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        三樁基礎海上風機結構的比較分析

        2019-01-20 02:41:59李益凡威
        中國新技術新產品 2019年21期
        關鍵詞:塔筒有限元模型葉片

        李益 凡威

        摘? 要:該文研究三樁基礎海上風機的各部分結構分別對整體發(fā)電結構自振特性的影響。用有限元軟件ANSYS分別建立了三樁基礎海上風機的5種有限元模型,分別從自下而上和自上而下2個方向分析了海上風機的基礎、塔筒、葉片分別對整體發(fā)電結構自振特性的影響。結果表明葉片對整體發(fā)電結構自振特性的影響最大,塔筒的影響比較大,基礎的影響最小。

        關鍵詞:三樁基礎;塔筒;葉片;有限元模型;自振特性

        中圖分類號:TK83? ? ? 文獻標志碼:A

        0 引言

        三樁基礎的海上風力發(fā)電整體結構是一個比較復雜的系統(tǒng),主要由2個部分組成,分別是下部的支撐結構系統(tǒng)和上部的發(fā)電機組系統(tǒng)。支撐結構包括塔筒和三樁基礎,發(fā)電機組系統(tǒng)由機艙、輪轂和葉片等組成。該文將三樁基礎的海上風力發(fā)電整體結構簡化為基礎、塔筒和葉片3個結構,然后分別研究基礎、塔筒、葉片對海上風機整體發(fā)電結構自振特性的影響。

        1 有限元模型

        該文從自下而上和自上而下2個方向建立了有限元模型,分別為自下而上——基礎模型、基礎+塔筒模型和基礎+塔筒+葉片整體模型。自上而下——葉片模型、葉片+塔筒模型和基礎+塔筒+葉片整體模型。

        1.1 基礎模型

        該文研究的海上風力發(fā)電結構的基礎形式為三樁門架式,主要由3個部分組成。三樁基礎、支撐平臺和導管架。三樁基礎結構大部分埋入海床的土體之中,三樁基礎海床面以上與海水相接觸的部分采用管單元Pipe 59來模擬。海床面以下與土相互作用的部分采用管單元Pipe16來模擬??紤]三樁基礎與土體的相互作用,在三樁基礎底部進行固定約束。支撐平臺由3根變矩形截面梁組成,采用梁單元Beam l88來模擬。導管架用管單元Pipe16來模擬。海上風機的其他結構如塔筒、機艙、輪轂和葉片由質量單元Mass 21來模擬,簡化為一個質量點,附加到支撐平臺的上部。

        1.2 基礎+塔筒模型

        塔筒形狀為變截面圓錐筒型,由3節(jié)塔段組成,塔筒厚度呈非線性變化。建立有限元模型時,忽略法蘭連接的影響,假定塔筒是連續(xù)的變截面梁結構。塔筒用梁單元Beaml88來模擬,三樁基礎底部進行固定約束。用質量單元Mass21來模擬機艙、輪轂和葉片,簡化為一個質量點,附加到塔筒的頂端。

        1.3 葉片模型

        將風機葉片簡化為中空的變矩形截面懸臂梁,采用梁單元Beam188模擬。將葉片賦予正交各向異性材料屬性,在塔筒和機艙的連接處將結構固定約束。

        1.4 葉片+塔筒模型

        在葉片模型的基礎上,用梁單元Beaml88模擬了塔筒,建立葉片+塔筒的模型,將塔筒底部固定約束。

        1.5 整體模型

        如上所述,建立海上風力發(fā)電結構的整體有限元模型——基礎+塔筒+葉片模型。

        2 計算結果

        運用有限元軟件ANSYS的模態(tài)分析功能,對5種模型分別進行自振特性分析,該文選取結構的前五階自振頻率和固有振型進行比較分析,結果如下。

        基礎模型的前五階自振頻率和固有振型分別為:一階:1.402 Hz,三樁基礎沿y方向振動,支撐平臺隨著振動,振幅較大。二階:1.402 Hz,三樁基礎沿x方向振動,支撐平臺隨著振動,振幅較大。三階:4.096 Hz,三樁基礎繞z軸扭轉,支撐平臺隨著扭轉,振幅較大。四階:7.746 Hz,三樁基礎沿徑向彎曲,支撐平臺隨著沿z方向振動,振幅較大。五階:10.562 Hz,三樁基礎沿切向彎曲,振幅較大。

        基礎+塔筒模型的前五階自振頻率和固有振型分別為:一階:0.341 Hz,主要是塔筒沿y方向振動,三樁基礎振動很小。二階:0.341 Hz,塔筒沿x方向振動,三樁基礎振動很小。三階:1.777 Hz,三樁基礎沿y方向振動, 塔筒隨著沿y方向彎曲。四階:1.777 Hz,三樁基礎沿x方向振動, 塔筒隨著沿x方向彎曲。五階:3.524 Hz,三樁基礎沿x方向振動, 塔筒沿x方向彎曲較大。

        葉片模型的前五階自振頻率和固有振型分別為:一階:0.459 Hz,3葉片同時振動,振動幅度相同,振幅較大。二階:0.459 Hz,3葉片同時振動,振動幅度相同,振幅較小。三階:0.46 Hz,3葉片同時振動,振動幅度不同。四階:0.982 Hz,3葉片繞輪轂同步地旋轉振動,振動幅度相同,振幅較大。五階:1.01 Hz,3葉片各自繞輪轂旋轉振動,右上振動最大,振動幅度不同。

        葉片+塔筒模型的前五階自振頻率和固有振型分別為:一階:0.298 Hz,塔筒和葉片沿y方向振動,塔筒振動較小,振幅較小,葉片振動明顯,振幅較大。二階:0.308 Hz,塔筒和葉片沿x方向振動,塔筒振動較小,振幅較小,葉片振動明顯,振幅較大。三階:0.403 Hz,主要是葉片振動,振幅較大,塔筒振動很小。四階:0.445 Hz,主要是葉片振動,各葉片振幅不同,塔筒振動很小。五階:0.550 Hz,主要是葉片振動,各葉片振幅不同,塔筒振動很小。

        基礎+塔筒+葉片整體模型的前五階自振頻率和固有振型分別為:一階:0.283 Hz,風機整體結構沿y方向振動,葉片振幅最大,塔筒振幅較大,三樁基礎振幅較小。二階:0.290 Hz,風機整體結構沿x方向振動,葉片振幅最大,塔筒振幅較大,三樁基礎振幅較小。三階:0.398 Hz,主要是葉片振動,振幅較大,塔筒和三樁基礎振動很小。四階:0.443 Hz,主要是葉片振動,各葉片振幅不同,塔筒和三樁基礎振動很小。五階:0.539 Hz,主要是葉片振動,各葉片振幅不同,塔筒和三樁基礎振動很小。

        3 結果分析

        對計算結果進行分析。1)對比基礎模型和基礎+塔筒+葉片整體模型,整體模型的前五階自振頻率降低了90%左右。塔筒和葉片的增加,大大降低了整體結構的自振頻率,表明塔筒和葉片是非常重要的結構,對海上風力發(fā)電整體結構的自振特性影響很大。2) 對比基礎+塔筒模型和基礎+塔筒+葉片整體模型,整體模型的前二階自振頻率降低了15%左右,第三、四、五階自振頻率降低80%左右。整體模型的前二階振型和基礎+塔筒模型相似,都主要表現為塔筒的振動,第三階到第五階振型主要是葉片的振動。用實際的葉片結構代替質量單元來模擬,降低了整個結構的自振頻率,且降幅很大,表明葉片對海上風力發(fā)電整體結構的自振頻率有很大的影響。3)與葉片模型相比較,整體模型的前五階自振頻率降低了40%左右,前五階振型相似,主要是葉片的振動。塔筒和基礎的增加降低了風機整體結構的自振頻率,降低的幅值較大,表明塔筒和基礎對整體結構的自振頻率有一定的影響,但是對整體結構的振型影響很小。4)整體模型與葉片+塔筒模型相比較,整體模型的前五階自振頻率降低了5%左右,前五階振型相同,都主要表現為塔筒和葉片的振動?;A的增加,雖然降低了整個結構的自振頻率,但總體降低的幅度很小,表明基礎對海上風力發(fā)電整體結構的自振特性的自振特性影響非常小。

        4 結論

        由以上計算結果可以看出葉片和塔筒對海上風力發(fā)電整體結構的自振頻率的影響很大,其中葉片的影響最大,塔筒的影響比較大,基礎對整個結構自振頻率的影響非常小。

        參考文獻

        [1]李武.近海風力發(fā)電機樁基礎的動力學分析[J].水利水運工程學報,2011(3):87-91.

        [2]李益,張宏戰(zhàn),馬震岳.三樁基礎海上風力發(fā)電結構的模態(tài)分析[J]. 水力發(fā)電,2012,38(8):77-79.

        [3]Murtagh P.J,Collins R,Basu B.Dynamic response and vibration control of wind turbine towers[J].Irish Engineers Journal,2004,58(7):1-7.

        [4]邢作霞,陳雷,姚興佳.海上風力發(fā)電機組基礎的選擇[J].能源工程,2005(6):34-37.

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