海上风电单立柱三桩结构动力耦合分析及优化设计研究

发布时间：2020-08-21 19:59

【摘要】：能源发展和环境保护是一个国家经济发展的基本条件,而作为一种清洁的永续新能源,风能已经成为世界上发展最快的绿色能源,风力发电也逐渐成为许多国家可持续发展的重要组成部分。因为海上风能资源丰富、受环境影响因素小,能量收益高等诸多优势,大型风电场正从陆地向海上发展,近海风力发电技术成为近年来研究和应用的热点。发电成本是海上风电发展的瓶颈,风电机组的基础被认为是造成海上风电成本较高的因素之一,因此,对海上风电基础结构的动力特性及受力特点进行研究,并挑选出经济、有效的设计方案对于海上风电的发展具有重要意义。本论文主要对特定海区3MW风电单立柱三桩基础结构的动力特性及在环境荷载作用下的响应和基础结构优化等问题进行研究。本文的研究工作包括如下几个方面: (1)在分析不同海上风电支撑结构的基础上,取较大水深下海上风电单立柱三桩结构为研究对象,并根据风电结构外部荷载特点确定固有频率的取值范围。在满足动力特性要求的条件下,建立结构的有限元模型。 (2)采用风机运转载荷与环境载荷联合的方法对结构模型进行强度分析,计算结构在极端环境荷载和风机正常运转状态下不同组合工况的静强度情况,并运用API规范中的位移比和工作应力法来校核结构的刚度与强度。在此基础上研究并比较了风机载荷、风、浪、流、冰和地震单独作用下,单柱式三桩结构的动力响应。并且进行了各种荷载极端工况和操作工况下的动力耦合分析,得出结构关键部位的最大位移和最大等效应力时程曲线。所得数据表明,在所有环境荷载中,结构在冰荷载作用下的响应最大;同时,风机正常运转时产生的力与弯矩对于结构的影响也非常大,这些都是结构设计中需重点注意的因素。 (3)考虑到基础结构的经济性,本论文以风电结构的整体用钢量最小为优化目标,选取结构各部分构件的外径和壁厚作为优化变量,对海上风电单立柱三桩支撑结构进行了结构优化计算,最终得到了在满足刚度、强度和动力特性的设计要求条件下整个结构钢材最经济的用钢量。考虑到风电结构固有频率在其设计中的特殊性和重要性,本论文还研究了结构各构件的尺寸对结构的固有频率的影响,进行了固有频率对于结构构件尺寸变化的敏感性分析。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P75
【图文】：

示意图,风力发电,示意图

图 2-1 IEC 海上风力发电结构命名示意图前常被讨论的海上风机基础主要涵盖参考海洋平台的固定式基础和处阶段的漂浮式基础。从类型上主要包括桩基结构、重力基础结构、桩裙和锚泊浮式结构，而从外型上分可分为基础形式有单桩基础(Mono-pil三桩基础(Tripod)、格构式基础(Lattice)、重力基础(Gravity based)、负压uction Bucket)和浮动平台结构(Floating type)等几种[30]-[32]。威船级社（DNV）标准中定义了不同风机结构概念的设计要求，由以经验，我们可以根据海水深度和经济性，推荐选择不同的海上风电基础（）。

单桩基础

>20 单立柱三桩/桁架式结构>50 浮动平台结构单桩基础是最简单的基础结构，是目前陆上和海上采用最多的海上风机基础形式[33]，已在许多大型海上风电场中得到应用，如 Horns Rev、Samso 、Utgrunden 、Scroby Sands 和 Kentish Flats。单桩基础需要借助于对某侧土地的压力来承载风机负载，其基础进入泥面的深度取决于土壤强度，故需要重点考虑桩与土的相互作用机理[34]-[37]。单桩基础主要由焊接钢管组合而成，塔架和桩之间的连接根据连接方式有焊接法兰连接、套管法兰连接或灌浆连接三种方式。单立柱基础结构在 20～25 m 的中浅水域应用广泛，其最主要的优点为工程简单——桩基通过打桩、钻孔或喷冲的方法安装在海底泥面以下一定的深度, 并且通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜从而保证基础的平正，该工程的弊端是如果遇到施工区域海床比较坚硬,其钻孔成本会大幅度上升。

单立柱,桩基础,单桩基础

【引证文献】