不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22153

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 312-322.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22153

不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响

樊昂, 李录平, 刘瑞, 欧阳敏南, 陈尚年

长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南省长沙市 410114

收稿日期:2023-08-20 出版日期:2024-04-30 发布日期:2024-04-29
通讯作者: 李录平
作者简介:樊昂(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为大型风电机组塔筒动态特性，fanang010033@163.com；
李录平(1963)，男，博士，教授，主要研究方向为动力机械状态检测与故障诊断，本文通信作者，cs_liluping@163.com；
刘瑞(1986)，男，博士，讲师，主要研究方向为动力机械设备设计与优化，liurui200472156@126.com；
欧阳敏南(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为动力机械状态检测与故障诊断，oy52620680@163. com；
陈尚年(1997)，男，硕士研究生，研究方向为动力机械状态检测与故障诊断，920191849@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(62173050)

Research on Dynamic Characteristics of Monopile Offshore Wind Turbine Tower Under Different Wind Speed Conditions

Ang FAN, Luping LI, Rui LIU, Minnan OUYANG, Shangnian CHEN

School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, Hunan Province, China

Received:2023-08-20 Published:2024-04-30 Online:2024-04-29
Contact: Luping LI
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62173050)

摘要/Abstract

摘要：

基于ANSYS有限元软件对NREL 5 MW单桩式海上风电机组塔筒系统进行三维实体建模，在考虑土构耦合与叶轮旋转作用下，模拟分析不同风速对塔筒结构动态响应特性的影响。选取机组切入风速3 m/s与切出风速25 m/s区间内6种平均风速及与之对应的叶轮转速作为模拟工况，分析结果表明：随着风速和叶轮转速的增加，塔筒结构的模态频率逐渐增大，前两阶模态频率变化最为明显；塔筒位移量峰值增大，但增幅减小，位移量呈非线性增长趋势；塔筒等效应力值随之增大，但变化趋势与位移量不同，大致为线性增长；塔筒疲劳寿命急剧下降，但都远超实际工作时长，疲劳损伤与安全系数危险值主要分布在塔筒底部与单桩处，与最大等效应力分布位置吻合。

关键词: 海上风电机组, 塔筒, 风速, 叶轮转速, 土构耦合, 动态特性

Abstract:

Based on the ANSYS finite element software, the NREL 5 MW monopile offshore wind turbine tower system was modeled in 3D. The influence of different wind speeds on the dynamic characteristics of the tower structure was simulated and analyzed under the full consideration of the soil structure coupling effect and the impeller rotation. The six average wind speeds and the corresponding impeller speeds in the interval between the cut-in wind speed of 3 m/s and the cut-out wind speed of 25 m/s were selected as simulation conditions. The analysis results show that, with the increase of wind speed and impeller speed, the modal frequency of the tower structure gradually increases, and the first two modal frequencies change most obviously. Moreover, the peak value of the tower displacement increases as the wind speed and impeller speed increases, but the amplitude decreases. The displacement shows a non-linear growth trend. The equivalent stress value of the tower increases as the wind speed and impeller speed increases, but the change trend is different from the displacement, which is roughly linear. The fatigue life of the tower decreases sharply, but they are far more than the actual working hours, the fatigue damage and safety factor hazard values are mainly distributed at the bottom of the tower and at the single pile, consistent with the maximum equivalent stress distribution position.

Key words: offshore wind turbine, tower, wind speed, blade rotation speed, soil-structure interaction, dynamic characteristics

中图分类号:

TK 83

樊昂, 李录平, 刘瑞, 欧阳敏南, 陈尚年. 不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 312-322.

Ang FAN, Luping LI, Rui LIU, Minnan OUYANG, Shangnian CHEN. Research on Dynamic Characteristics of Monopile Offshore Wind Turbine Tower Under Different Wind Speed Conditions[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(2): 312-322.

图/表 20

图1 单桩式海上风电机组三维实体模型

Fig. 1 Three-dimensional solid model of monopile offshore wind turbine

表1 风电机组结构材料属性

Tab. 1 Structural material properties of wind turbines

结构名称	密度/(kg/m³)	杨氏模量/GPa	泊松比
叶片	1 850	38	0.3
塔筒	7 850	210	0.3
单桩	7 850	210	0.3

表2 NREL 5 MW单桩式海上风电机组主要参数

Tab. 2 Main parameters of NREL 5 MW mono-pile offshore wind turbine

项目	参数	数值
基础描述	额定功率/MW	5
	切入、额定风速/( $m · s - 1$ )	3、11.4
	额定转速/(r/min)	12.1
	转子配置	3叶片
叶片	转子直径/m	126
	轮毂高度/m	100
	轮毂直径/m	3
	叶片长度/m	61.5
塔筒	塔筒高度/m	90
	塔顶、塔底外径/m	3.87、6
	塔顶、塔底壁厚/m	0.027、0.054
单桩	单桩长度/m	75
	单桩外径/m	6
	单桩壁厚/m	0.054

表2 NREL 5 MW单桩式海上风电机组主要参数

Tab. 2 Main parameters of NREL 5 MW mono-pile offshore wind turbine

项目	参数	数值
基础描述	额定功率/MW	5
	切入、额定风速/( $m · s - 1$ )	3、11.4
	额定转速/(r/min)	12.1
	转子配置	3叶片
叶片	转子直径/m	126
	轮毂高度/m	100
	轮毂直径/m	3
	叶片长度/m	61.5
塔筒	塔筒高度/m	90
	塔顶、塔底外径/m	3.87、6
	塔顶、塔底壁厚/m	0.027、0.054
单桩	单桩长度/m	75
	单桩外径/m	6
	单桩壁厚/m	0.054

表3 6种模拟工况

Tab. 3 Six simulation conditions

参数	工况1	工况2	工况3	工况4	工况5	工况6
平均风速/( $m / s$ )	3.0	7.2	11.4	16.0	20.4	25.0
叶轮转速/(r/min)	6.9	9.6	12.1	12.1	12.1	12.1

表3 6种模拟工况

Tab. 3 Six simulation conditions

参数	工况1	工况2	工况3	工况4	工况5	工况6
平均风速/( $m / s$ )	3.0	7.2	11.4	16.0	20.4	25.0
叶轮转速/(r/min)	6.9	9.6	12.1	12.1	12.1	12.1

图2 平均风速与叶轮转速关系曲线

Fig. 2 Curve of relationship between average wind speed and impeller speed

表4 海上风场土质实测参数

Tab. 4 Measured soil quality parameters of offshore wind farms

参数	淤泥质粉质黏土	粉砂	粉质黏土
有效重度/( $k N · m - 3$ )	7.6	9.6	9.9
剪切波速/( $m · s - 1$ )	110.0	190.0	210.0
剪切模量/MPa	21. 7	70. 8	97. 2
弹性模量/MPa	56. 4	184	252. 7
泊松比	0.3	0.3	0.3

表4 海上风场土质实测参数

Tab. 4 Measured soil quality parameters of offshore wind farms

参数	淤泥质粉质黏土	粉砂	粉质黏土
有效重度/( $k N · m - 3$ )	7.6	9.6	9.9
剪切波速/( $m · s - 1$ )	110.0	190.0	210.0
剪切模量/MPa	21. 7	70. 8	97. 2
弹性模量/MPa	56. 4	184	252. 7
泊松比	0.3	0.3	0.3

图3 土体与单桩模型内部截面示意图

Fig. 3 Schematic diagram of the internal cross-section of the soil and monopile model

表5 网格划分方案

Tab. 5 Meshing division scheme

参数	方案1	方案2	方案3	方案4
机组网格尺寸/mm	1 000	750	500	500
土体网格尺寸/mm	2 000	2 000	2 000	1 000
总单元数	359 320	408 432	534 033	2 794 423
总节点数	515 230	593 260	805 936	3 868 600
平均元素质量	0.824 9	0.803 03	0.851 31	0.878 21
平均Skewness值	0.232 54	0.263 09	0.209 1	0.188 38

图4 网格无关性验证结果

Fig. 4 Mesh independence verification results

图5 平均风速11.4 m/s时 100 s脉动风速分布图

Fig. 5 100 s distribution diagram of fluctuating wind speed when the average wind speed is 11.4 m/s

图6 额定风速下塔筒顶部脉动风载荷100 s时程曲线

Fig. 6 100 s time history curve of fluctuating wind load at the top of the tower under rated wind speed

图7 100 s海浪载荷时程曲线

Fig. 7 100 s wave load time history curve

表6 前3种工况下塔筒结构模态频率值

Tab. 6 Modal frequency values of the tower structure under the first three simulation conditions

模态阶数	叶片静止工况/Hz	工况1计算值/Hz	变化率/%	工况2计算值/Hz	变化率/%	工况3计算值/Hz	变化率/%
一阶频率	0.154 92	0.159 51	2.966	0.163 74	5.697	0.169 28	9.27
二阶频率	0.158 08	0.162 62	2.869	0.166 67	5.431	0.172 36	9.03
三阶频率	0.643 33	0.646 74	0.531	0.648 99	0.880	0.649 57	0.97
四阶频率	0.735 98	0.740 37	0.597	0.742 10	0.832	0.743 50	1.02
五阶频率	0.890 43	0.902 10	1.310	0.911 10	2.321	0.954 75	7.22
六阶频率	1.364 94	1.410 45	3.334	1.421 00	4.107	1.437 70	5.33

图8 不同工况下机组整体瞬态响应位移云图

Fig. 8 Cloud diagram of the total displacement of the transient response of the overall unit under different simulation conditions

图9 塔筒瞬态响应位移量随平均风速变化曲线

Fig. 9 Variation curve of tower transient response displacement with average wind speed

图10 不同工况下塔筒结构瞬态响应等效应力云图

Fig. 10 Equivalent stress cloud diagram of tower structure transient response under different working conditions

图11 塔筒瞬态响应等效应力值随平均风速变化曲线

Fig. 11 Variation curve of equivalent stress value of tower transient response with average wind speed

图12 塔筒结构材料 S-N 曲线

Fig. 12 Tower sructural material S-N Curve

图13 塔筒结构疲劳寿命随平均风速变化曲线

Fig. 13 Variation curve of fatigue life of tower structure with average wind speed

图14 塔筒结构疲劳损伤分布与安全系数云图

Fig. 14 Fatigue damage distribution and safety factor cloud map of tower structure

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不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响

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