半潜型风电浮式基础运动特性试验研究

针对5 MW海上风机半潜型浮式基础的运动特性进行模型试验研究,考虑系泊线、塔柱及叶片,采用1∶50的比例制作浮式基础在内的风机系统模型,设计加工了人工风场产生风载荷。通过无接触式光学六自由度三维运动测量仪测量模型在风浪联合作用下的运动响应,测试不同海况、不同风速下的风机系统运动响应,得到了风机系统的固有运动特性,幅频响应特性,以及定常风对浮式风机纵荡、垂荡、纵摇的影响规律。通过实验结果,评估了风机浮式基础在不同海况下的发电作业和生存能力。     

海上风机半潜式基础概念设计与水动力性能分析

针对5 MW海上风机动力响应较大的问题,提出了半潜型浮式基础的概念设计,研究了半潜式浮式基础在不同风浪环境下的运动响应和生存能力。考虑叶片空气动力载荷及风浪载荷,以及浮式基础与系泊系统的耦合,建立风机结构系统及水动力模型,采用动量－叶素理论计算叶片空气动力载荷,在频域范围内计算了载荷传递函数。计算分析浮式基础风机系统不同风浪情况下的时域动力响应,评估了半潜型浮式基础在极限海况下的生存能力。结果显示,半潜型浮式基础运动性能良好,且在极端海况下,各系泊缆安全系数均大于1．67,破损状况下安全系数均大于1．33,该浮式基础及其系泊系统具有足够的抵抗极端海况的能力。     

半潜型垂直轴风机纵荡下气动载荷特性

为了研究半潜式垂直轴浮式风机纵荡运动对风机气动载荷的影响,本文建立了5MW浮式风机、平台、系泊系统全非线性耦合的计算模型,采用流体固体交互方法和重叠网格技术对风浪双激励下平台纵荡运动时的风机气动载荷进行分析,研究了不同速比下纵荡运动对转矩系数、叶片推力系数、能量利用率的变化规律,并与相同速比下陆地垂直轴风机进行比较。结果表明:高速比下平台以较高纵荡均值做高频小幅振荡;回复运动时转矩系数大于正向运动时转矩系数;能量利用率系数在中低速比时大于陆地风机;叶片推力系数和转矩系数变化趋势相同。本文的研究结论对于分析浮式风力机叶片载荷和估算深远海风场年发电量具有理论指导意义。     

海上浮式垂直轴风力机的气动特性研究

海上垂直轴风力机受浮式基础运动的影响,气动载荷非常复杂,讨论浮式基础运动对风力机气动性能的影响尤为重要。本文分析叶片数量、翼型、形状和风轮实度对风机功率系数的影响,确定最佳风机结构参数;讨论塔柱与浮式基础运动对风机功率系数的影响。采用基于叶素动量理论的双致动盘多流管模型计算风机功率系数,运用CFD方法研究风机的气动特性,并与理论结果对比。结果表明:塔柱对风机功率的影响在大尖速比时更为明显;基础的垂荡运动会影响风机的功率系数,不同尖速比的影响结果不同;尖速比增大,不同垂荡周期的基础运动影响差别逐渐显现。     

含温湿效应的复合材料风机叶片的破坏

针对复合材料风机叶片在温湿环境下的早期失效问题,采用有限元数值模拟方法研究了考虑了风载荷和温湿载荷共同作用下叶片的逐步破坏行为和破坏机理。将风机叶片简化为悬臂梁模型,进行了三维建模,对蒙皮、腹板和主梁均采用板壳单元进行离散,分别讨论了在不同温度及湿度条件下,环境因素对复合材料风机叶片材料性能的影响,并分析了叶片刚度、强度的变化及破坏情况。同时引入基于应变分布的三维Hashin失效准则,利用有限元分析软件ABAQUS对风机叶片进行刚度和破坏分析,讨论了风载下复合材料风机叶片的逐步破坏行为以及温湿载荷对风机叶片强度和刚度的影响。分析结果表明,高温湿润的环境对复合材料风机叶片材料性能影响很大,导致叶片的强度和刚度均有不同程度的降低。     

风机叶片设计二次开发与气动性能仿真

为了提高叶片设计的精度和效率,根据风机叶片设计的相关理论和方法,对叶片气动外形设计进行研究.以20 kW风机叶片为例,在Wilson法的基础上,利用VB、VC++等编程语言在SolidWorks平台上开发叶片气动外形设计及建模的应用系统.根据输入的设计参数自动生成叶片的三维实体模型,省去了以往设计过程中生成的大量数据的转换和存储,实现叶片的高效,智能化设计.为了对设计结果进行评估,同时验证设计的有效性,针对设计好的叶片模型进行流场仿真分析.结果表明,提出的叶片设计与建模方法能够有效提高风能利用率,缩短风机叶片设计周期,可用于企业对叶片的设计研发,并为叶片结构有限元分析和优化设计平台奠定基础.     

瓦斯爆炸对风机叶片及防爆门的冲击载荷特性

抗冲击变形、及时开启泄压、多次快速复位的新型防爆门装置对于提高主要通风机和防爆门协同抗灾能力具有重要的意义,本文以宁煤羊场湾二井为例,通过理论分析和数值模拟对井下掘进工作面发生瓦斯爆炸时回风立井防爆门和主要通风机冲击载荷进行研究,建立井下发生瓦斯爆炸时回风立井防爆门和主要通风机冲击载荷数值解算的数学模型和三维物理模型;通过数值模拟,得到了不同爆炸当量条件下风机叶片和防爆门承受冲击载荷的变化规律;根据不同安全系数条件下的风机叶片弯曲破坏容许最大弯矩,确定了风机叶片不同安全系数条件下防爆门的开启压力.研究结果可为防爆门和风机叶片强度设计、压力传感器位置选取提供理论依据.     

基于规定性能方法的海上浮式风机独立变桨控制

针对复杂海洋环境的干扰问题和海上浮式风机本身结构的强非线性、时变性问题，本文提出一种有限时间规定性能方法，保持浮式风机输出功率稳定，并减小风机结构载荷。有限时间规定性能引入收敛的性能函数来约束功率的波动，可以良好的适应浮式风机高度非线性系统，并且不需要精确的系统动力学模型。把该方法应用于统一变桨和独立变桨控制实现了功率调节、平台俯仰运动控制和叶片疲劳载荷的降低。在FAST上进行仿真试验验证该方法具有良好的性能。     

风浪异向时单点系泊浮式风力机运动性能分析

针对一种具有"风标效应"的新式单点系泊半潜型浮式风力机,建立了风机-塔柱-基础-系泊线耦合的分析模型,采用叶素动量理论计算叶片空气动力载荷,采用混合模型计算波浪载荷。通过风力机数值仿真软件FAST对该新型浮式风力机进行数值模拟,研究不同环境载荷方向下,单点系泊浮式风力机的"风标效应"和运动性能。时域计算结果表明,当风载荷和波浪载荷的入射方向不同时,采用单点系泊的浮式风力机依然可以实现自动对风的功能。对频域结果分析发现,风载荷主要影响浮式基础的平衡位置,波浪载荷主要影响在平衡位置附近的振荡运动。由此可见,相比于浮式基础受到的定常波浪力,风轮上的推力更占据主导地位。     

桩土参数对海上风机基础结构动力特性的影响分析

基于风机基础结构的动力学响应模型,考虑桩土相互作用对海上风机桩基础结构力学特性的影响,进行了主要桩土参数对基础结构动力响应的敏感度分析研究。结果表明,桩土参数对结构动力响应有显著影响,不同参数对于结构动力响应的敏感度不同,不同土壤的同一参数对于结构的动力响应敏感度亦不同。并给出了全粘土、全砂土、半粘土半砂土3种地基模型中参数敏感度大小排序,对海上风机基础结构的设计具有重要指导意义。     

不同波浪理论下风机支撑系统的动力响应

针对海上风机动力响应问题,依据修正的小振幅波理论、Airy波理论以及Stokes五阶波浪理论,建立了风机系统模型,输入P-y曲线,并模拟施加波浪、潮流荷载、风荷载等,得到了不同波浪理论下风机支撑系统的动力响应。结果表明,不同波浪理论下支撑系统最大水平位移、转角和弯矩均存在一定差异,振型和自振频率基本一致,Stokes五阶波浪对整个支撑系统的影响最显著,其次是Airy波和经修正的小振幅波。在风机设计时必须选择合适的波浪理论,分析风机在风浪流作用下的动力响应,为风机承载设计和疲劳设计提供基础资料。     

风机的噪声与降噪研究

本文通过对风机主要噪声源及频谱、噪声特性的分析,提出了风机结构、气动参数对气动噪声的影响．对国内离心、轴流风机噪声控制的一般方法进行了归类总结,并对国外离心、轴流风机噪声控制的研究方向及方法作了简介．本文可供从事风机设计与制造的工作人员作为参考．     

浮动平台内TMD对Barge式海上浮动风机的振动抑制研究

在Barge式浮动风机的平台内配置调谐质量阻尼器(TMD),首先建立了海上浮动风机的三自由度动力学简化模型,并分别采用工程调频法和遗传算法(GA)寻求最优TMD参数;然后通过计算5种典型风浪载荷工况下有/无TMD的浮动风机的动态响应,研究了TMD在真实海洋环境中对风机的抑振增稳效果;最后在不改变Barge式浮动风机原设计的前提下,将风机部分压舱物等质量替换为TMD,研究了TMD在5种工况下的减振性能。结果表明:最优参数的TMD可使浮动平台俯仰角标准差的抑制率达到47.95%;用TMD替换部分压舱物后,平台俯仰角的减振率可达50%。因此,平台压舱物等质量替换为TMD后,可显著减少风机关键部位的振动响应及载荷。     

鼓风机设计与降低风机噪声

本文从鼓风机噪声的产生及频谱分析,提出风机设计中以降低噪声的观点,对蜗舌间隙,舌尖半径,蜗舌位置角及蜗舌倾斜度;对风机进口流场,集风器的当量收缩角,直径及型线,与叶轮前板的匹配;对于叶片的叶型及角度等都作了分析,有的按国内外经验提出了参考数值。并对设计与制造工艺中影响风机机械噪声的声源指出了注意点。     

风机叶片的几何形状研究

从提高轴流式风机的综合性能出发,运用气动设计原理-基元级进出口速度三角形,分析了风机叶片的扭曲原因和扭曲规律。并运用工程图学的理论,重点对扭曲叶片进行了几何形状分析,在此基础上导出了叶片 的数学表达式,为叶片的精确设计及制造提供理论依据。     

风机叶片的几何形状研究

从提高轴流式风机的综合性能出发,运用气动设计原理--基元级进出口速度三角形,分析了风机叶片的扭曲原因和扭曲规律.并运用工程图学的理论,重点对扭曲叶片进行了几何形状分析,在此基础上导出了叶片的数学表达式,为叶片的精确设计及制造提供理论依据.     

风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响

为分析非高斯风荷载作用下风机结构的疲劳寿命,在穿越模型基础上,根据Monte Carlo模拟生成某典型风机正常风速条件下,高斯、非高斯硬化和软化3种风场的风速时程,用于分析风场的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响.由叶片的气动模型和多体动力,计算出风机的动力响应,并对响应的时域特性进行分析.基于线性损伤累积和线性裂纹扩展理论,对裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命进行详细讨论.结果表明:不同概率特性风场作用下风机动力响应的最大值有所不同,且风机响应的非高斯性较风场的非高斯性减弱;在年平均风速较小地区,风场的非高斯性对风机疲劳寿命影响较小;但随着年平均风速的增大,非高斯性对疲劳寿命的影响显著增大,当年平均风速为7 m/s和9 m/s时,相较于高斯风场,软化过程的裂纹形成寿命减小约10%.因此,在年平均风速较大地区,需要考虑风场的软化特性对风机结构疲劳损伤的影响.     

风机叶片监测研究

介绍了风力发电的意义、风机发电原理及风力发电远程监测系统概述,并在采集风机叶片声学信号的基础上设计了低通滤波器和定向耦合器并将其用于信号处理.通过它们的应用阻止了无用的高频信号,抵消了大部分噪声干扰,提高了信噪比,使通过的数据更具有代表性.     

张力腿浮式风机筋腱失效模式下瞬态响应分析

针对风力机-张力腿型支撑平台-筋腱耦合系统,对全耦合动力学仿真软件FAST的系泊载荷计算模块进行二次开发,采用时域分析方法对张力腿浮式风机（FOWT）WindStar TLP system筋腱失效模式下的瞬态响应进行数值仿真分析.重点研究50 a一遇海况中不同浪向下的浮式风力机支撑平台运动、机舱加速度和筋腱张力等关键参数的瞬态响应.结果表明：在该工况下支撑平台运动、机舱加速度、筋腱张力的瞬态响应较显著;失效筋腱位于背浪侧时的浮式风力机瞬态响应大于失效筋腱位于迎浪侧时的浮式风力机瞬态响应,当位于背浪侧的失效筋腱与波浪共线时,浮式风力机瞬态响应最大;在极端海况中筋腱失效模式下的筋腱系统安全系数符合美国船级社规范要求,表明该张力腿型浮式风力机具备较好的自存性.     

张力腿浮式风机筋腱失效模式下瞬态响应分析

针对风力机-张力腿型支撑平台-筋腱耦合系统,对全耦合动力学仿真软件FAST的系泊载荷计算模块进行二次开发,采用时域分析方法对张力腿浮式风机（FOWT）WindStar TLP system筋腱失效模式下的瞬态响应进行数值仿真分析. 重点研究50 a一遇海况中不同浪向下的浮式风力机支撑平台运动、机舱加速度和筋腱张力等关键参数的瞬态响应. 结果表明：在该工况下支撑平台运动、机舱加速度、筋腱张力的瞬态响应较显著;失效筋腱位于背浪侧时的浮式风力机瞬态响应大于失效筋腱位于迎浪侧时的浮式风力机瞬态响应,当位于背浪侧的失效筋腱与波浪共线时,浮式风力机瞬态响应最大;在极端海况中筋腱失效模式下的筋腱系统安全系数符合美国船级社规范要求,表明该张力腿型浮式风力机具备较好的自存性.