陳大江,汪子晗,沈佳軼,胡忠平,鄭 川

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122; 2.浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 311122; 3.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021)

0 引 言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，受到了世界各國的青睞[1-6]。近年來，海上風(fēng)電項目發(fā)展迅速，我國對海上風(fēng)電的投入和重視程度也在與日俱增。在2021年，中國海上風(fēng)電裝機規(guī)模已居世界首位。在海上風(fēng)電工程中，海上風(fēng)機的受力狀態(tài)復(fù)雜多變，環(huán)境載荷影響顯著。眾多學(xué)者[7-10]對風(fēng)載荷作用下的風(fēng)機受力特性開展研究。金大偉[7]基于GH Bladed軟件分析海上風(fēng)機的受力特性，指出風(fēng)機塔架所受剪力隨著風(fēng)速先增大后減小，并計算在極端載荷條件下風(fēng)機結(jié)構(gòu)連接處的受力大小。解玉平[8]基于Ansys軟件構(gòu)建2 MW風(fēng)電機組模型，并采用GH Bladed軟件研究正常運行、停機等不同運行模式下風(fēng)機塔架的受力特征。馬林靜等[9]采用GH Bladed軟件開展風(fēng)機極限載荷和疲勞載荷的數(shù)值模擬計算，并對比分析數(shù)值模擬結(jié)果與2種不同規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所得結(jié)果的差異性。目前，多數(shù)學(xué)者采用GH Bladed軟件對風(fēng)載荷條件下的風(fēng)機受力特性開展大量研究，但尚未考慮波浪載荷、地震載荷等極端載荷的組合作用。因此，研究組合載荷作用下的海上風(fēng)機塔架受力特性在海上風(fēng)電工程中具有重要意義。

基于江蘇啟東海域6 MW海上風(fēng)機資料，采用國際風(fēng)電機組設(shè)計軟件GH Bladed開展組合載荷作用下海上風(fēng)機塔架的受力特性數(shù)值模擬，研究風(fēng)載荷+波浪載荷、風(fēng)載荷+地震載荷組合作用下海上風(fēng)機塔架受力特性的演化規(guī)律，研究成果可為江蘇啟東海域海上風(fēng)機設(shè)計及施工提供理論支撐。

1 海上風(fēng)電項目資料

某海上風(fēng)電項目位于江蘇啟東近海海域(見圖1)，工程場址離岸距離約32 km，場區(qū)海底地形平緩，水深范圍為6～13 m。場區(qū)形狀為矩形，南北長約8 km，東西寬約5 km，規(guī)劃海域面積為40 km2。

圖1 海上風(fēng)電場區(qū)示例

江蘇海域近海風(fēng)速分布差異較小，連云港年平均風(fēng)速為4.2 m/s，濱海年平均風(fēng)速為4.7 m/s，呂四港區(qū)年平均風(fēng)速為5.9 m/s。該海上風(fēng)電項目位于呂四港區(qū)東側(cè)，因此取年平均風(fēng)速為6.0 m/s。此外，啟東海域最大風(fēng)速為38.0 m/s，湍流強度Ircf=0.16?；谠摴こ糖捌谟^測資料，江蘇啟東海域百年一遇極限波浪參數(shù)如表1所示。

表1 極限波浪參數(shù)

該海上風(fēng)電場區(qū)位于華北地震區(qū)東南部長江下游-黃海地震帶上，該地震帶為中強地震活動帶，其西側(cè)為郯廬地震帶，南側(cè)與華南地震區(qū)的長江中游地震帶相接。場區(qū)Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度為Ⅵ度。

2 海上風(fēng)機數(shù)值模型

2.1 風(fēng)機參數(shù)

以某6 MW海上風(fēng)機為例開展數(shù)值模擬研究，風(fēng)電機組各部件技術(shù)參數(shù)如表2所示，風(fēng)機工作參數(shù)如表3所示。

表3 海上風(fēng)機工作參數(shù)

在GH Bladed中設(shè)置風(fēng)機葉片形狀需要截面(見表4)參數(shù)，表4中截面位置如圖2所示。風(fēng)機葉片參數(shù)如表5所示。

表4 海上風(fēng)機葉片尺寸定義

表5 海上風(fēng)機葉片形狀參數(shù)

注：R為葉片長度

為簡化數(shù)值計算，僅考慮風(fēng)機塔架的幾何形狀、質(zhì)量和剛度。風(fēng)機環(huán)境參數(shù)如表6所示。所建風(fēng)機塔架的數(shù)值模型如圖3所示。

表6 海上風(fēng)機環(huán)境參數(shù)

圖3 海上風(fēng)機模型

2.2 風(fēng)載荷定義

采用三維空間湍流風(fēng)，風(fēng)場范圍設(shè)置為300 m×300 m，風(fēng)剪切指數(shù)α=0.2，其余風(fēng)場參數(shù)如表7所示，表7中“點數(shù)”指網(wǎng)格點數(shù)量?；谌S湍流風(fēng)設(shè)定，得出風(fēng)速隨時間的變化如圖4所示。

表7 風(fēng)場參數(shù)

圖4 三維空間湍流風(fēng)速

3 組合載荷下海上風(fēng)機塔架受力特性

3.1 風(fēng)載荷作用

分別采用日本土木協(xié)會規(guī)范《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計指南及解說》[10]和GH Bladed軟件對風(fēng)載荷作用下塔架不同高度處的受力進(jìn)行計算。

計算結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 塔架不同高度處受力計算結(jié)果對比

由圖5可知，采用GH Bladed模擬計算得到的最大剪力和最大彎矩均大于按照《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計指南及解說》進(jìn)行的理論計算結(jié)果。

剪力的最大相對誤差為8.45%，出現(xiàn)在塔頂處。除塔頂截面h=96 m處彎矩的相對誤差為50.37%外，其他截面最大誤差為27.86%。誤差的主要來源是2種計算方法考慮的工況角度、湍流程度大小不同，屬于不可避免的誤差。塔頂截面處誤差較大的原因在于塔架的結(jié)構(gòu)，塔頂部形狀改變較大，受風(fēng)輪、機艙的影響比較大。GH Bladed采用三維湍流模型，而理論公式由于無法計算復(fù)雜的湍流，采用均勻風(fēng)速。考慮到實際海上風(fēng)電工程風(fēng)場為三維湍流狀態(tài)，GH Bladed的計算結(jié)果更可靠。

由圖5(a)GH Bladed的模擬曲線可知，塔架所受剪力并不呈線性下降趨勢，這主要是由GH Bladed軟件模擬過程中風(fēng)速的擾動造成的，對最終結(jié)果無影響，塔架不同高度截面處所受剪力大小的趨勢線與理論計算結(jié)果基本一致。圖5(b)顯示隨著塔架高度的增加，塔架受到的彎矩線性減小。

3.2 風(fēng)載荷+波浪載荷組合作用

GH Bladed提供2種波浪的選擇，一種是規(guī)則波，另一種是不規(guī)則波。規(guī)則波包括單一頻率的線性Airy波或者流函數(shù)波；不規(guī)則波可選擇標(biāo)準(zhǔn)的JONSWAP或Moskowitz波譜，或輸入用戶自定義波譜。本研究采用規(guī)則波中的線性Airy波模擬波浪載荷。所設(shè)置的極限波浪參數(shù)如表1所示。

考慮到塔架各截面受力特性的變化趨勢相同，因此選擇風(fēng)機塔架基礎(chǔ)底面截面為示例。模擬時間取50 s，設(shè)置2種工況：工況1為風(fēng)載荷；工況2為風(fēng)載荷+極端波浪載荷。所得2種工況下數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 波浪載荷下塔架底面所受剪力和彎矩

由圖6(a)可知，極端波浪載荷對風(fēng)機塔架基礎(chǔ)底面所受剪力的影響顯著，剪力波動性較強，50 s模擬時間內(nèi)的峰值剪力提升72.0%，均值剪力提升8.6%，工況2下的剪力標(biāo)準(zhǔn)差是工況1下標(biāo)準(zhǔn)差的258.0%。因此，考慮波浪載荷作用時，風(fēng)機基礎(chǔ)的強度及其抗疲勞強度均需相應(yīng)提高。此外，工況2下的剪力隨時間變化周期基本上為10 s，與極限波浪的設(shè)定周期一致，結(jié)果較合理。

由圖6(b)可知，極端波浪載荷對風(fēng)機塔架基礎(chǔ)底面所受彎矩的影響較小，彎矩波動不大，在50 s 模擬時間內(nèi)峰值彎矩提升8.3%，均值彎矩提升0.9%，2種工況的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大。與波浪載荷對基礎(chǔ)所受剪力的較大影響相比，基礎(chǔ)所受彎矩幾乎不受波浪載荷影響。這主要是由于波浪載荷一般只作用在水面附近的塔架上，而風(fēng)載荷作用在全部的塔架高度及風(fēng)輪葉片上，因此波浪載荷在風(fēng)機塔架上的有效作用長度短，從而對基礎(chǔ)底面彎矩的影響較小。

3.3 波高對基礎(chǔ)底面受力特性的影響

取極限波高h(yuǎn)=5、7、9、11、13、15和20 m，波周期均為10 s，開展風(fēng)機塔架受力特性數(shù)值模擬，所得基礎(chǔ)底面所受剪力和彎矩隨時間的變化關(guān)系如圖7所示。為了示意清晰，僅選取前6組極限波高進(jìn)行繪圖，圖7中曲線從低到高依次對應(yīng)波高為5、7、9、11、13、15 m。

圖7 波高對塔架底面受力特性的影響規(guī)律

以極限波高h(yuǎn)=5 m時基礎(chǔ)底面受力特性為基準(zhǔn)，所得基礎(chǔ)底面所受相對剪力和相對彎矩隨著相對波高的變化關(guān)系如圖8所示。圖8數(shù)據(jù)點對應(yīng)的“相對剪力”和“相對彎矩”是指最大值。

由圖8可知：當(dāng)相對波高為4時，相對剪力和相對彎矩分別為3.04和1.44，說明波浪載荷對基礎(chǔ)所受剪力的影響明顯大于對基礎(chǔ)所受彎矩的影響，這主要是因為波浪載荷的作用高度較低，在風(fēng)機塔架上的有效作用長度較短，對基礎(chǔ)底面所受彎矩的影響較小。此外，隨著相對波高的增大，相對彎矩和相對剪力均非線性增大，且增速逐漸加快，這主要是因為波高與波浪力之間也是非線性關(guān)系。

3.4 風(fēng)載荷+地震載荷組合作用

在GH Bladed軟件中，設(shè)置響應(yīng)譜阻尼系數(shù)為0.05，隨機數(shù)種子為35，地震持續(xù)的時間為20 s，地震時間步長為0.01 s。地震加速度方向默認(rèn)固定在地震的法向上。模擬時間取50 s，每0.1 s 記錄1次數(shù)據(jù)。設(shè)置2種工況：工況1為風(fēng)載荷；工況3為風(fēng)載荷+地震載荷。所得2種工況下數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示。

在實際中，地震作用的持續(xù)時間一般為10～20 s。由圖9可知，地震載荷對風(fēng)機塔架基礎(chǔ)底面的受力影響主要集中在0～15 s，15 s之后基礎(chǔ)的受力基本上由風(fēng)載荷提供。因此，為更準(zhǔn)確地研究地震載荷對基礎(chǔ)受力的影響，取前15 s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在地震模擬持續(xù)的15 s內(nèi)，地震載荷對風(fēng)機基礎(chǔ)底面所受剪力有顯著影響，峰值剪力提升76%，均值剪力提升3%，工況3下的剪力標(biāo)準(zhǔn)差是工況1下標(biāo)準(zhǔn)差的323%，說明在地震載荷作用下，基礎(chǔ)底面所受剪力波動較強。因此，在考慮地震載荷作用時，風(fēng)機基礎(chǔ)的強度及其抗疲勞強度均需相應(yīng)提高。而且，由于地震載荷作用具有持續(xù)時間短、影響極大的特點，風(fēng)機基礎(chǔ)需要具備抵抗瞬時高強度載荷的能力。

不同于極限波浪載荷，由圖8(b)可知，由于地震載荷具備瞬時高強度的特點，地震載荷對風(fēng)機基礎(chǔ)底面所受彎矩的影響仍然較大。在15 s模擬時間內(nèi)峰值彎矩提升21%，均值彎矩提升3%，工況3的彎矩標(biāo)準(zhǔn)差是工況1標(biāo)準(zhǔn)差的150%。

4 結(jié) 論

基于江蘇啟東海域6 MW海上風(fēng)機資料，采用GH Bladed軟件研究組合載荷作用下海上風(fēng)機塔架受力特性的演化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)與風(fēng)載荷作用相比，在風(fēng)載荷+波浪載荷組合作用下，風(fēng)機塔架基礎(chǔ)底面所受峰值剪力提升72.0%，均值剪力提升8.6%，峰值彎矩提升8.3%，均值彎矩提升0.9%。

(2)隨著相對波高的增大，基礎(chǔ)底面所受相對彎矩和相對剪力均非線性增大，且增速逐漸加快。當(dāng)相對波高為4時，基礎(chǔ)底面所受相對剪力和相對彎矩分別為3.04和1.44，說明波浪載荷對基礎(chǔ)所受剪力的影響更顯著。

(3)與風(fēng)載荷作用相比，在風(fēng)載荷+地震載荷組合作用下，風(fēng)機塔架基礎(chǔ)底面所受峰值剪力提升76%，均值剪力提升3%，峰值彎矩提升21%，均值彎矩提升3%。

所作研究揭示了復(fù)雜組合作用下海上風(fēng)機塔架受力特性的演化規(guī)律，研究成果可為江蘇啟東海域海上風(fēng)電工程6 MW單樁風(fēng)機設(shè)計及施工提供理論指導(dǎo)。