海上漂浮式风电机组支撑结构运动响应研究

材料属性：采用屈服应力为355MPa的海洋工程高强度钢，杨氏模量2.lEllPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3。锚链属性：杨氏模量9.45E6Pa，泊松比0.3，横截向积0.0071m2，相应直径为0.095m，单位畏度重量197.6kg/m，结构阻尼45ms。

有限元模型采用右手坐标系，坐标原点取在塔架与主浮体的连接处，X、Y轴的正方向如图1所示，Z轴正方向垂直海面向上，三个浮体呈等边三角形分布，锚链顶端位于下部浮体底面中心，底端固定于海底来保持整体结构的平衡。

海上浮式风电机组支撑结构运动响应研究

一、支撑结构整体运动响应分析

（一）环境载荷的确定

根据海上风电机组组设计标准IEC61400-3，在考虑风电机组设计载荷时，需要根据具体地点的外部条件来设计，而且当几个载荷进程同时作用时，分析时必须考虑载荷联合作用对结构的影响。对于风波流的载荷组合，短期风气候通常用lOmin平均风速Ul0来表示，而短期波浪气候通常用有效波浪高度Hs来表示，其中Ul0和Hs分别理解为对应的风速强度和海面变化过程的强度。

本文中，风电机组选定在苏格兰东北部Stevenson地区某海域，因为在此地区可获得所期望的作用在任何深海浮式风电机组上的极端风载荷以及波浪载荷。在整个风电机组运转范同内，选择正常发电与停机两个设计工况，正常发电情况下，从切入风到切出风之间选择六个平均风速，停机情况下选择50年一遇的极端湍流风，在每个风速下，根据Ulo-Hs，Hs-Tp的风浪联合分布图来确定波浪有效波高和周期，并确定相应的流速。设计载荷工况组合如表3所示。

其中工况3的风速为风电机组额定风速，停机工况以50年重现周期的极端湍流风作为风气候与在此风气候下的波浪气候进行组合。

（二）风电机组整体瞬态响应分析

作用于海上漂浮式风电机组支撑结构的载荷可分为四部分，分别是：

（1）支撑结构和风电机组的自重；

（2）风电机组载荷，即风电机组的气动载荷，主要包括水平轴向力、对叶轮中心的转动力矩和因桨盘受力不均匀而产生的倾覆力矩；

（3）风作用在支撑结构受风面上的分布压力；

（4）浪流联合载荷作用于基础结构的水动力及水静力。

以工况7为例，其位移、转角的响应时间序列如图2所示。

利用质量点模拟压载水，使结构在正常发电及停机情况卜吃水达到20m，由于风、浪、流等环境载荷同方向时对结构的运动相应影响最大，本文假设环境载荷均施加十X轴正方向（图1），得到结构对各工况载荷（表3）的响廊极值如表4所示。

从表4和图2可知：

（1）静水无风条件下，结构运动响应极值很小，此漂浮式风电机组支撑结构具有良好的初始稳定性；

（2）工况3时，结构有最大位移值7.lm，目前还没有相关规范对此值做出规定，相关文献研究结果中，出现过更大位移值为30.42m；一般规定当风电机组的倾斜角度超过l0°时，叶轮将不能充分发挥效率，在风电机组工作状态下，浮体倾斜角度最大为4.55°，小于最大允许倾斜角，此漂浮式风电机绢在外载荷联合作用下可以保持稳定发电状态；

（3）从工况l至工况7，结构的纵荡先增加再减小，在风电机组达到额定风速时达到最大值，而且在停机状态下纵荡最小，因为在X轴方向，根据叶素动量理论计算得到的变桨载荷起初随风速的增加而增大，在额定风速时达到最大值然后又减小，当风速超过切出风速，风电机组处十停机状态，变桨载荷为0。而结构的运动除纵荡外，其他五种运动都是逐渐增加的，这说明对结构横荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇起关键作用的是环境载荷的大小；

（4）结构的垂荡以原点为中心作往复运动。结构的纵荡相比横荡大很多，纵摇相比横摇也大很多，因为环境载荷均施加于X轴正方向，在X方向上环境载荷对结构产生的作用比在Y方向上大很多。结构在Y方向的运动主要有两方向原因：一是由于湍流风与不规则波在Y方向有分量，但是作用力很小；二是由于圆柱绕流的作用，由流体力学可知，当流体通过圆柱体时，柱体后向左右两侧会分离出两列漩涡，它们交替发放，旋转方向相反，会诱导升力的交替产生，进而使结构发生运动。对于高层建筑物、烟囱、塔架等，这些高耸结构受强风作用而引起的振动往往与这种漩涡密切相关，卡门涡街后涡的交替发放会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，其频率与流动速度和物体尺寸有关，如果这样的发放频率和物体的自由振动频率相耦合就会使物体振动加大，导致结构共振，对物体造成严重的破坏。

二、风、波浪对支撑结构运动响应的影响

风电机组在海洋环境中受到的环境载荷非常复杂，但对其作用最频繁的主要是风载荷与波浪载荷。结构的整体运动响应是在各种环境载荷的耦合作用卜得到的，有必要对风、波浪对结构运动响应的影响进行研究。基于此目的，采用表5中的环境载荷工况对结构进行运动响应分析，结果如表6所示。

由表中数据可得：

（1）对比不同波高情况卜，随着波高的增加，结构的横荡、横摇与艏摇变化不明显，纵荡与纵摇有增加趋势，但垂荡增加幅度最显著，说明波浪载荷对结构的垂荡运动影响最大；

（2）对比不同风速情况下，随着风速的增加，结构的运动除纵荡外都呈增加的趋势，结构的纵荡先增加，在额定风速时达最大值，然后又减小，与第三部分中计算得到的规律相同，而纵荡运动随有效波高改变的变化不大，可知在风电机组正常工作状态下，三浮体式平台的纵荡运动主要由风速控制。

结语

（1）三浮体式风电机组支撑结构的运动响应随环境载荷改变的变化情况不同，纵荡随着风速增加，先增大后减小，在额定风速时达到最大，其他自由度的运动随风浪流的增加都呈增大趋势；

（2）风载荷与波浪载荷对三浮体支撑结构运动响应的贡献各不相同，波浪载荷对结构垂荡影响较大，而风载荷对结构纵荡运动影响较大。

推荐访问： 漂浮 机组 海上 响应 风电

---