塔筒与导管架基础筒式连接结构设计

2.1 结构形式

通过图1 的筒式连接结构可以看出，该连接结构的中心作为塔筒的底座，并且可以将它视为塔筒与法兰形结构的连接体。在风机的塔筒基座周边合理地设置了四根立柱，同时要求每一个柱子与塔筒底座中心之间都采用了连贯腹层的衔接方式，同时，在这四条侧边柱子的最外面都要配套设置了四组最侧面柱子，并且各个最侧边柱子到塔筒底座中心的距离都应该相等，同时各组相互对应的内侧柱子和外侧立柱之间按照轴心差距和塔筒基座中心处于同一平面内，外侧柱子的上下部分之间都要通过与周边的水平杆件加以衔接，同时在每一个内侧柱子和最侧面柱子之间采用若干个水平杆件加以连接，这样构成了一个框架整体，并达到紧密连接效果。在连接体系中，八根支柱与导管架基础要呈相对的连接结构，同时采取焊接的方式来提高连接的连贯性，保持传力的可靠性。

2.2 构件尺寸

在筒式连接结构中，海上风力发电机系统的整体受力中筒式连接结构也发挥着重要的作用，因此，在进行筒式连接结构和导管架的链接过程中，其连接结构的构件尺寸要严格按照相关标准进行设置，同时整个结构都使用Q345B 钢材进行连接。具体参数设计如表1 所示。

表1 参数设计

3 荷载计算

针对海上风电场的风电机组筒式连接结构来说，和导管架基础结构连接的计算荷载一般包含风电机的通底部运行和风载荷的运算情况，在实际运行中对冰荷载和地震荷载不做过多考虑。

3.1 风电机塔筒底部的荷载计算

结合某南海区域的风电场工作情况为例，分析海上风电机组塔筒底部的运行荷载情况数据技术，其荷载结果如表2 所示。

表2 风电机塔筒底部运行荷载

3.2 风荷载计算

在针对风电机的他通底部风荷载计算中，主要通过荷载运算方式呈现，塔筒的基础底座和下部的符合核算要结合海上固定平台入级和建造相关规范进行计算，相关计算公式为：

结合风荷载计算公式来看，其中K 代表风载荷的形状系数，而K2则表示海上风压的变化系数；同A 代表海上风的承受面积，主要是垂直风向的轮廓投影面积，最后V表示设计的风速，一般V 的风速设置为59.5m/s。

3.3 波浪荷载计算

在海上风电机与导管架的筒式连接环节中，导管架的尺寸和波长连接相对都比较小，大部分都是小尺寸的构建，因此可以通过线性波的理论对波浪的荷载进行计算，具体计算方法采用下方公式进行计算：

其中ρ 表示海水的密度，一般ρ=1025kg/m3，而式中的CD代表曳力系数，其也为常数，一般结合相关规范曳力系数取值为1，CM表示惯性力系数，该系数一般取值为2，D则表示为直径，u 代表垂直构建轴线的速度分量，结合相关资料调查显示，波浪的额外要素分别是最大波高度、水深度和相对应的波浪周期等。

3.4 海流荷载计算

由于受到海面上的海水流速的影响，在时间的不断推移下，海水的流速也逐渐放缓，所以海流荷载也可以作为一个稳定的荷载出现，具体的海流荷载计算也可以通过下述公式进行计算：

通过海流荷载计算公式可以看出，式中fD表示长度拖曳力，另外ρ 表示海水的密度，A 代表单位长度内构件垂直于海流方向的投影面积，CD代表拖拽力系数，最后UC表示海水的流速，根据相关标准测定，海水流速的取值为1.31m/s，并且不会随着海流高度发生改变。

4 静力计算

在针对海上风电机组的静力计算过程中，主要利用有限元软件来实现，通过对当前的静力荷载情况在进行导管架基础的建模过程中，还可以通过shell63 单元的模拟软件对筒式连接结构进行模拟，并且还可以通过pipe59 的单元模拟泥面对导管架基础进行模型构建，在导管架基础模型的泥面构建中，也可以采用pipe16 单元来实现。在建立导管架的基础模型中，XOY 平面的减员必须处在整合示意图的核心位置，同时确保Z 轴上远点位置为海水静力面的高度，使之垂直上上，同时弹性模量也维持在2.1×105MPa 之间，而且泊松比也维持在1.3 左右，通过等效桩法来分析桩和土之间的作用效果。针对导管架基础设计中，按照桩的六倍来考虑淘深度侧，保持泥面处于固定位置。

4.1 计算模型

针对海上风电机组和导管架的筒式连接结构的模型来看，其结构有限元模型其中包括373 和795 个单元，并且节点也包含了370 和273 个，为了有效地做好筒式连接结构在荷载性能上的传递水平，进行海上风电机组和导管架的筒式连接情况来看，积极采用控制变量的手段，结合下部导管架的底座不发生任何变动，只对上半部的筒式连接结构进行修改，从而去除相应的立柱与连贯腹板，加强水平支撑杆，并且将同他的底座和导管基础有效连接，构成周边支撑，对结构有限元进行模拟。

4.2 应力计算

在针对海上风电机组和导管架的筒式连接结构的上部应力计算时，首先要根据荷载形式与海上风电机组和导管架的筒式连接结构特点进行分数，对不同角度的入射方向以及海流风速联合影响下产生的结构强度影响进行校核，同时按照相关标准进行计算，获取Q345 型钢材料的标准应力为207MPa，同时海上风电机组和导管架的筒式连接结构所产生的不同方向最大应力如表3 所示。

表3 筒式连接结构最大应力

通过表3 的风电机组和导管架的筒式连接结构不同方向的入射应力进行分析，明确Q345 型钢材的产生的应力均小于标准应力的207MPa，因此满足实际应用需求。结合导管架基础和筒式连接结构的最大应力值对比值可以看出，当入射方向处于横坐标上时，那么内部应力的比例就为纵坐标，于是可以根据这一变化规律绘制折线图。通过折线图可以发现海上风电机组和导管架基础的筒式连接的最大应力比均在常数值为一左右浮动，这就能够证实了海上风电机组和导管架的筒式连接结构既可以使总负荷合理地由上往下输送，同时也和导管架平均负担了一定的总负荷，从而对合理地实现海上风电机组和导管架基础的筒式连接结构起到了保障作用。但相对于连接结果的最大应力和导管架的应力比重而言，它均大于筒式构件，这也就说明了负载主要是由上部分构件所承受，而并不能直接把负荷传导到下部分，而且搁在内部承受机制上并不连贯，很容易出现上不连接结构出现局部应力增大而产生损坏等问题。

4.3 最大沉降量和倾斜率

针对风电机组的地基基础设计环节中，根据相关资料对风电机组荷载的特征进行分析，同时计算风电机组的最大沉降量以及倾斜率限制。通过计算结果可以看出，其相关数值均处于许可范围内，满足相关规范要求。而海上风电机组和导管架的筒式连接结构的设计也能够小于对比结构，这也表示风电机的基础结构设计中必须要充分考虑倾斜率和最大沉降量这两项标准，在开展海上风电机组和导管架的筒式连接结构设计中，也可以有效体现出具体的结构优势。

5 结束语

综上所述，通过海上风电机组和导管架的筒式连接结构的链接，还可以实现荷载的有效传递，并且起到良好的支撑作用，有效分担导管架的荷载力。相比于其他结构来说，海上风电机组和导管架的筒式连接结构设计在多个层面都展现出良好的优越性能，并且可以满足实际应用需求，表现出良好的海上发电工程应用意义。