近海风机塔架风浪荷载及其响应分析_陈为飞

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[收稿日期]　2009-12-08

[作者简介]　张广成(1979-),男,河北人,工程师,现从事建筑

结构设计工作。

(编辑　王亚清)

近海风机塔架风浪荷载及其响应分析

陈为飞,　陈水福

(浙江大学建筑工程学院结构工程研究所,　杭州　310058)

【摘　要】　研究风暴潮环境下近海风机塔架所承受的风、浪、海流动力荷载的数值模拟与计算,探讨在这些

动力荷载作用下风机塔架的位移及基底内力响应的变化规律。联合运用了快速傅立叶变换(FFT )方法和谐波叠加法进行脉动风的模拟,再由M oris on 方程计算浪和流荷载。算例分析表明,在风暴潮环境下,风机塔架的塔底水平力与倾覆力矩较大,通过调整角度降低叶片的迎风面积,可在一定程度上减小叶片上的风荷载,降低塔底最大主应力;在风荷载和浪流荷载的作用中,塔底弯矩主要由前者引起,而后者对塔底水平力的贡献较大。

【关键词】　风机;风荷载;波浪荷载;风暴潮;动力响应

【中图分类号】　T U31113 【文献标识码】　B 【文章编号】　1001-6864(2010)03-0044-03

[基金项目]　国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA05Z 427)

我国近海风能资源十分丰富,据测算其储量约达

715亿kW [1],为陆上储量的3倍。近海风力发电具有风力持久稳定、风能产量更高、受环境影响小等特点,已成为我国风电发展的新趋势。目前我国已建成上海东海大桥海上风电场一期工程,正在或即将建设的项目还有很多[2]。

尽管近海风电场具有诸多优势,但是与陆上风电场相比,近海风电场所受的极端环境荷载更加恶劣和复杂,其中最为典型的极端荷载就是风暴潮荷载。当风暴潮恰与天文大潮相遇时,其破坏力将更大。因此,研究风暴潮等极端环境下近海风机承重构架的风、浪、潮流荷载及其响应,对保障风电机组的结构安全具有十分重大和现实的意义。1　荷载计算

风暴潮环境下作用在近海风机塔架上的荷载主要有风荷载、浪荷载和潮流荷载。首先运用风速谱及相关的模拟方法进行脉动风风速时程的模拟,然后根据流体力学方法,计算作用于风机塔架上的风荷载时程;而波浪力的计算则采用波浪模拟法并结合M orison 方程实现。1.1　风荷载的计算

在风的顺风向时程曲线中,风速包括平均风和脉

动风两部分。假设来流风中的脉动部分符合沿高度变化的S im iu 谱[6]:

S v (z ,n )=200f 3v 23

n (1+50f 3)

5Π3

(1)

式中,f 3=nz Π v (z ),n 为脉动风频率(H z );z 为相对地面的高度; v (z )为z 高度处的平均风速;v 3为风

的流动剪切速度,v 23=K v 210,K 值取01002

[7]

。本文联合运用快速傅立叶变换(FFT )方法和谐波叠加法进行脉动风的模拟,获得脉动风时程的样本曲线。设ωn 和ωk 为截取频率的上限和下限,N 为正整数,设为充分大,则考虑一组m 处不同高度的风速时程v j (t )(j =1,2,…,m ),可用下式表示[8]:

v j (p Δt )=

2ΔωR e G j (p Δt )exp i

p

πM

(2)

式中,R e 为复数取实部函数,Δω=(ωn -ωk )Π

N ,M =2πΠ(Δt Δ

ω)为整数;p =1,2,…,M -1;j =1,2,…,m ;G j (p Δt )可用FFT 方法求得,参见文献[9]。得到总风速的时程曲线之后,可用下式计算作用

于风机塔架上的风荷载时程曲线:

F (z ,t )=

12

ρC d v 2(z ,t )A (3)

式中,ρ为空气密度,取值为11225kg Πm 3;A 为有

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4低　温　建　筑　技　术2010年第3期(总第141期)

效迎风面积;C d 为阻力系数。文中塔筒的阻力系数取

112,叶片的绕流阻力系数取012[9]。1.2　浪荷载及潮流荷载的计算

本文基于线性波浪模拟法及M orison 方程,采用速度矢量叠加法得到作用在风机塔架z 高度处单位长度上的总波流力计算式[10]:

f =G M ρπD 2

49(u +v c )9t +C D ρD 2

?(u +v c )|u +v c |(4)式中,D 为塔架直径;C D 为速度力系数;C M 为惯性力系数;u 为波浪水质点的速度,假设其符合PM (Pierson -M oscow itz )谱,则可由线性波浪模拟法[11]模拟得到;v c 为流的速度,由挪威DNV 标准[13]计算。

2　动力响应计算

在风、浪、流动力荷载作用下,n 个自由度体系的:

M y ¨+C y ?

+K y =F wind (t )+F wave (t )+F current (t )

(5)

式中,M 、C 、K 分别为n ×n 阶的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵,F wind (t )、F wave (t )、F current (t )为作用于各个加载节点上的风、浪、流荷载时程。该方程采用Newmark 法[14]求解。

假设结构阻尼符合Rayleigh 阻尼[12],则阻尼矩阵C 可按下式计算:

C =αΜ+βK (6)

式中,α、

β分别为质量参数和刚度参数,可由结构自振频率和阻尼比确定。3　算例分析

某兆瓦(MW )级风力发电机,叶片长度为35m ,轮毂在海平面上的高度为60m ,塔架底部和顶部直径各为412m 和312m ,塔架没入水中15m ,水深为20m 。材料弹性模量为211×1011N Πm 2,泊松比013,密度为7850kg Πm 3,屈服强度为205MPa ,选取轮毂高度处50年一遇的风速作为参考风速。本文对以下两个工况的风、浪、流荷载及塔架响应进行分析:

工况1:参考风速为50m Πs ,有效波高6m ,水流流速参照DNV 规范,最大潮高5m 。

工况2:0414号台风云娜[14],登陆点以北的海门站,测得最大潮高为7142m ,水流流速参照DNV 规范,参考风速为5817m Πs ,有效波高取6m 。

本文采用梁单元模型,塔体每隔3m 、叶片每隔5m 划分为一个单元,计算简图如图1所示。叶片上的风荷载及塔架上的风、浪、流荷载时程分别采用M atlab 软件编程,并将计算结果导入Ansys1110有限元软件的所建模型中计算其响应。图2给出了工况1、2有效波高为6m 时的波面高程,模拟时间为128s ,时间间隔01125s

。

图3给出了风机塔架顶部位移响应及时程曲线。由图2可见,工况1、2的最大位移值分别为011055m 和011225m ,根据高耸结构设计规范,其水平位移限值为H Π75,两工况均满足要求。

图4和图5分别给出了两种工况下塔底水平力和塔底弯矩的时程曲线,表1则给出了三个工况下塔底的最大内力及最大应力。由表1可见,在风、浪、流荷载联合作用下,工况1、2的塔底最大主应力分别为17919、19516MPa ,均小于材料屈服强度205MPa ,塔架强度符合要求。工况2弯矩较大,其最大主应力接近于屈服强度,对塔底较为不利。

针对工况2塔底内力和应力较大的情况,通过将

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4陈为飞等:近海风机塔架风浪荷载及其响应分析

风机叶片设计成角度可调(停机状态下),以降低叶片

的迎风面积。在本例中,假设通过调角使得叶片迎风面积达到最小,这样可求得塔底最大水平力为121213kN ,塔底最大弯矩为56207kN ?m ,最大主应力为15913MPa 。此时最大主应力减小了18160%。

　表1　

两工况下塔底最大内力及应力

名称工况

最大水平力ΠkN

最大弯矩ΠkN ?m

最大弯曲应力ΠMPa

最大剪应力ΠMPa

最大主应力ΠMPa

1144018634451791581455179192

132119

69032

19513

71758

1951

6

工况1作用下,引起塔底水平力的两种因素中,风荷载的贡献比为53160%,浪流荷载为46140%;引起塔底弯矩的风荷载及浪流荷载的贡献比分别为

87139%、12161%;对于工况2,引起塔底水平力和塔底

弯矩的风荷载贡献比各为65112%、89158%。由此可见,浪流荷载对塔底水平力的贡献不容忽略,尤其当风速较小时;而塔底弯矩主要由风荷载引起,浪流荷载的贡献较小。

4　结语

(1)　在风暴潮环境下,风机塔架结构将产生较大

的加速度和巨大的塔底水平力与倾覆力矩,导致塔底剪应力、弯曲应力以及合成后的主应力处于较高状态。以工况2云娜台风暴潮为例,主塔塔底最大主应力达19516MPa ,接近Q235钢材的屈服应力。

(2)　在强风条件下,将风机叶片设计成角度可调(停机状态下),以降低叶片的迎风面积,可在一定程度

上减小叶片上的风荷载,降低塔底的最大主应力。对于工况2,如将叶片迎风面积调至最小的角度,能使塔底最大主应力减小18160%。

(3)　浪流荷载对塔底水平力的贡献较大,尤其当

风速较小时(如工况1浪流荷载占46140%);而塔底弯矩主要由风荷载引起(如工况2中风荷载占89158%),浪流荷载的贡献较小。

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[作者简介]　陈为飞(1985-),女,浙江杭州人,硕士研究生,从

事近海风机关键技术研究。

(编辑　王亚清)

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4低　温　建　筑　技　术2010年第3期(总第141期)