海上樁式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究

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1、學(xué)兔兔www.xuetutu.com第6期(總第175期)機(jī)械工程與自動(dòng)化NO．62012年l2月MECHANICALENGINEERING＆AUTOMATIONDec．文章編號(hào)：1672—6413(2012)06—0018—03海上樁式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究汪亞洲，崔新維(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊830052)摘要：考慮到海上風(fēng)電機(jī)組與陸地風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境的差異，結(jié)合波、流、海生物附著等環(huán)境載荷對(duì)基礎(chǔ)的影響，提出一種快速評(píng)估海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法。在多體動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，基于有限元法對(duì)葉片進(jìn)行離散化并建立整機(jī)

2、模型，計(jì)算上部機(jī)組載荷；使用莫里森方程計(jì)算波、流載荷；根據(jù)計(jì)算載荷，基于SACS軟件，參考美國石油協(xié)會(huì)API規(guī)范，直觀、快速地對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析與優(yōu)化。以某導(dǎo)管架式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)為例，對(duì)上述過程進(jìn)行了演示。關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類號(hào)：TK83文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言現(xiàn)假設(shè)氣流均勻且不可壓，根據(jù)伯努利方程可得我國海上風(fēng)電開發(fā)剛剛起步，海上風(fēng)電機(jī)組長期到圓盤吸收的功率P：矗立于惡劣的海洋環(huán)境中，基礎(chǔ)除了承受來自機(jī)組上P一2pU：Aa(1一n)。。????????(2)部的葉輪系統(tǒng)、機(jī)艙等部件傳遞來的載荷外，還需要承其中：I

3、D為空氣密度；A為風(fēng)機(jī)葉輪掃風(fēng)面積。作用在受波、流、海生物附著等海洋環(huán)境載荷的影響。對(duì)于海葉輪上的推力T為：上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)而言，結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力是由局部的水T一2pAUi口(1一Ⅱ)。?????????(3)動(dòng)力和機(jī)組其他部分傳遞來的載荷組合引起的。局部機(jī)組的功率系數(shù)C以及機(jī)組的推力系數(shù)Ct都產(chǎn)生的力不但包括由Morison模擬的拖拽力和慣性沒有量綱，可由下式確定：力，還包括升力、軸向力、浮力和重力，靠近平均風(fēng)暴水1C一P／(÷pA)一4a(1～n)。。????(4)位的水平桿件在波浪經(jīng)過時(shí)還要經(jīng)受垂向的沖擊力，厶升力和沖擊力都能引起獨(dú)立

4、桿件的動(dòng)力激振，使它們1C一T／(音pAu：)=4a(1一Ⅱ)。????(5)的應(yīng)力增加。因此，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)初期如何快速、合理地厶評(píng)估基礎(chǔ)所受荷載并對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行力學(xué)分析，從而保證從式(4)、式(5)可以看出：當(dāng)n取值為1／3時(shí)，功結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于海上風(fēng)電開發(fā)的率系數(shù)C最大，為16／27。這個(gè)值又稱為貝茲極限；當(dāng)重要性不言而喻?！叭≈?／2時(shí)，推力系數(shù)c最大，為1。計(jì)算風(fēng)力發(fā)電1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)校核方法機(jī)的載荷與響應(yīng)時(shí)，首先應(yīng)建立完整準(zhǔn)確的風(fēng)力機(jī)模1．1載荷計(jì)算型。本文采用GHBladed軟件對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)學(xué)1．1．1風(fēng)載荷的計(jì)算

5、仿真分析，建立了如圖1所示的整機(jī)模型，并根據(jù)所建對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行載荷計(jì)算，一般將葉輪系統(tǒng)視為立模型對(duì)機(jī)組進(jìn)行載荷計(jì)算?！爸聞?dòng)圓盤”，圓盤面上的風(fēng)速U與上游來風(fēng)速度1．1．2波、流組合的靜力計(jì)算的關(guān)系為：計(jì)算作用在基礎(chǔ)上的確定性的靜波浪力時(shí)，通常一(1一n)U。。???????????(1)使用莫里森公式，波浪通過平臺(tái)時(shí)，必然會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生其中：n為軸向誘導(dǎo)因子。在來風(fēng)速度【，。確定的情況拖拽力與慣性力。拖拽力的大小與水質(zhì)點(diǎn)速度的2次下，葉輪平面上風(fēng)速值的大小完全取決于系數(shù)n。方成正比關(guān)系，慣性力的大小與水質(zhì)點(diǎn)的加速度成正新疆維吾爾自治區(qū)科技

6、廳重大攻關(guān)項(xiàng)目(200732141—3)收稿日期：2012—05—16；修回日期：2012—07—11作者簡介：汪亞洲(1986一)，男，江蘇淮安人，在讀碩士研究生，主要從事風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)的研究。學(xué)兔兔www.xuetutu.com2012年第6期汪亞洲，等：海上樁式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究·19·比關(guān)系?？梢哉f，作用在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的拖拽力與慣性力的合力就是波浪力F。具體可表示為：卜一kl／r~C,。F=Cd~-2Dv+c竺。????(6)厶gga‘其中：D為桿件的直徑或與波向垂直的邊的長度；CI==一I一‘。3(kl／r)。2kZ／r

7、≥c'．，l為波浪阻力系數(shù)；Cm為慣性力系數(shù)；為桿件軸線處的水質(zhì)點(diǎn)速度；為海水的密度；g為重力加速度。為無支撐長度；為回轉(zhuǎn)半徑；c：()-，2。海上任Fdlt~l500／F2--0．58百Fyd]F百3000<~了d≤30o4_1．74]F，1500<_了d~百3000。?????????????????????(9)(a)葉輪系統(tǒng)等效模型其中：d為構(gòu)件的外徑；t為構(gòu)件的壁厚。2計(jì)算實(shí)例本文以某3Mw風(fēng)電機(jī)組為例，建立如圖2所示的基礎(chǔ)模型，根據(jù)上述方法加載求解，可得到表1所列的桿件UC值。從表1中可看出PD2桿件的UC值最大，達(dá)到了2．

8、45，即實(shí)際應(yīng)力已經(jīng)超過了許用極限應(yīng)力，而LG1的UC值最小，僅為0．06，也就意味著材料還有很大的安全裕度。(b)葉片質(zhì)量模型圖l葉輪和葉片等效模型1．2桿件校核方法及理論依據(jù)本文基礎(chǔ)校核所使用的工具為S