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(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 23n (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 ipπM(2)式中,R e 为复数取实部函数,Δω=(ωn -ωk )ΠN ,M =2πΠ(Δt Δω)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 )=12ρC d v 2(z ,t )A (3)式中,ρ为空气密度,取值为11225kg Πm 3;A 为有44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 249(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54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ΠMPa114401863445179158145517919213211969032195137175819516 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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