基于有限元仿真的海上风机支撑结构动力学分析论文

 

　　关键词：海上风电导管架基础,模态分析,塔筒高度,水深

 

 

　　海上风电场环境条件恶劣，海上风机支撑结构不仅要承受极端海况的影响，而且要保证正常运行25 a以上。海上风机支撑结构固有频率不仅受到支撑结构的自身特性影响，如质量、刚度分布，也受到其他环境条件，如水深的影响，其一阶固有频率越靠近激振频率，整机的动力学响应越显著，动态放大效应越明显，即使没有发生共振，也会加剧结构的疲劳。Partovi-Mehr N等[1]研究了海上电导管架基础模态参数在运行环境条件下的变化和敏感性，创建了基于美国布洛克岛海上风电场(Block Island Wind Farm)的风机导管架基础有限元动力学模型，并在与实际测量数据进行对比验证，表明海上风机支撑结构在风机运行期间，监测到一阶固有频率增加约8%,具有7.5%的空气动力学阻尼，阐明了模态参数的准确估计对系统的设计载荷、寿命预测和动态响应有显著影响。Asnaashari E[2]等通过数值和实验方法研究海上风力发电机结构的动力学模态，建立了动力学有限元模型，并考虑机舱－转子组件的质量及其相对于塔顶中心的转动惯量，选择英格兰东北部海岸1.5 km处的Siemens SWT 2.3 MW海上风力发电机（单桩基础型式）进行案例研究，结果表明前两阶模态与现场模态测试实验识别的自然频率接近。多位学者建立了海上风机导管架及单桩模型，并开展相关的动力学研究[3-10],在模态识别，基于模态开展疲劳损伤检测等方面诸多学者做了研究[11-12],M Philippe等[13]建立了漂浮式疲劳分析模型，开展模态分析，在海上风电基础基于模态的疲劳分析，残余疲劳评估及基础优化方面，做了研究[14-16],诸多文献表明，采用有限元软件进行风机支撑结构动力学分析建模，可以较好地模拟结构整体动力学特性。

 

　　海上风电四桩导管架基础，整体刚度高于单桩基础，风机导管架支撑结构固有频率一般处于“软－刚”设计允许频率范围内[17-18],该区间又极为狭小，固有频率容易处于允许频率范围的上边界上，分析稍有偏差，容易偏离设计允许值，整体的固有频率易接近风机允许频率范围的上限（靠近3P),加之支撑结构动力学分析的边界条件（如地质）具有一定的不确定性，设计得到的频率和实际的现场测试频率易出现偏差，导致机组振动停机，砂土质和风化质的地层地基刚度大，又进一步提升了风机支撑结构固有频率在较高的水平，因此，非常有必要基于砂土和风化层地质条件，开展风机支撑结构动力学重要参数（如机舱惯性矩、塔筒高度、水深条件）对整体动力特性的分析研究工作。本文以典型的海上风电场先桩法四桩导管架基础为例，借助ANSYS有限元分析软件，开展海上支撑结构的动力学参数敏感性分析，以摸清关键影响因素，为后续项目提供参考和借鉴。

 

 

　　风机支撑结构第一阶固有频率是整体动力学分析的重要依据，为了避免在风机运行期间产生共振，需要避开风轮转动频率(1P)范围和叶片通过频率(3P,考虑3个叶片）范围，如图1所示。考虑海上风电支撑结构边界条件不确定因素较多，一般1P和3P范围要留有10%安全裕度。对于固定式风机支撑结构，波浪频率一般为低频（一般为0.1 Hz左右），风机支撑结构要尽可能地避开波浪频率，若波浪频率和结构频率重叠或接近，两者易发生共振响应，将会降低风机支撑结构的疲劳寿命。风机支撑结构固有频率所处的区间范围，共有3个：“柔性”设计范围、“柔性－刚性”设计范围、“刚性”设计范围。对于“柔性”设计，结构的第一阶固有频率要小于1P范围，结构刚度小，处于该区域，易和波浪频率产生共振，降低风机支撑结构疲劳寿命，因此，该区域结构抗疲劳是设计难点之一。对于“刚性”设计，结构的一阶固有频率要高于3P范围，结构刚度大，虽然可以避免共振，但是整体结构质量大，经济性相对较差。一般海上风机支撑结构固有频率位于1P和3P之间，也即“柔性－刚性”设计，结构不仅具有一定的经济性，而且避开了波频。避免和波浪产生共振，保证了结构的安全性。随着海上风电逐渐走向深海，大容量机组的研发，轮毂高度和风轮尺度越来越大，柔性－刚性区间也被大幅度压缩，这也给支撑结构的动力学设计带来了新的挑战。