浮式海上风机平台设计及有限元分析

李晨阳 张 昱 张晓键 何炎平

(上海交通大学，上海 200240)

0.引言

海上风力发电具有离用电集中区域近、风能资源密度高、便于大型化和视觉污染小等优点，已引起世界各国的重视。其中，欧洲规划到2020年，近海风电装机达到240000MW，年发电量 720TW·h，可以满足 1/3的欧洲用电量[1]。目前，海上风电场大都位于水深20m左右的近海海域，采用固基的着底式风电机塔。今后将逐步向水深100m甚至几百米的海域发展，浮基海上风电场将是一种经济性和实用性兼顾的重要发展方向[2]。

本文主要针对选定地点的环境条件进行了浮式风机平台设计，并对塔筒连接处进行了强度校核，对受力集中的破舱可能性原件进行了有限元分析。

1.浮式风机平台优点及设计中存在的主要问题

相比传统的固定式风机平台，浮式风机平台的优点主要有以下几点:

(1)对水深、水底条件的要求较小，所以选址的范围更大，可应用的区域更多。

(2)浮式风机平台的成本由专家估算约和中等深度海域的固定式风机平台的成本接近。

(3)移动、安装、更换、重复使用都比固定式风机平台来得便利、快捷。

基于浮式风机平台的以上优点，浮式风机平台将有很大的发展潜力，尤其是在中国的南海区域，但是进行浮式风机平台设计要进行整体载荷的计算、系泊系统的固定和结构强度的分析。项目组通过实验测量、数值仿真和环境模拟等工作得到逐步解决。

目前，浮式风机平台还面临很多问题，其中最重要的一点是控制平台成本。只有在控制成本的前提下，解决电缆的铺设与维护、叶片旋转与波浪载荷对平台作用力的耦合等问题，海洋风电产业才有市场竞争力[3]。

2.浮式海上风机平台模型设计

2.1 浮式海上风机平台的力学原理

在海洋平台的设计中，环境条件是必须要纳入考量范围的，包括项目工作地点的地理气候情况、风浪流的条件以及生态环境等。这些环境变量对于平台的长期运营有着极其重要的影响。其直接影响到的设计参数包括海洋平台型深、系泊系统打桩的方式、风机平台的安装方法、风机的扭矩和最佳工况、风机平台的初稳性高和总质量。

根据牛顿第二定律和内摩擦定律对海上浮式风机平台建立数学模型如式1。

其中，Mw是波浪对结构物的转矩，Ms是上层建筑受风产生的转矩，m为结构物质量和附连水质量的总和，C为阻尼系数，K是初稳性提供的回复力矩系数。在方案设计时，根据工况条件，调整结构物的 m和K来避开可能发生谐振的区域。

2.2 浮式海上风机平台的工况分析

为了使设计的浮式海上风机平台在实际工况下可靠运行，必须先分析何种环境因素会影响到浮式海上风机平台。

由于风机的功率直接和上层建筑所受到的风力相关，所以风机运行时的功率规模将由平台自身的回复力矩限制，所以浮式风机平台的回复力矩越大，平台装机功率就越大。又因为风机正常运行时要求其横摇幅度在一定范围内，一般在10度以内[4]，要求风机平台自身有很好的初稳性。

考虑到风机在海上运行时，会遭遇到不规则波的载荷，为了提高其耐波性，就注定风机平台的水线面积不能很大，因此，主要平台的初稳性高的提高主要依靠降低压载舱的位置。为了保证平台有足够的浮力又同时不使浮心位置过高，浮力舱的设计位置比较靠近水面。通过将压载舱和浮力舱的分离使得风机平台拥有足够的初稳性高。根据实地测量结果，风机模型的工作环境选定在上海交通大学闵行校区的思源湖湖心岛处。为确保风速测量值可信，风速测量点选取湖周边无高大建筑物、树木且位于风场主风向的上风向的两处位置[5]。模型在实际工况下，由于重心偏高，风力作用更显著，而浪的影响较小，修正后的方案通过增大水线面积增加初稳性。

2.3 浮式海上风机平台模型基本参数

考虑到实际工况，浮式海上风机平台模型的各设计尺寸如图1所示，平台主体由塔筒、浮筒和压载舱组成，风机安装在塔筒顶端。塔筒通过焊接与浮筒以及支撑力柱连接。平台总高度:2.703米，塔筒高度:1.5米，平台总排水量:73.57千克，水线面积:0.108平方米，初稳性高GM:0.165米，风机叶片半径:0.9米，启动风速:0.9m/s。

图1 浮式海上风机平台结构图

3.浮式海上风机平台模型受力分析与校验

对图1中的浮式海上风机平台模型设计方案在实际工况下的运行做受力分析和校验如下。

3.1 风倾力矩估算

根据风机经验公式，推力F=a(1－a)ρAV2

其中，a为特征系数，A为风机工作面面积，ρ为空气密度 1.293 kg/m3，V为风速。

为了安全起见，我们选择了使推力最大的特征系数a=0.5，风速 V=4m/s。估算得，最大推力 F=9.134N;承载力矩 M=F·L=9.134N/M

3.2 启动风速修正

厂方给出的风机数据为，风机桨叶长度l0=0.6m，最小启动风速V0=2.0m/s。为了使风机能够在实际工况下稳定运行，必须使启动风速降低。为了便于估算做以下假设:①单位面积上的风压P与风速V的1次方成正比，即P=KV;②前后叶片近似看作等宽;③产生力矩的比例C也不变;④对应启动电机的最小扭矩不变为T。

根据假设可得，当选用新的桨叶 l=0.9m时，启动风速 V=0.90m/s。

3.3 强度校核

3.3.1 塔筒与平台连接处强度校核

塔筒的受力分析可简化成悬臂梁的受力分析，主要受力为横向风力F1和纵向重力F2。

根据风机经验公式，推力F1=a(1－a)ρAV2

其中，a为特征系数，A为风机工作面面积，ρ为空气密度 1.293kg/m3，V为风速。

为了安全起见，我们选择了使推力最大的特征系数a=0.5，风速 V=4m/s。，

估算得: F1=5.849N

根据上部结构的重量，参照重心重量表，风机重7.77kg，部分塔筒重约 1.736kg

估算得: F2=mg=93.159 N

据此估计承载力矩: Mmax=F1·L=5.849×0.7=4.095N·m

考虑纯弯曲情况

A点处的应力为:

由D=45mm可得，最大内径 d=44.942mm，最小厚度 t=0.5(D －d)=0.5 ×(45 －44.942)=0.029mm

考虑屈曲情况

A点处的临界应力为:

认为塔筒上端自由，下端固定，故μ取2，钢管的弹性模量取 200000 N/mm2，取 D=0.045m ，d=0.039m，计算得临界应力 σcr=222.955MPa，符合强度要求，所以塔筒厚度可取为3mm。

3.3.2 压载舱开舱顶板有限元分析

压载舱存放大量压载并且压载舱顶板还开了舱口，所以压载舱开舱顶板属于较为危险的区域，我们采用Patran、Nastran有限元建模分析软件进行载荷计算并校核强度。取压载舱左上角的179×103mm部分，舱口尺寸是100×83，舱口边有半径为2mm的小孔。根据压载舱下部的质量，三边是36N/m向下的力，中间的柱子连接处是67.9N/m向上的力。仿真结果表明，舱口应力最大值为66.5MPa＜113MPa，所以强度满足要求，结构在正常情况下不会发生破坏。

4.结语

本文分析了当前海上风力发电和风机平台的发展状况，将浮式海上风机平台与传统风机平台进行比较。浮式风机平台有着适用水域广，成本不高于传统平台，以及移动、安装方便等优点，是今后海上风机平台发展的方向。同时，浮式海上风机平台设计中存在着一系列问题，特别是在成本制约下，平台如何克服风浪耦合作用。本文通过运用力学原理分析平台的受力，以及建模研究，校验模型平台主要部件的强度，验证了浮式海上风机平台在实际水域下工作的可行性。

[1]黄俊.海上浮式风力发电机组载荷及结构性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2010.

[2]缪国平，朱仁传，程建生，王景全.海上风电场建设与海洋工程装备研发中若干水动力学关键技术问题[J].上海造船，2009，(1):19 －22.

[3]王景全，程建生，李峰.论我国海上风电场建设重大工程问题[J].中国工程科学，2010，(11):4－9.

[4]严磊.风力发电机支撑体系结构设计研究[D].天津:天津大学，2008.

[5]姚兴佳.风力发电测试技术[M].北京:电子工业出版社，2011:20－21.