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能源危机与低碳经济是全世界面临的共同问题,风力发电是清洁的可再生新能源,近海是建设风力发电场的理想场所。但随着风机单机功率的增大,塔架一承台-基础桩组成的机组支撑体系,在波浪、潮汐、风、机电的动力荷载作用下的动力安全逐渐成为一关键技术难题。
本文依托东海大桥近海风电场示范工程,研究了近海风力发电机组的基础桩群潮汐水动力脉动特性、承台-桩群的结构动特性、支撑体系自振特性及多类荷载作用下结构的动力响应,分析评价其动力安全,取得以下成果:
(1)通过水工模型试验研究对称排列的8圆柱基础桩群潮汐流水动力脉动特性,使用PIV测量承台绕流流场。研究表明,雷诺数在亚临界区圆柱绕流的边界层和尾流均为湍流,且湍流中存在“疑似”脱落的旋涡。受邻桩影响8圆柱斜桩群脉动压力分布复杂:并列柱影响大于串列;受间隙流和尾流影响,柱内侧出现谷值,内外侧不对称；斜柱使分离层和尾流发生偏离,形成叠加产生较大的脉动压力峰值；柱群中流向两侧柱的脉动压力较大,分布规律较复杂。圆柱越多,小间距下St数越小,旋涡脱落频率越低,且此小间距比的上限范围越大。
(2)采用实验模态分析方法研究承台-桩群的结构动特性,对比潮汐水动力特性分析其流激振动。结果揭示,塔架-承台-桩群的整体弯曲模态频率远远脱离潮汐流脉动高能区,潮汐流脉动单独作用对基础桩振动影响不大,但波浪力的作用不容忽视。
(3)通过建立支撑体系有限元模型研究其自振特性,分析大功率风机质量、基础桩数量对自振特性影响。分析认为,风机质量对支撑体系低阶自振频率影响较大；桩数减少自振频率稍有降低,影响较小。在满足安全条件下,可以适量减少桩的数量以省投资,同时改善绕流流态。
(4)考虑水、风、机电各类动力荷载作用的机组支撑体系动力响应有限元计算得出,承台与桩群的位移较小,塔架顶部出现相对较大位移；位移响应与结构一阶自振振型相近,主要系潮汐流、风涡等低频动力作用；风是主要荷载,水力荷载次之,机电荷载基本可以忽略。支撑体系的动力安全应从塔架高度、水力脉动特性、基本风压、结构动力响应等方面综合分析评价。
本文在以下两方面有所创新:(1)通过水工模型试验研究8圆柱绕流脉动压力特性,采用PIV测量绕流流场；(2)考虑水、风、机电等各类动力荷载作用,综合采用水工模型试验、实验模态分析、有限元计算等多手段,从荷载特性、结构自振特性、位移与加速度响应等角度,分析评价机组支撑体系的动力安全。