三桩基础海上风机结构的比较分析

李益 凡威

摘  要：该文研究三桩基础海上风机的各部分结构分别对整体发电结构自振特性的影响。用有限元软件ANSYS分别建立了三桩基础海上风机的5种有限元模型，分别从自下而上和自上而下2个方向分析了海上风机的基础、塔筒、叶片分别对整体发电结构自振特性的影响。结果表明叶片对整体发电结构自振特性的影响最大，塔筒的影响比较大，基础的影响最小。

关键词：三桩基础;塔筒;叶片;有限元模型;自振特性

中图分类号：TK83      文献标志码：A

0 引言

三桩基础的海上风力发电整体结构是一个比较复杂的系统，主要由2个部分组成，分别是下部的支撑结构系统和上部的发电机组系统。支撑结构包括塔筒和三桩基础，发电机组系统由机舱、轮毂和叶片等组成。该文将三桩基础的海上风力发电整体结构简化为基础、塔筒和叶片3个结构，然后分别研究基础、塔筒、叶片对海上风机整体发电结构自振特性的影响。

1 有限元模型

该文从自下而上和自上而下2个方向建立了有限元模型，分别为自下而上——基础模型、基础+塔筒模型和基础+塔筒+叶片整体模型。自上而下——叶片模型、叶片+塔筒模型和基础+塔筒+叶片整体模型。

1.1 基础模型

该文研究的海上风力发电结构的基础形式为三桩门架式，主要由3个部分组成。三桩基础、支撑平台和导管架。三桩基础结构大部分埋入海床的土体之中，三桩基础海床面以上与海水相接触的部分采用管单元Pipe 59来模拟。海床面以下与土相互作用的部分采用管单元Pipe16来模拟。考虑三桩基础与土体的相互作用，在三桩基础底部进行固定约束。支撑平台由3根变矩形截面梁组成，采用梁单元Beam l88来模拟。导管架用管单元Pipe16来模拟。海上风机的其他结构如塔筒、机舱、轮毂和叶片由质量单元Mass 21来模拟，简化为一个质量点，附加到支撑平台的上部。

1.2 基础+塔筒模型

塔筒形状为变截面圆锥筒型，由3节塔段组成，塔筒厚度呈非线性变化。建立有限元模型时，忽略法兰连接的影响，假定塔筒是连续的变截面梁结构。塔筒用梁单元Beaml88来模拟，三桩基础底部进行固定约束。用质量单元Mass21来模拟机舱、轮毂和叶片，简化为一个质量点，附加到塔筒的顶端。

1.3 叶片模型

将风机叶片简化为中空的变矩形截面悬臂梁，采用梁单元Beam188模拟。将叶片赋予正交各向异性材料属性，在塔筒和机舱的连接处将结构固定约束。

1.4 叶片+塔筒模型

在叶片模型的基础上，用梁单元Beaml88模拟了塔筒，建立叶片+塔筒的模型，将塔筒底部固定约束。

1.5 整体模型

如上所述，建立海上风力发电结构的整体有限元模型——基础+塔筒+叶片模型。

2 计算结果

运用有限元软件ANSYS的模态分析功能，对5种模型分别进行自振特性分析，该文选取结构的前五阶自振频率和固有振型进行比较分析，结果如下。

基础模型的前五阶自振频率和固有振型分别为：一阶：1.402 Hz，三桩基础沿y方向振动，支撑平台随着振动，振幅较大。二阶：1.402 Hz，三桩基础沿x方向振动，支撑平台随着振动，振幅较大。三阶：4.096 Hz，三桩基础绕z轴扭转，支撑平台随着扭转，振幅较大。四阶：7.746 Hz，三桩基础沿径向弯曲，支撑平台随着沿z方向振动，振幅较大。五阶：10.562 Hz，三桩基础沿切向弯曲，振幅较大。

基础+塔筒模型的前五阶自振频率和固有振型分别为：一阶：0.341 Hz，主要是塔筒沿y方向振动，三桩基础振动很小。二阶：0.341 Hz，塔筒沿x方向振动，三桩基础振动很小。三阶：1.777 Hz，三桩基础沿y方向振动， 塔筒随着沿y方向弯曲。四阶：1.777 Hz，三桩基础沿x方向振动， 塔筒随着沿x方向弯曲。五阶：3.524 Hz，三桩基础沿x方向振动， 塔筒沿x方向弯曲较大。

叶片模型的前五阶自振频率和固有振型分别为：一阶：0.459 Hz，3叶片同时振动，振动幅度相同，振幅较大。二阶：0.459 Hz，3叶片同时振动，振动幅度相同，振幅较小。三阶：0.46 Hz，3叶片同时振动，振动幅度不同。四阶：0.982 Hz，3叶片绕轮毂同步地旋转振动，振动幅度相同，振幅较大。五阶：1.01 Hz，3叶片各自绕轮毂旋转振动，右上振动最大，振动幅度不同。

叶片+塔筒模型的前五阶自振频率和固有振型分别为：一阶：0.298 Hz，塔筒和叶片沿y方向振动，塔筒振动较小，振幅较小，叶片振动明显，振幅较大。二阶：0.308 Hz，塔筒和叶片沿x方向振动，塔筒振动较小，振幅较小，叶片振动明显，振幅较大。三阶：0.403 Hz，主要是叶片振动，振幅较大，塔筒振动很小。四阶：0.445 Hz，主要是叶片振动，各叶片振幅不同，塔筒振动很小。五阶：0.550 Hz，主要是叶片振动，各叶片振幅不同，塔筒振动很小。

基础+塔筒+叶片整体模型的前五阶自振频率和固有振型分别为：一阶：0.283 Hz，风机整体结构沿y方向振动，叶片振幅最大，塔筒振幅较大，三桩基础振幅较小。二阶：0.290 Hz，风机整体结构沿x方向振动，叶片振幅最大，塔筒振幅较大，三桩基础振幅较小。三阶：0.398 Hz，主要是叶片振动，振幅较大，塔筒和三桩基础振动很小。四阶：0.443 Hz，主要是叶片振动，各叶片振幅不同，塔筒和三桩基础振动很小。五阶：0.539 Hz，主要是叶片振动，各叶片振幅不同，塔筒和三桩基础振动很小。

3 结果分析

对计算结果进行分析。1）对比基础模型和基础+塔筒+叶片整体模型，整体模型的前五阶自振频率降低了90%左右。塔筒和叶片的增加，大大降低了整体结构的自振频率，表明塔筒和叶片是非常重要的结构，对海上风力发电整体结构的自振特性影响很大。2） 对比基础+塔筒模型和基础+塔筒+叶片整体模型，整体模型的前二阶自振频率降低了15%左右，第三、四、五阶自振频率降低80%左右。整体模型的前二阶振型和基础+塔筒模型相似，都主要表现为塔筒的振动，第三阶到第五阶振型主要是叶片的振动。用实际的叶片结构代替质量单元来模擬，降低了整个结构的自振频率，且降幅很大，表明叶片对海上风力发电整体结构的自振频率有很大的影响。3）与叶片模型相比较，整体模型的前五阶自振频率降低了40%左右，前五阶振型相似，主要是叶片的振动。塔筒和基础的增加降低了风机整体结构的自振频率，降低的幅值较大，表明塔筒和基础对整体结构的自振频率有一定的影响，但是对整体结构的振型影响很小。4）整体模型与叶片+塔筒模型相比较，整体模型的前五阶自振频率降低了5%左右，前五阶振型相同，都主要表现为塔筒和叶片的振动。基础的增加，虽然降低了整个结构的自振频率，但总体降低的幅度很小，表明基础对海上风力发电整体结构的自振特性的自振特性影响非常小。

4 结论

由以上计算结果可以看出叶片和塔筒对海上风力发电整体结构的自振频率的影响很大，其中叶片的影响最大，塔筒的影响比较大，基础对整个结构自振频率的影响非常小。

参考文献

[1]李武.近海风力发电机桩基础的动力学分析[J].水利水运工程学报，2011（3）：87-91.

[2]李益，张宏战，马震岳.三桩基础海上风力发电结构的模态分析[J]. 水力发电，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，陈雷，姚兴佳.海上风力发电机组基础的选择[J].能源工程，2005（6）：34-37.