海上风力机固定单桩基础支撑工况冲击响应研究

关 新，赵 建，牛 阔，李昊洋

（1.沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136；2.海宁沙索机械设计有限公司，浙江 海宁 314400；3.华电铁岭风力发电有限责任公司，辽宁 铁岭 112000）

风能是洁净环保的可再生资源，利用海上风进行发电可节约大量的土地资源，且不需要考虑噪声污染的影响。海上年平均风速高、湍流低，且我国近海风能资源丰富，可开发利用的海上风能储量约7.5亿kW。但相关研究报告指出，在海上风电场的总投资中，基础投资占总投资的比例高达到16%，且随着海水深度的增加而增加，甚至可达到总投资成本的30%。因此，提高海上风电机组的基础结构可靠性，对于我国的风电发展具有重要的研究意义［1］。

1 基础类型及选择

1.1 基础类型

1.1.1 重力式基础结构

重力式基础一般都为钢筋掺杂混凝土的预制结构，适用于浅海地区（海水深度小于20 m）。基础形态是利用基础本身的重量来承受风力机负荷和各种环境负荷，以此保持基础的倾覆和稳定。这一类型主要使用组合式钢筋混凝土外壳，同时需要较重的压舱材料，故受海水深度的影响很大。

1.1.2 桩式基础结构

海上风力发电机的桩式基础具有占用海床面积最小、承载力高、沉降量小而均匀等一系列特点，且所能承受复杂载荷的作用也相对较强，适用的安装范围更广。同时，桩式基础的结构相对简单，基础的质量稳定，技术优势明显。

1.1.3 导管架式基础结构

导管架式基础是基于海上固定式平台的理念而设计的一种基础模式，属钢结构框架式结构，具有框架杆的直径小、重量轻、强度高、受海浪作用很小等特点，可应用于大型海上风力发电机的安装及深海地区风力机的安装。

1.1.4 浮式结构基础

浮式结构通过使用系泊或锚杆将其固定在海底的相关位置，并且依靠平衡自身重力、结构浮力以及系缆回复力来维持，使风力机基础稳定。同时，对浮式基础受海流变化作用所产生的摇摆角度进行管理，来保证风力机风轮的对风角度。目前，浮式基础尚不成熟，但该结构已成为海上风电场向深海区域发展的趋势［2-3］。

1.2 基础选择

在海上风电机组基础类型中，单桩基础结构简单，受力明确，且具备施工速度快等优势，故单桩基础占国内外海上风电场的65%以上。

研究海上风力机单桩基础的重点在于分析环境变化对风力机基础的影响，计算常规风载荷及波浪载荷，分析并研究极值风、波浪、海流等因素分别与固定约束载荷的组合。

2 风力机基本参数及简化建模

2.1 风力机参数确定

考虑风况的影响，以美国可再生能源委员会已经发布的近海5 MW 风力发电机组作为研究对象，其主要参数如表1所示。

表1 5 MW风力机主要参数

通过有限元软件ANSYS的模态模块分析单桩在海水中的应力状态，使用ANSYS 的瞬态动力分析模块进行数据仿真，求解单桩的应力应变及弯矩剪力等相关物理量。

2.2 有限元建模分析

对于基础的承载力，由于桩径较大，竖向承载力通常不是控制因素，主要以水平承载力控制；对于基础的变形，由于在载荷组合中水平力占主导地位，且多为长期循环载荷，所以水平向的形变远大于一般建筑桩基。因此，水平受荷桩的计算在海上风力机单桩基础设计计算中占有十分重要的地位。

使用ANSYS 模型对塔架、上部机舱以及风叶的轴推力做静力分析，桩全长为51 m，土体简化为非线性弹塑性体，桩体视为线弹性体，采用有限元模拟分析程序中的模型来模拟土体的非线性。

使用Solidworks 软件对基础以及风力机塔筒进行建模，并将其导入到ANSYS 模拟软件中。单桩基础数据及安装深度如图1所示。

图1 单桩基础

3 工况条件计算

3.1 波浪载荷

在进行波浪载荷模拟分析时，先假定海水为无粘性理想流体且做无旋运动的，利用流体力学的连续方程和伯努利方程，再结合附加边界条件进行求解，就是波浪载荷研究的基础。与海上的石油和汽田支撑基础设计不同，建造海上风力发电机基础的作用是更好地获得风能。因此，地域要选择有足够风力的海域，以确保叶片的速度可维持发电输出功率。

海上风力机单桩式塔架为小直径桩柱构件，根据Morison 公式，水平波浪力由阻力和惯性力两部分构成：阻力是当流体流过塔架时由于粘性的作用以及在塔架后尾流中产生涡所引起的；惯性力则是当流过塔架的海浪绕流物体时，其所引起的加速或减速产生的。综合考虑波浪波长与水深的关系，选用Soktes五阶波浪理论，求解作用在独立单桩上的波浪力F为

式中，FM为惯性力；FD为阻力；cM为惯性力系数；cD为阻力系数；ρ 为海水密度；为波浪水质点运动轨迹速度的水平分量为波浪水质点运动轨迹加速度的水平分量；D为桩径[4-6]。

流体的连续方程与动量方程可分别表示为

式中，t为时间；ui和uj为速度分量；xi和xj为坐标；p为压强；μ为分子黏度；μt为湍流黏度。

通过ANSYS Fluent 两相物理场模拟分析，设定海水流动速度为1 m/s，经计算得到基础载荷所受冲击力为6.85×108N［7］，海浪模拟如图2所示。

图2 海浪模拟瞬时图

3.2 风载荷计算

风力机运行时，风力机整体会受到来自风的载荷，载荷来自风对风轮的力，这种力被称为轴推力。作用在风轮扫风面上的轴向推力Fa为

式中，CP为风能利用系数，一般取0.4；v为风速；S为风轮扫风面积。由此可以得出作用在风轮上的轴向推力约为1 256 000 N。

3.3 极值风、波浪、海流与固定约束载荷组合分析

风力机整体结构的固有频率较小（基于风力机基础一阶模态分析，其一阶固有频率为0.27 Hz），塔架风振系数暂取1.75。结构在极限工况下所受的作用力如表2所示。

表2 极限工况组合

4 模拟计算

4.1 单桩受海水冲击的承载力

单桩基础受到海水以及波浪的作用力，且作用力随着深度的增加而增大。此外，单桩的震动频率随着海水流动速度的增加而下降，这是由于海水在不同速度下对单桩产生的作用力不同而导致的，水流速度越大，海水波浪产生的力越大，波浪力的位置从最下面开始，越接近海平面，波浪力越大，模拟分析后的数据如图3所示。

图3 单桩基础受力

根据模拟结果可知单桩基础在1 s～10 s 的受力，其受力曲线如图4所示。

图4 单桩基础1 s～10 s受力曲线

4.2 单桩基础的水平偏移

采用正常工况载荷组合计算单桩基础的水平向变形，其结果如图5 所示。由软件分析结果可知，单桩基础最大的水平移为380.6 mm。

图5 单桩基础水平偏移

5 结论

1）对比目前近海风力机基础形式，从风力机载荷、波浪载荷、安装条件、运行工况等角度进行综合对比分析可知，单桩型风电机组基础更适合近海风力机使用。

2）以美国可再生能源委员会已经发布的近海5 MW 风力发电机组结构参数作为分析建模基础，分析海上风力在1 m/s海水流作用下的冲击平均载荷为6.85×108N。

3）在海流冲击载荷及风载荷复合作用下，风力机整体受力表现为沿海水流动方向的风轮轴推力。由于风力机基础在海床中固定，海水流动所施加的动态载荷会给风力机基础带来疲劳损伤。通过瞬态分析单桩基础在1 s～10 s 的受力情况，在7.9 s时单桩基础的偏移量最大，且随着海水流变化，其所受载荷以指数形式增加。