海上风机设计论述

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1、海上风机设计论述1. 风力发电的背景介绍随着社会发展，能源问题己经成为全世界的热点和核心问题。世界能源结构 经历了三次大的变革，即从煤炭、石油、天然气为主的能源系统，开始转换为 以可再生能源为基础的可持续发展的能源系统。风能作为一种清洁的、可再生的 新能源，己经受到世界各国的广泛关注。风能取之不尽，用之不竭 ;风电是干净 的能源，可以减少传统石化能源消耗，减少co：的排放。积极开发利用风力发电 对于改善能源系统结构，保护生态环境具有深远意义。风力发电在近几年发展很快，目前在某些国家，如丹麦，德国以及瑞典，风 电己在电力结构中占到 10%以上。但随着陆上风力发电规模的扩大，因其占用土 地资源、噪

2、声污染、干扰公众视觉等问题，阻碍了它的发展，且陆上优良场址己 逐渐开发完毕，风电的开发正向海上转移，即通常所说的建设海上风电场，欧美 各国己经开始大规模的投入建设海上风电场。相对于陆上风电场，海上风机结构的基础昂贵，电网接入集成成本高，风机 结构安装成本高，安装过程受天气环境的制约，且运行、维护实施困难，直接导 致机组可利用率下降，影响发电量。特别是与陆地风机结构相比，它所处的海洋 环境十分复杂和恶劣，承受着多种随时间和空间变化的随机荷载，包括风、海浪、 海流、海冰和潮汐作用于结构，同时还受到地震作用的威胁。在如此恶劣的环境 条件下，环境腐蚀、海生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、材料老化、构

3、件 缺陷和机械损伤、疲劳和裂纹扩展的损伤积累等不利因素都将导致海上风机结构 构件和整体抗力的衰减，影响风机结构的服役安全度和耐久性。如果对海洋环境 的复杂性和随机性以及海上风机结构的损伤积累和服役安全度等认识不充分，将 会出现不可预测的安全事故，造成重大的经济损失和不良的社会影响。近几年来随着新技术的开发和新型材料的使用，海上风电机结构在风机叶片 塔架结构和基础结构等各方面的研究已经相对比较成熟。为降低经济成本，提高 风电效益，世界风力机正朝着大型化、柔性结构的方向发展。我国水深在 5 至 50m 的沿海海域潜在的风力资源丰富，但国内海上风场建设刚刚起步，目前考虑 风机荷载和海上各种环境荷载的

4、风机塔架和基础结构的设计技术尚不成熟，并且 缺少海上风机结构在各种复杂海洋环境荷载以及和地震联合作用下的静动力分 析的相关经验和技术。因此对极端海洋环境下海上风机结构进行随机非线性动力 响应分析及动力可靠性研究具有重要的意义，对海上风力发电事业具有重大的工 程实际应用价值。1.1 国外海上风力发电的发展现状海上风力发电的发展主要集中在欧洲。据统计，目前欧洲已建成的海上风电 场的总装机容量达3.5GW，欧洲风能协会预测，到2015年可达15GW，到2020 年可达40GW。近年来，北美、亚洲各国也积极开发海上风电。以2005年为例， 北美地区占据全球风电领域 25%的份额，总装机容量增长 37%

5、;2006 年，美国新 增装机容量2.5GW，高居世界之首。中国、韩国、日本、印度等亚洲主要风能大 国均积极投入到海上风电开发中。1.2 国内海上风力发电的发展现状中国风能资源丰富，可开发风力资源总量达10亿KW,其中陆地可开发风 力资源有近3亿kW,海上可开发风力资源总量有7亿kW。中国的海上风电产 业资源潜力巨大且市场条件良好。目前，亚洲最大的海上风力发电场上海的东海大桥海上风电场已全部完成 安装、调试。该风电场发出的电力将并入上海电网，可供上海 20 多万户居民使 用 1 年。东海大桥海上风电场的建成将大大减轻传统煤的使用量，减少二氧化碳 的排放量。据估计，每年可节约8.6 万吨标准煤，

6、减轻排放温室效应气体二氧化 碳 23.73 万吨 141。香港也即将在近海区域修建一座全球最大的海上风力发电厂， 该风力发电厂一预计年发电量达到 20OMW 以上，占用海域 16 平方公里，发出 的电力将接入香港电网，可为 8 万户家庭提供足够电力。据估计，每年可减少排 放二氧化碳量达 30 万吨。我国正在筹建的海上风电场。1.3 海上风力发电的技术特点海上风电场开发的优点有:海上风力资源丰富，风速高，比陆地风力发电 量大。离岸10km的风速通常比陆上高约25%;节约土地资源，受环境影响小。 减少噪声污染，降低叶片转动对公众视觉的冲击;海上风剪切度小。即风速 随高度的变化较小，因此，不需要很高

7、的支撑塔架，从而可以降低海上风力发电 机组的成本。海上湍流强度低，海平面摩擦力较小，作用在风力发电机组上的 疲劳载荷减少，延长了风电机组的使用寿命。海上风电场开发的缺点有 :安装 成本高，安装过程受天气环境的制约;运行、维护实施困难，直接导致机组可 利用率下降，影响发电量。基础昂贵;电网接入集成成本高；2. 海上风力机的基本概念2.1 海上风力机支承结构的结构形式 海上风力机的支承结构由塔架、基础及其两者连接件构成，基础与风机塔焊 接成一体，组成固定于海底的风车塔。塔上部依次安装机舱、轮毅、叶片等设备。 支承结构设计时应进行疲劳强度验算及模态分析，此外还应进行防冲保护。其典 型海上风机结构如图

8、 2.1 所示。图 2.1 海上风力机结构典型形式(1)近海风电机组塔身结构塔身结构依据其结构形式分为单柱式塔身和析架塔身两种，如图 2.2所式塔 身可从最简单的木杆，一直到大型钢管和混凝土管柱。一般单柱式塔身对风较小， 产生紊流的影响要比析架塔身小。析架塔身常用于中小型风力机上，其价不高， 运输也方便。但这种塔架会使下风向叶片产生很大的紊流。塔架为圆锥构，其高 度与水深、潮位、波高和叶片的大小直接相关，即与环境条件及单机发有关，通 常高7080m或更高，因此海平面上这一高度的风能更丰富。塔架由钢并轧辊成圆锥形，然后焊接成大型塔架分段部件。在距离海平面约 8m 处设有接近海平面 处设有船舶停靠

9、的装置。(2)近海风电机组基础结构形式moito4oweiTowerJmanopietripod orSub-structure图 2.3 海上风机结构基础形式图 2.2 海上风力机塔身结构典型形式-E- 4A.naHicF风电机组安装在海上，具有较高的外形，要承受风、波浪和水流的作用，只 有在牢固基础的前提下才能保证风电机组正常工作。海上风电机组采用了类似海洋平台的基础形式，可分成固定式和移动式，如 图 2.3 所示。目前，对采用类似移动式海洋平台基础的风电机组，还处于概念设 计和研究阶段，付诸实施需要克服除基础外的很多困难，且还需解决经济性能问 题。当前，已建成或正在筹建的海上风电场大多采

10、用类似固定式平台的基础形式。图2.3中的重力式基础(GravityBase)的基础深度48m，总高811.3m, 其混凝土基础总重量可达18001,安装此类基础需要地基处理。重力式基础通常 应用于油气开采，一般适用于水深超过40m的深海海域。个别风电场也采用此类 基础。图2.3中的单桩基础(Mon叩il eBase)目前应用最为广泛，它高4060m, 直径67m，重1504001,适用水深1025m。单桩基础实际是钢制塔架的延 伸，其制造工艺与塔架相似，但目前能够轧辊这种用于风车安装基础的大直径厚 卷材的设备很少。安装单桩需要打桩，且打桩需配备特殊夹具。这种基础不适合 岩石基础。图2.3中的吸

11、力式沉桶基础(TensionLegwithsuctionBuckets)适用于水深 3060m。桶型基础分为单柱和多柱吸力式沉箱基础。它有一个钢裙沉箱结构， 桶型基础适于砂性土及软粘土。单桶型沉箱基础施工安装费用较多桶型沉箱基础 的高。丹麦FrederikShaven在海上风电场的建设中首次使用了吸力式基础类型， 使用这种基础可节省钢材和海上施工时间，降低了成本，运输也较容易，有良好 的应用前景。2.1 风力机的型式和特点 风力机根据风轮结构和其在气流中的位置，可分为水平轴式风力机和垂直轴 式风力机。(1)水平轴风力机 水平轴风力机的特征是风轮围绕一个水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂 直。水

12、平轴风力机的风轮叶片是径向安置的，与旋转轴基本垂直，与风轮的旋转 平面成一定的角度，如图 2.4 所示。ir凤轮叶片4机雄+塔架轮毂高度：图 2.4 水平轴式风力发电机根据风轮与塔架相对位置的不同，水平轴风力机可分为上风向风力机与下风 向风力机，两者的区别主要在风先经过塔架还是先经过风轮。风先经过风轮，塔 架在后面的，叫做上风向风力机，上风向风力机必须有调向装置使风轮保持迎风; 风先经过塔架，风轮在后面的叫做下风向风力机，下风向风力机能够自动对准风 向，不需要调向装置。下风向风力机的缺点是，由于气流先通过塔架，后通过风 轮，塔架会对通过的气流形成干扰，形成所谓的塔影效应，使性能降低。 (2)垂

13、直轴风力机垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转，可以分为两种类别，一类是利用 空气动力的阻力做功，如 S 型风力机;另一类是利用翼型的升力做功，如达里厄 (Darrieus)型风力机，如图2.5所示。图 2.5 垂直轴式风力发电机垂直轴风力机可以接受来自任何方向的风，当风向改变时，无需对风。由于 不需调向装置，它们的结构设计得以简化。2.2 海上风机塔身结构形式和特点 海上风机的塔身根据其结构形式分为单柱式塔身和析架式塔身两种，如图2.6 示。单柱式塔身可从最简单的木杆，一直到大型钢管和混凝土管柱。单柱式 塔身对的阻力较小，产生紊流的影响要比彬架塔身小。析架塔身常用于中小型风 力机上。其点是造

14、价不高，运输也方便。缺点是会使下风向叶片产生很大的紊流。 对于浅海风机，下部支撑结构类型包括单桩、三脚架和导管架等支撑形式 ;对于 海分界，一般采用浮式平台类型。(1)单桩支撑结构单桩支撑结构是最简单的支撑型式，目前应用最广泛，如图2.7(a)所示。单 桩支撑结构直径一般为67m，重17550t，适用水深030m。单桩支撑结构实 际上是钢制架的延伸，它和塔架的连接有焊接连接和套管连接两种方式。单桩支 撑结构需要打桩，通过侧面桩土相互作用传递风机负载。(2)三脚架支撑结构三脚架支撑结构用三根中等直径的钢管桩定位于海底，三根钢管桩呈等边三 角形分布设置，均为垂直型式，桩顶通过钢套管与三脚架支撑结构

15、相连接，三脚 架的中心轴提供风力机塔架的基本支撑，类似单桩结构，如图2.7(b)所示。三脚 架支撑结构的尺寸通常为1520m，重125150t，适用水深2040m。(3) 导管架支撑结构典型的导管架式支撑结构为三腿或四腿结构，由圆柱钢管构成。如图 2.7 所 示。(4) 浮动平台结构浮动平台结构的基础尺寸为102Om，基础重量为100 一 400t，适用于水深 大于50m的海域，最高安装水深可达1000m以上，如图2.8所示。浮动平台结 构需要安装悬浮连接装置以及锚索。jacket何单牲塔架(Mono-pile)(b)导營勰塔架(Jacket)nwno-tocr图 2.6 海上风力机塔架结构典

16、型型式(al(b)三奔架fnigd)图 2.7 海上风力机支撑结构典型型式(c)导住集Jilt kcO图 2.8 张力腿浮动平台由于海上 7080m 的高空风能相对丰富，因此塔架多选为此高度。塔架具体 的高度还要根据波高、潮位、水深以及叶片的大小综合考虑才能确定。一般塔架 在接近海平面处设有船舶停靠的装置，距离海平面9m左右的位置设平台。塔架 的内部还设有电梯、电气设备和起居室等。2.3 海上风机基础的形式和特点海上风力发电机组的基础可分为桩基、重力基础（如图2.9a）和负压桶基（如图 2.9b）等。(a)靈力基础(jravityr base)(b)员压桶基(Suetiaii Bucket)图 2.9 海上风机结构的基