浅析海上风电灌浆连接段力学研究发展及趋势

  目的  海上风电机组基础与上部结构连接通常采用灌浆连接方式，保证灌浆连接段的安全性至关重要，灌浆连接段的研究一直是重点和难点。  方法  对过往海上风电灌浆连接段的相关力学研究进行综述，介绍了海上风电灌浆材料的基本力学性能，总结了灌浆连接段的受力机理和影响承载力的因素，并对现有规范设计和未来研究方向进行阐述。  结果  灌浆连接段对灌浆材料的使用要求严苛，需要使用高强灌浆料。在轴压作用下，灌浆连接段通常表现为斜压短柱的延性破坏模式，承载力主要受到灌浆连接段径向刚度、剪力键的高距比和形状、灌浆连接段长径比以及灌浆材料强度的影响。相关设计规范对极限承载力的设计均有明确的设计方法，但在疲劳设计方面研究较少，存在不完善的情况。  结论  因此，尚需进一步研究灌浆连接段浸没在水中的疲劳性能。同时，未来在试验研究上需要采用足尺或小缩尺的试件，在数值研究上需要采用精细化的数值模型进行分析。     

海上风机灌浆连接段应力评价方法探析

  [目的]  灌浆连接段被广泛应用于海上风机支撑结构与基础的连接,其力学性能对整个风机的可靠性至关重要。为了探寻对灌浆连接段合适的应力评价方法,文章进行了有限元模拟分析。  [方法]  通过建立数值模型来探究灌浆连接段在给定的压弯荷载下的应力分布情况,提出用名义平均应力和应力相关系数的概念来评价其总体应力水平,最后研究了各种参数对连接段力学性能的影响,并确定了在各参数变化条件下应力相关系数的范围。  [结果]  参数分析的结果显示剪力键的位置对灌浆连接段钢管的Mises应力和浆体的Tresca应力有较大的影响。并且钢管的厚度与最大应力具有负相关性。同时发现,灌浆层的最大Tresca应力仅对自身厚度的变化较为敏感,而对钢管厚度变化不敏感。最后,根据参数分析确定的应力相关系数在3到6之间。  [结论]  参数分析结果可以为灌浆连接段设计提供参考,而应力相关系数能够被应用于初步评估灌浆连接段在联合荷载作用下的力学性能。     

泄漏孔径对特高压GIL管SF6泄漏影响的混合数值模拟

  目的  为了分析具有6 km跨度特高压GIL内SF₆泄漏气体的泄压过程及其扩散形态,提出了一种一、三维混合CFD计算方法。利用1D Flowmaster研究具有不同孔径的泄漏口对SF₆泄压过程的影响。利用3D Fluent分析SF₆在管廊内的扩散形态、浓度分布。  方法  为了验证混合数值方法的准确性,对比了1D Flowmaster和3D Fluent对同一管廊结构SF₆泄压过程的计算结果。  结果  仿真对比结果表明,Flowmaster模拟泄压过程具有计算速度快、精度高的特点。  结论  结合通风设计要求,获得基于泄漏孔径区间的轻度、中度、重度泄漏事故分类及对应扩散形态、浓度分布等重要数据,可为实际应用设计、事故处理提供指导。     

海底电缆铺设过程中受力特性数值模拟研究

  目的  以江苏启东某海上风电场建设项目为工程背景,开展海底电缆铺设过程中的力学特性数值模拟研究,分析不同挖沟深度的工况下海缆悬跨段的局部应力分布情况。  方法  基于ABAQUS数值模拟软件,建立海底电缆埋设数值模型。  结果  研究结果显示:海底电缆后缘提升点在埋设过程中的应力相较于埋设作业前显著增大,该位置的缆线在整个埋设过程中受力最大,是最危险的位置;挖沟深度对海底电缆后缘提升点处的应力有显著影响,随着挖沟深度的增加,后缘提升点处的应力相应增大。  结论  海底电缆铺设作业中应加强保护抬升点处的缆线材料,缆线的屈服应力参数选取应着重参考埋设作业中缆线的受力分析结果。研究成果可为海底电缆铺设作业提供参考依据。     

海上风机导管架基础灌浆连接段受力分析

开展近海风电导管架基础的灌浆连接段受力分析,对于理解其传力机制与受理机理、保证海上风机支撑结构的安全性能、优化设计等方面具有重要的理论与现实意义。首先利用DNV规范对影响灌浆连接段性能的因素开展参数敏感性分析,再运用有限元软件对导管架基础的灌浆连接段进行模拟,该软件能有效模拟浆体与钢管壁的接触以及浆体的本构关系。根据规范进行的参数敏感性分析,得出一些重要规律和结论,便于工程设计人员更好地理解先桩法导管架基础灌浆连接段的受力特点,选择合适的参数用于灌浆连接段设计,再依据数值模拟,确定导管架基础灌浆连接段设计的可靠性。     

大连海上风电单桩抗冰锥结构灌浆施工研究

  目的  抗冰锥结构是北方海上风电单桩基础结构的特有结构。抗冰锥结构的安装施工是单桩基础施工的重点和难点之一,灌浆连接技术通过装配化施工方式成功解决这一难题。大连某海上风电项目在国内首次采用单桩抗冰锥结构。  方法  以该项目抗冰锥灌浆施工的工程实践为依托,研究总结单桩抗冰锥灌浆施工关键技术,内容包括安装准备、灌浆材料选择、灌浆管路设计与优化、灌浆封堵等技术和灌浆施工质量控制等。  结果  采用自主研发的优固特 SKG-V高强灌浆料、集装箱小型一体化海上风电灌浆专用设备和自主研发的水下灌浆工艺,材料和施工性能均满足要求,成功完成国内首批单桩抗冰锥结构与单桩之间的灌浆连接。  结论  该材料和技术有望在我国北方海上风电单桩基础结构中大量推广应用。     

八地脚螺栓柔性塔座板承载力研究

  [目的]  随着输电线路的荷载越来越大，为了满足受力要求，铁塔与基础的连接型式广泛采用八地脚螺栓柔性塔座板，现有规范体系对该型式塔座板的相关计算方法尚无规定，故需对承载力进行研究。  [方法]  通过理论分析、数值模拟和真型试验等方式对八地脚螺栓柔性塔座板的承载力进行了研究。  [结果]  研究表明:受拉状态下底板应力呈非均匀分布状态。  [结论]  提出了全新的计算方法，对工程设计具有一定的借鉴意义。     

软基路堤拓宽对原路堤桩体受力特性的影响

      目的     交通量日趋饱和与建设用地日益紧张促使道路需要进行拓宽改建,为了进一步研究路堤拓宽时的稳定性,对软基路堤拓宽时原路堤下桩体受力特性的变化进行分析。      方法     采用Abaqus对离心机模型验证后,分别建立拓宽路堤与原路堤有限元三维数值模型进行对比分析,研究拓宽路堤自重、不同拓宽路堤土体参数对原路堤下不同位置桩体的受力和变形性状以及破坏模式的影响。      结果     数值仿真结果表明:路堤下各桩对抗滑的贡献不同,接近坡脚的桩主要受弯剪作用,远离坡脚的桩主要受轴力作用;拓宽路堤土体自重使得原路堤下桩体所受弯矩及剪力减小,所受轴力增大,越靠近拓宽路堤的桩受影响越大,原路堤下桩体的位移增大,其中靠近原坡脚处的竖向位移增量最大,横向位移增量最大处位于原路堤中部;拓宽路堤土体重度能显著影响原路堤的竖向位移,而其变形模量和强度参数对原路堤的竖向位移影响不明显;路堤拓宽后在荷载作用下,原路堤下桩体的受力特性较拓宽前会发生改变,潜在破坏模式由弯剪区、压弯区和受压区三个分区变为压弯区和受压区。      结论     所建模型能较好验证离心机试验结果,研究结果能对路堤拓宽的稳定性分析提供指导。     

ITER高功率磁场抗扰度测试系统研究

  目的  为了保证设备的安全稳定运行,受国际热核实验堆（ITER）组织监管的电力电子设备必须通过相关的磁场抗扰度测试。  方法  以ITER要求为基准,定义了所需测试系统的参数要求,选择方形螺线管线圈和方形三线圈作为研究对象,通过数值计算方法计算出最优性能的结构参数,并使用有限元的方法验证计算的正确性。  结果  对比两种线圈型式,选择功耗较小的螺线管作为最终的结构。然后以此参数为基准,分析了直流暂态的功率拓扑,计算了相关参数,确定了最终电源所需要的性能数据。  结论  研究为ITER高功率磁场抗扰度测试系统的感应线圈及其电源的设计提供了详细的计算过程和设计参考。     

塔式太阳能-超临界CO2发电系统集成与优化

  [目的]  传统塔式太阳能热发电效率较低,采用超临界CO₂（sCO₂）布雷顿循环集成太阳能发电可有效提高系统效率。  [方法]  采用联立方程法建立塔式太阳能集热发电（CSP）和sCO₂布雷顿循环集成系统的非线性规划数学模型以辅助系统分析与优化。模型包含太阳能集热子系统、sCO₂布雷顿循环以及高精度CO₂状态方程的约束,无需调用外部CO₂物性数据,可实现对集成系统任意数量的设计变量的同步优化。将模型应用于塔式CSP与sCO₂简单回热布雷顿循环和再压缩布雷顿循环系统的案例研究,优化系统并分析设计变量对系统效率的影响。  [结果]  研究结果表明:集成再压缩循环系统最大热效率达29.4%,高于简单循环系统的24.9%。再压缩循环的最优透平入口温度为901 K、最优膨胀比约为3;简单循环的最优透平入口温度为826 K、最优膨胀比皆大于3.2。  [结论]  系统存在最优的透平入口温度,提高透平入口温度可提高系统效率,但过高的温度会导致系统效率下降;系统存在最优膨胀比,膨胀比对集成再压缩循环系统的热效率影响较小,但对集成简单循环系统效率的影响较大。     

上风向山头对风电机组的安全性影响研究

  目的  由于生态保护和风场边界等条件的限制,有些机位点的主风向方向存在明显山头障碍物遮挡,影响了机组的发电量和安全性能,文章旨在研究减小山头对机组影响的方法。  方法  基于STAR-CCM+软件平台对主风向上有山头遮挡的机位点附近地形进行了数值模拟,分析了扇区管理、提高轮毂高度、地形修整等方法对机组的安全影响。  结果  结果表明:扇区管理、提高轮毂高度和地形修整都能改善风机的安全性。但在该项目中,采用双平台的地形修整的方法对改善风机安全性更加有效。  结论  分析结果可为如何降低来风方向的山头对风机的影响提供方法参考。     

基于CFD的复杂地形风电机组机位微地形风资源数值模拟研究

  [目的]  在复杂地形进行风电机组建设时,机位点周围易形成高边坡地形,改变了风资源分布特征,影响机组发电量和安全性能,文章旨在研究高边坡地形的影响因素和预防其对机组的危害。  [方法]  基于STAR-CCM+软件平台对实际风电场机组高边坡地形进行了数值模拟,分析了立机位置选择、坡度、开挖深度等因素对机位处风资源参数的影响。  [结果]  结果表明:高边坡改变了原地形风的加速效应,产生大幅度的流体分离。当高边坡位于机组上风向时,机组下叶尖易产生较大的风切变,湍流强度超标,而高边坡在机组下风向时,机位处风资源参数则正常;高边坡的坡度大小对坡前立机风参数无显著影响;当下叶尖高度低于边坡高度时,机组位置下叶尖风速很小,切变值易超标。  [结论]  分析结果可为高边坡地形机组施工平台设计和塔筒高度选择提供参考。     

海上风电嵌岩区风机基础比选原则及依据

  [目的]  随着海上风能的开发中心从江苏扩大至广东、福建等省份,海上风机基础的嵌岩问题已逐步成为海上风能开发中的核心问题,嵌岩区的风机基础造价严重制约着海上风电场的成本,因此海上风电嵌岩区的风机基础比选就显得尤为关键。  [方法]  讨论了几种风机基础的嵌岩施工工艺,探讨了嵌岩区海上风机基础的比选依据及原则,并对海上风电嵌岩问题的发展进行展望。  [结果]  研究表明:海上风电场嵌岩区域风机基础方案的比选原则应主要从结构安全性、施工可行性和经济性三个方面进行综合比选。在上述三个比选因素中,应首先满足结构安全性上的要求,在此基础上再满足施工可行性的要求,最后考虑经济性的影响。  [结论]  研究成果可为嵌岩区海上风电风机基础设计提供参考。     

海上风电场对鸟类的影响及其危害预防

  目的  风能作为公认的最成熟的可再生能源技术之一,近年来发展迅速。中国在近年开发了大量的海上风电项目。但风电场对环境,尤其是对鸟类的影响引发了人们大量的担忧和研究。在碳达峰实现之前,我国的海上风能产业将持续增长,需要全面了解风电场对鸟类的影响。  方法  通过总结现有研究,对海上风电场引起的鸟类问题进行了综述,并讨论了可将对鸟类不利环境影响降至最低的预防和缓解措施。  结果  研究表明:危害鸟类生存的风电问题主要有风力涡轮机叶片撞击和风机运行噪音两方面的原因,尚无明确的证据表明鸟类会受到电磁场的影响。风电场的运行可能造成鸟类栖息地的变迁、繁殖和交流的受阻以及种群结构的改变等。人们可以通过风电场选址、风电场形态及风机叶片和桩机结构设计、遥感与视频监控等方式减少风电场对鸟类的不利影响。  结论  对风电场鸟类开展更加深入的研究,将有利于我们掌握海上风电场开发建设及运营相关的鸟类生态学基本规律,形成降低生态环境负面影响的科学决策。     

海上风电船机与风电设备故障分析及应对策略综述

[目的]海上风电船机及风电设备故障时常发生.为了减少风电故障发生的频率,需要对安装船机设备提出新的设计要求和具体故障的应对策略.[方法]通过对风电船机及设备的故障类型的对比研究分析,深入剖析各个故障类型发生的原因并提出相对应的应对策略.[结果]海上风电工程建设中,安装船机及风电设备主体是两大工程器械,也是施工过程中出现...     

不同边界条件下吸力筒导管架式海上风电振动特性分析

  目的  吸力筒导管架是一种具备许多优点的新型海上风电基础,其振动特性与传统基础有着明显的不同。正确处理无限域地基的边界条件对准确分析振动问题至关重要,故对不同边界条件下吸力筒导管架式海上风电的振动特性进行分析。  方法  以某吸力筒导管架式海上风电为分析对象,在ANSYS APDL中建立结构与土体耦合的全三维有限元模型,研究边界条件对自振频率的影响并对相关参数进行敏感性分析。  结果  不同边界条件对整机固有频率影响较大,改变边界条件对结构轴向刚度和扭转刚度的影响大于对弯曲刚度的影响,整机固有频率随着粘弹性边界弹簧刚度、土体弹性模量和筒土摩擦系数的增大而增大。  结论  分析了影响整机固有频率计算精度的相关因素,可为工程计算提供参考。     

山地风电项目开发与建设管理探讨

  [目的]  山地风电项目的开发与建设管理对比火电项目有着较大的差异,因此必须探索适应风电特点的开发与建设模式,从而有效规避风电开发中的系统性风险,保证建设项目的可持续竞争力。  [方法]  就山地风电场的开发与建设的过程中存在的难点和关键点进行论述,对山地风电场的开发与管理工作进行分析探讨。  [结果]  研究表明:应针对山地风电建设的特点,转变以往粗放式管理观念,推进精细化设计管理,做好测风与风资源评估、主机设备选型、微观选址、道路设计等阶段的工作成果,并在现场施工管理重点关注体系化质量、标准化安全、目标化工期和常态化沟通管理工作。  [结论]  管理经验对风电场顺利建设并成功运营,提升山地风电建设水平,推动我国风电产业的健康发展具有重要的借鉴意义。