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      三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的比較分析

      2019-01-20 02:41李益凡威
      關(guān)鍵詞:有限元模型塔筒葉片

      李益 凡威

      摘? 要:該文研究三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)分別對(duì)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)自振特性的影響。用有限元軟件ANSYS分別建立了三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)機(jī)的5種有限元模型,分別從自下而上和自上而下2個(gè)方向分析了海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)、塔筒、葉片分別對(duì)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)自振特性的影響。結(jié)果表明葉片對(duì)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)自振特性的影響最大,塔筒的影響比較大,基礎(chǔ)的影響最小。

      關(guān)鍵詞:三樁基礎(chǔ);塔筒;葉片;有限元模型;自振特性

      中圖分類(lèi)號(hào):TK83? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      0 引言

      三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng),主要由2個(gè)部分組成,分別是下部的支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和上部的發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)。支撐結(jié)構(gòu)包括塔筒和三樁基礎(chǔ),發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)由機(jī)艙、輪轂和葉片等組成。該文將三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)、塔筒和葉片3個(gè)結(jié)構(gòu),然后分別研究基礎(chǔ)、塔筒、葉片對(duì)海上風(fēng)機(jī)整體發(fā)電結(jié)構(gòu)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(gè)方向建立了有限元模型,分別為自下而上——基礎(chǔ)模型、基礎(chǔ)+塔筒模型和基礎(chǔ)+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(chǔ)+塔筒+葉片整體模型。

      1.1 基礎(chǔ)模型

      該文研究的海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式為三樁門(mén)架式,主要由3個(gè)部分組成。三樁基礎(chǔ)、支撐平臺(tái)和導(dǎo)管架。三樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大部分埋入海床的土體之中,三樁基礎(chǔ)海床面以上與海水相接觸的部分采用管單元Pipe 59來(lái)模擬。海床面以下與土相互作用的部分采用管單元Pipe16來(lái)模擬。考慮三樁基礎(chǔ)與土體的相互作用,在三樁基礎(chǔ)底部進(jìn)行固定約束。支撐平臺(tái)由3根變矩形截面梁組成,采用梁?jiǎn)卧狟eam l88來(lái)模擬。導(dǎo)管架用管單元Pipe16來(lái)模擬。海上風(fēng)機(jī)的其他結(jié)構(gòu)如塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片由質(zhì)量單元Mass 21來(lái)模擬,簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn),附加到支撐平臺(tái)的上部。

      1.2 基礎(chǔ)+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(shí),忽略法蘭連接的影響,假定塔筒是連續(xù)的變截面梁結(jié)構(gòu)。塔筒用梁?jiǎn)卧狟eaml88來(lái)模擬,三樁基礎(chǔ)底部進(jìn)行固定約束。用質(zhì)量單元Mass21來(lái)模擬機(jī)艙、輪轂和葉片,簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn),附加到塔筒的頂端。

      1.3 葉片模型

      將風(fēng)機(jī)葉片簡(jiǎn)化為中空的變矩形截面懸臂梁,采用梁?jiǎn)卧狟eam188模擬。將葉片賦予正交各向異性材料屬性,在塔筒和機(jī)艙的連接處將結(jié)構(gòu)固定約束。

      1.4 葉片+塔筒模型

      在葉片模型的基礎(chǔ)上,用梁?jiǎn)卧狟eaml88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(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)的整體有限元模型——基礎(chǔ)+塔筒+葉片模型。

      2 計(jì)算結(jié)果

      運(yùn)用有限元軟件ANSYS的模態(tài)分析功能,對(duì)5種模型分別進(jìn)行自振特性分析,該文選取結(jié)構(gòu)的前五階自振頻率和固有振型進(jìn)行比較分析,結(jié)果如下。

      基礎(chǔ)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(chǔ)沿y方向振動(dòng),支撐平臺(tái)隨著振動(dòng),振幅較大。二階:1.402 Hz,三樁基礎(chǔ)沿x方向振動(dòng),支撐平臺(tái)隨著振動(dòng),振幅較大。三階:4.096 Hz,三樁基礎(chǔ)繞z軸扭轉(zhuǎn),支撐平臺(tái)隨著扭轉(zhuǎn),振幅較大。四階:7.746 Hz,三樁基礎(chǔ)沿徑向彎曲,支撐平臺(tái)隨著沿z方向振動(dòng),振幅較大。五階:10.562 Hz,三樁基礎(chǔ)沿切向彎曲,振幅較大。

      基礎(chǔ)+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(dòng),三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。二階:0.341 Hz,塔筒沿x方向振動(dòng),三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。三階:1.777 Hz,三樁基礎(chǔ)沿y方向振動(dòng), 塔筒隨著沿y方向彎曲。四階:1.777 Hz,三樁基礎(chǔ)沿x方向振動(dòng), 塔筒隨著沿x方向彎曲。五階:3.524 Hz,三樁基礎(chǔ)沿x方向振動(dòng), 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(shí)振動(dòng),振動(dòng)幅度相同,振幅較大。二階:0.459 Hz,3葉片同時(shí)振動(dòng),振動(dòng)幅度相同,振幅較小。三階:0.46 Hz,3葉片同時(shí)振動(dòng),振動(dòng)幅度不同。四階:0.982 Hz,3葉片繞輪轂同步地旋轉(zhuǎn)振動(dòng),振動(dòng)幅度相同,振幅較大。五階:1.01 Hz,3葉片各自繞輪轂旋轉(zhuǎn)振動(dòng),右上振動(dòng)最大,振動(dòng)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(dòng),塔筒振動(dòng)較小,振幅較小,葉片振動(dòng)明顯,振幅較大。二階:0.308 Hz,塔筒和葉片沿x方向振動(dòng),塔筒振動(dòng)較小,振幅較小,葉片振動(dòng)明顯,振幅較大。三階:0.403 Hz,主要是葉片振動(dòng),振幅較大,塔筒振動(dòng)很小。四階:0.445 Hz,主要是葉片振動(dòng),各葉片振幅不同,塔筒振動(dòng)很小。五階:0.550 Hz,主要是葉片振動(dòng),各葉片振幅不同,塔筒振動(dòng)很小。

      基礎(chǔ)+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(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)沿y方向振動(dòng),葉片振幅最大,塔筒振幅較大,三樁基礎(chǔ)振幅較小。二階:0.290 Hz,風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)沿x方向振動(dòng),葉片振幅最大,塔筒振幅較大,三樁基礎(chǔ)振幅較小。三階:0.398 Hz,主要是葉片振動(dòng),振幅較大,塔筒和三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。四階:0.443 Hz,主要是葉片振動(dòng),各葉片振幅不同,塔筒和三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。五階:0.539 Hz,主要是葉片振動(dòng),各葉片振幅不同,塔筒和三樁基礎(chǔ)振動(dòng)很小。

      3 結(jié)果分析

      對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。1)對(duì)比基礎(chǔ)模型和基礎(chǔ)+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(jié)構(gòu)的自振頻率,表明塔筒和葉片是非常重要的結(jié)構(gòu),對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的自振特性影響很大。2) 對(duì)比基礎(chǔ)+塔筒模型和基礎(chǔ)+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(chǔ)+塔筒模型相似,都主要表現(xiàn)為塔筒的振動(dòng),第三階到第五階振型主要是葉片的振動(dòng)。用實(shí)際的葉片結(jié)構(gòu)代替質(zhì)量單元來(lái)模擬,降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振頻率,且降幅很大,表明葉片對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)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(dòng)。塔筒和基礎(chǔ)的增加降低了風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的自振頻率,降低的幅值較大,表明塔筒和基礎(chǔ)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的自振頻率有一定的影響,但是對(duì)整體結(jié)構(gòu)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(xiàn)為塔筒和葉片的振動(dòng)?;A(chǔ)的增加,雖然降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振頻率,但總體降低的幅度很小,表明基礎(chǔ)對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)的自振特性的自振特性影響非常小。

      4 結(jié)論

      由以上計(jì)算結(jié)果可以看出葉片和塔筒對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電整體結(jié)構(gòu)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(chǔ)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響非常小。

      參考文獻(xiàn)

      [1]李武.近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)樁基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2011(3):87-91.

      [2]李益,張宏戰(zhàn),馬震岳.三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的選擇[J].能源工程,2005(6):34-37.

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