组合载荷下海上风机塔架受力特性数值分析

陈大江,汪子晗,沈佳轶,胡忠平,郑 川

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122; 2.浙江华东工程咨询有限公司,浙江 杭州 311122; 3.浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316021)

0 引 言

风能作为一种清洁的可再生能源，受到了世界各国的青睐[1-6]。近年来，海上风电项目发展迅速，我国对海上风电的投入和重视程度也在与日俱增。在2021年，中国海上风电装机规模已居世界首位。在海上风电工程中，海上风机的受力状态复杂多变，环境载荷影响显著。众多学者[7-10]对风载荷作用下的风机受力特性开展研究。金大伟[7]基于GH Bladed软件分析海上风机的受力特性，指出风机塔架所受剪力随着风速先增大后减小，并计算在极端载荷条件下风机结构连接处的受力大小。解玉平[8]基于Ansys软件构建2 MW风电机组模型，并采用GH Bladed软件研究正常运行、停机等不同运行模式下风机塔架的受力特征。马林静等[9]采用GH Bladed软件开展风机极限载荷和疲劳载荷的数值模拟计算，并对比分析数值模拟结果与2种不同规范标准所得结果的差异性。目前，多数学者采用GH Bladed软件对风载荷条件下的风机受力特性开展大量研究，但尚未考虑波浪载荷、地震载荷等极端载荷的组合作用。因此，研究组合载荷作用下的海上风机塔架受力特性在海上风电工程中具有重要意义。

基于江苏启东海域6 MW海上风机资料，采用国际风电机组设计软件GH Bladed开展组合载荷作用下海上风机塔架的受力特性数值模拟，研究风载荷+波浪载荷、风载荷+地震载荷组合作用下海上风机塔架受力特性的演化规律，研究成果可为江苏启东海域海上风机设计及施工提供理论支撑。

1 海上风电项目资料

某海上风电项目位于江苏启东近海海域(见图1)，工程场址离岸距离约32 km，场区海底地形平缓，水深范围为6～13 m。场区形状为矩形，南北长约8 km，东西宽约5 km，规划海域面积为40 km2。

图1 海上风电场区示例

江苏海域近海风速分布差异较小，连云港年平均风速为4.2 m/s，滨海年平均风速为4.7 m/s，吕四港区年平均风速为5.9 m/s。该海上风电项目位于吕四港区东侧，因此取年平均风速为6.0 m/s。此外，启东海域最大风速为38.0 m/s，湍流强度Ircf=0.16。基于该工程前期观测资料，江苏启东海域百年一遇极限波浪参数如表1所示。

表1 极限波浪参数

该海上风电场区位于华北地震区东南部长江下游-黄海地震带上，该地震带为中强地震活动带，其西侧为郯庐地震带，南侧与华南地震区的长江中游地震带相接。场区Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度为Ⅵ度。

2 海上风机数值模型

2.1 风机参数

以某6 MW海上风机为例开展数值模拟研究，风电机组各部件技术参数如表2所示，风机工作参数如表3所示。

表3 海上风机工作参数

在GH Bladed中设置风机叶片形状需要截面(见表4)参数，表4中截面位置如图2所示。风机叶片参数如表5所示。

表4 海上风机叶片尺寸定义

表5 海上风机叶片形状参数

注：R为叶片长度

为简化数值计算，仅考虑风机塔架的几何形状、质量和刚度。风机环境参数如表6所示。所建风机塔架的数值模型如图3所示。

表6 海上风机环境参数

图3 海上风机模型

2.2 风载荷定义

采用三维空间湍流风，风场范围设置为300 m×300 m，风剪切指数α=0.2，其余风场参数如表7所示，表7中“点数”指网格点数量。基于三维湍流风设定，得出风速随时间的变化如图4所示。

表7 风场参数

图4 三维空间湍流风速

3 组合载荷下海上风机塔架受力特性

3.1 风载荷作用

分别采用日本土木协会规范《风力发电设备塔架结构设计指南及解说》[10]和GH Bladed软件对风载荷作用下塔架不同高度处的受力进行计算。

计算结果对比如图5所示。

图5 塔架不同高度处受力计算结果对比

由图5可知，采用GH Bladed模拟计算得到的最大剪力和最大弯矩均大于按照《风力发电设备塔架结构设计指南及解说》进行的理论计算结果。

剪力的最大相对误差为8.45%，出现在塔顶处。除塔顶截面h=96 m处弯矩的相对误差为50.37%外，其他截面最大误差为27.86%。误差的主要来源是2种计算方法考虑的工况角度、湍流程度大小不同，属于不可避免的误差。塔顶截面处误差较大的原因在于塔架的结构，塔顶部形状改变较大，受风轮、机舱的影响比较大。GH Bladed采用三维湍流模型，而理论公式由于无法计算复杂的湍流，采用均匀风速。考虑到实际海上风电工程风场为三维湍流状态，GH Bladed的计算结果更可靠。

由图5(a)GH Bladed的模拟曲线可知，塔架所受剪力并不呈线性下降趋势，这主要是由GH Bladed软件模拟过程中风速的扰动造成的，对最终结果无影响，塔架不同高度截面处所受剪力大小的趋势线与理论计算结果基本一致。图5(b)显示随着塔架高度的增加，塔架受到的弯矩线性减小。

3.2 风载荷+波浪载荷组合作用

GH Bladed提供2种波浪的选择，一种是规则波，另一种是不规则波。规则波包括单一频率的线性Airy波或者流函数波；不规则波可选择标准的JONSWAP或Moskowitz波谱，或输入用户自定义波谱。本研究采用规则波中的线性Airy波模拟波浪载荷。所设置的极限波浪参数如表1所示。

考虑到塔架各截面受力特性的变化趋势相同，因此选择风机塔架基础底面截面为示例。模拟时间取50 s，设置2种工况：工况1为风载荷；工况2为风载荷+极端波浪载荷。所得2种工况下数值模拟结果如图6所示。

图6 波浪载荷下塔架底面所受剪力和弯矩

由图6(a)可知，极端波浪载荷对风机塔架基础底面所受剪力的影响显著，剪力波动性较强，50 s模拟时间内的峰值剪力提升72.0%，均值剪力提升8.6%，工况2下的剪力标准差是工况1下标准差的258.0%。因此，考虑波浪载荷作用时，风机基础的强度及其抗疲劳强度均需相应提高。此外，工况2下的剪力随时间变化周期基本上为10 s，与极限波浪的设定周期一致，结果较合理。

由图6(b)可知，极端波浪载荷对风机塔架基础底面所受弯矩的影响较小，弯矩波动不大，在50 s 模拟时间内峰值弯矩提升8.3%，均值弯矩提升0.9%，2种工况的标准差相差不大。与波浪载荷对基础所受剪力的较大影响相比，基础所受弯矩几乎不受波浪载荷影响。这主要是由于波浪载荷一般只作用在水面附近的塔架上，而风载荷作用在全部的塔架高度及风轮叶片上，因此波浪载荷在风机塔架上的有效作用长度短，从而对基础底面弯矩的影响较小。

3.3 波高对基础底面受力特性的影响

取极限波高h=5、7、9、11、13、15和20 m，波周期均为10 s，开展风机塔架受力特性数值模拟，所得基础底面所受剪力和弯矩随时间的变化关系如图7所示。为了示意清晰，仅选取前6组极限波高进行绘图，图7中曲线从低到高依次对应波高为5、7、9、11、13、15 m。

图7 波高对塔架底面受力特性的影响规律

以极限波高h=5 m时基础底面受力特性为基准，所得基础底面所受相对剪力和相对弯矩随着相对波高的变化关系如图8所示。图8数据点对应的“相对剪力”和“相对弯矩”是指最大值。

由图8可知：当相对波高为4时，相对剪力和相对弯矩分别为3.04和1.44，说明波浪载荷对基础所受剪力的影响明显大于对基础所受弯矩的影响，这主要是因为波浪载荷的作用高度较低，在风机塔架上的有效作用长度较短，对基础底面所受弯矩的影响较小。此外，随着相对波高的增大，相对弯矩和相对剪力均非线性增大，且增速逐渐加快，这主要是因为波高与波浪力之间也是非线性关系。

3.4 风载荷+地震载荷组合作用

在GH Bladed软件中，设置响应谱阻尼系数为0.05，随机数种子为35，地震持续的时间为20 s，地震时间步长为0.01 s。地震加速度方向默认固定在地震的法向上。模拟时间取50 s，每0.1 s 记录1次数据。设置2种工况：工况1为风载荷；工况3为风载荷+地震载荷。所得2种工况下数值模拟结果如图9所示。

在实际中，地震作用的持续时间一般为10～20 s。由图9可知，地震载荷对风机塔架基础底面的受力影响主要集中在0～15 s，15 s之后基础的受力基本上由风载荷提供。因此，为更准确地研究地震载荷对基础受力的影响，取前15 s数据进行分析。在地震模拟持续的15 s内，地震载荷对风机基础底面所受剪力有显著影响，峰值剪力提升76%，均值剪力提升3%，工况3下的剪力标准差是工况1下标准差的323%，说明在地震载荷作用下，基础底面所受剪力波动较强。因此，在考虑地震载荷作用时，风机基础的强度及其抗疲劳强度均需相应提高。而且，由于地震载荷作用具有持续时间短、影响极大的特点，风机基础需要具备抵抗瞬时高强度载荷的能力。

不同于极限波浪载荷，由图8(b)可知，由于地震载荷具备瞬时高强度的特点，地震载荷对风机基础底面所受弯矩的影响仍然较大。在15 s模拟时间内峰值弯矩提升21%，均值弯矩提升3%，工况3的弯矩标准差是工况1标准差的150%。

4 结 论

基于江苏启东海域6 MW海上风机资料，采用GH Bladed软件研究组合载荷作用下海上风机塔架受力特性的演化规律，主要结论如下：

(1)与风载荷作用相比，在风载荷+波浪载荷组合作用下，风机塔架基础底面所受峰值剪力提升72.0%，均值剪力提升8.6%，峰值弯矩提升8.3%，均值弯矩提升0.9%。

(2)随着相对波高的增大，基础底面所受相对弯矩和相对剪力均非线性增大，且增速逐渐加快。当相对波高为4时，基础底面所受相对剪力和相对弯矩分别为3.04和1.44，说明波浪载荷对基础所受剪力的影响更显著。

(3)与风载荷作用相比，在风载荷+地震载荷组合作用下，风机塔架基础底面所受峰值剪力提升76%，均值剪力提升3%，峰值弯矩提升21%，均值弯矩提升3%。

所作研究揭示了复杂组合作用下海上风机塔架受力特性的演化规律，研究成果可为江苏启东海域海上风电工程6 MW单桩风机设计及施工提供理论指导。