新型半潜式浮式风机动力特性试验研究

以新型半潜式浮式风机系统为研究对象,建立全耦合物理水池试验模型。通过系列水池模型试验,对浮式风机的固有特征和多物理场全耦合作用下系统总体响应进行试验研究。研究结果表明,系统六自由度固有周期均远离实际海上波浪频率范围,作业环境3.92 m有义波高和极端环境9.5 m有义波高下纵/横摇运动最大值显著小于设计要求最大值约50%和10%,这表明新型浮式平台具有优良的运动稳性。试验中还发现,作业过程中塔筒顶部载荷存在叶片3P振动与塔筒一阶固有频率多模态叠加谐振现象,应当在结构优化中给予关注。     

新型漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊研究

提出漂浮式风力机Spar平台安装螺旋布置扰流片的设计方法，通过对水动力学软件AQWA的二次开发，实现风波作用下浮式风力机动态响应的求解，对比研究扰流片螺旋布置高度对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响以及对扰流片平台安装系泊配重后对平台动态响应与系泊张力的影响。结果表明：扰流片平台的辐射阻尼较原平台在纵荡、垂荡、纵摇方向上均有所提升；扰流片平台的纵荡、垂荡、纵摇幅值响应算子较原平台均有所降低；随扰流片布置高度提升对平台纵摇方向运动响应抑制效果最好、垂荡方向次之。在风波耦合作用下，扰流片能够降低平台纵荡、纵摇响应，一定程度上抑制垂荡运动响应；安装扰流片可降低风力机转子推力、平台系泊张力有所上升；对系泊安装配重浮筒，在有效降低系泊张力的同时能够抑制平台纵荡、垂荡运动响应，对纵摇运动影响较小。     

风浪不共线对浮式风机基础动态特性影响研究

旨在研究风载方向和波浪方向不共线对浮式风机基础动态特性影响。以5 MW浮式风机为研究对象,采用等效载荷法模拟空气动力载荷,建立浮式风机系统耦合动力学模型,研究风浪呈0°、30°、60°和90°夹角工况时,浮式风机基础动态特性变化。结果表明:风浪不共线对浮式平台纵荡和横荡运动平衡位置影响很大,对垂荡运动响应影响很小。随着风浪夹角增大,横摇和艏摇运动振荡范围增大,纵摇运动振荡范围减小。风浪不共线使得系泊系统张力响应变化明显,张力变化趋势与平台运动及系泊布置有关。     

半潜式海洋平台风场模拟及风浪致结构动力效应分析

研究半潜式海洋平台风压风载模拟,分析风浪致结构动力效应。以我国先进的海洋石油981平台为工程背景,运用FLUENT软件进行脉动风作用下结构的非稳态分析,针对平台不同倾斜度,计算不同入射风向角下平台的整体风载荷,确定最不利工况条件。利用ANSYS软件建立半潜式海洋平台主体和锚泊系统的一体化有限元力学模型,数值模拟随机风荷载和随机波浪荷载,计算最不利工况时在风浪荷载联合作用下半潜式海洋平台结构系统的动力响应,分析其动力响应规律,为海洋平台的设计及安全运行提供依据。     

深水半潜式平台Mathieu不稳定问题研究

半潜式平台的垂荡运动相对较大, 当平台的纵摇固有有周期和垂荡固有周期处于一定的倍数关系时, 平台的纵摇/横摇运动可能落入Mathieu不稳定区。该文对半潜式平台Mathieu 方程进行了推导, 获得了各参数的计算公式;根据Mathieu不稳定图谱或数值计算方法, 可判断纵摇/横摇运动的稳定性。选取了一个生存状态下的半潜式平台为算例, 分析了平台发生Mathieu 不稳定问题的条件, 并通过调整关键参数抑制不稳定问题的发生, 从而获得了避免Mathieu不稳定问题的工程措施, 为今后半潜式平台设计提供参考。     

半潜式海上风力机流固耦合特性分析

根据美国国家可再生能源实验室给出的风力机数据,利用Pro E软件建立5 MW半潜式海上风力机模型,通过仿真软件进行双向流固耦合模拟,探究基于双向流固耦合半潜式风力机风轮在耦合作用时产生的形变及等效应力应变情况。通过分析风力机自存状态以及不同风浪条件下风力机的运行情况可知：作为风力机最重要的部分,风力机叶轮随着转速增大,产生的形变增大,同时形变峰值会越早出现;风轮最大等效应力出现于运行初始阶段,随着时间的推移,应力最终稳定在一定范围内;风力机的形变程度随风速的增大而增大;在风力机运行过程中系泊缆随浮筒一起做周期性运动。研究结果可为海上半潜式风力机安全稳定运行提供参考,同时为设计海上半潜式风力机提供借鉴。     

不同变桨控制对海上风力机漂浮稳定性影响研究

海上风力机叶片变桨将会影响支撑平台的动态响应特性即海上风力机的漂浮稳定性,而海上风力机的漂浮稳定性是影响其有效利用深海区域风能的重要因素。因此,在开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台上,建立干扰自适应控制(DAC),并与FAST原有控制策略对比分析,研究不同控制策略对海上风力机漂浮稳定性的影响。结果表明:较之FAST控制策略,在DAC作用下海上风力机风轮转速及输出功率波动更小,但海上风力机平台动态响应较大;不同控制策略对于海上风力机漂浮稳定性的影响主要集中在纵摇及纵荡;在海上风力机的变桨控制策略设计时应该首先避免纵摇方向的固有频率以提高海上风力机漂浮稳定性。研究结果以期为设计更适合海上风力机的变桨控制器提供理论基础与现实途径。     

Spar平台垂荡-纵摇与月池内流体垂向振动的耦合运动研究

考虑半开口月池,研究桁架式Spar平台垂荡、纵摇、月池内流体垂向振动的耦合运动。建立了平台垂荡-纵摇-月池内流体垂向振动的耦合运动方程,推导了月池内流体对平台垂荡和纵摇运动产生的力和力矩。针对三种工况,即不考虑月池开口、月池开孔率为30%和70%,数值计算了耦合系统的运动响应,分析了月池内流体对平台垂荡和纵摇运动的影响,结果表明,月池内流体对平台主体垂荡有抑制作用,且抑制程度与月池开孔面积有关;对于70%的开孔率,平台垂荡响应RAO曲线在月池流体垂向振动固有周期附近出现高频峰值;70%开孔率时,月池内流体的运动远大于30%开孔率的情况;考虑月池开口后,平台的纵摇响应变化较小。最后,分析了耦合参数对平台及月池内流体运动的影响。     

全潜式浮式风机基础在不同风况下的动力特性研究

综合半潜式、Spar式、张力腿式浮式风机基础的特点,提出一种新型全潜式浮式风机基础,并采用FAST软件耦合水动力-空气动力-控制系统-系泊系统对不同风况下的浮式风机及全潜式浮式基础的动力特性进行分析。分析结果表明全潜式浮式风机塔筒的自振频率及基础六自由度的自振频率能够较好的避开常见海浪的频率及风机运行频率1P、3P等。全潜式浮式风机在不同风况下具有较好的运动特性,全潜式浮式风机基础在不同风况下的横荡、垂荡、纵摇与风机在不同风速下受到的推力相关。     

三种漂浮式风力机调谐质量阻尼器稳定性控制研究

漂浮式风力机平稳运行是海上风电场建设的基本要求。为对比调谐质量阻尼器(TMD)对不同漂浮式风力机稳定性的控制效果,选取驳船型(Barge型)、浮柱型(Spar型)及半潜型(Semi型)3种漂浮式风力机,在机舱中配置TMD进行控制,研究3种漂浮式风力机在风、浪及流载荷联合作用下的稳定性控制效果。结果表明:无TMD控制时,Barge型漂浮式风力机响应幅度远大于Spar型和Semi型漂浮式风力机;TMD控制后,Barge型漂浮式风力机的响应大幅度减小,在平台首摇和塔顶左右方向上,分别接近Spar型和Semi型漂浮式风力机;TMD对不同类型的漂浮式风力机控制效果不同,Barge型漂浮式风力机控制的效果最好,其次是Spar型,Semi型控制效果最差。研究结果可以为漂浮式风力机的设计和开发提供理论参考。     

抑制海上浮式风力机振动的TMD限位策略研究

调谐质量阻尼器(TMD)能有效抑制海上浮式风力机的振动响应。风浪作用下,TMD将产生较大的振幅,和风机结构发生碰撞,严重影响风机结构安全,故必须对TMD进行限位设计。针对此问题,在Barge式风力机机舱中配置TMD,提出了3种TMD限位策略:阻尼限位策略、刚度限位策略及联合限位策略。采用拉格朗日方程,建立TMD行程受限的海上浮式风力机3自由度动力学模型,研究了不同限位策略下TMD的抑振效果。结果表明:采用联合限位策略,可以避免单一限位策略的缺陷,此时,TMD最大行程为7.85 m,对塔顶纵向位移和平台纵摇角标准差的抑制率分别为40.01%和61.78%。     

风浪作用下HYSY-981半潜式平台动力响应的数值模拟

半潜式平台是适用于深水油气开发的一种浮式平台,平台的运动响应与锚泊系统的张力是平台结构设计或优化设计的重要基础。本文通过时域方法分析了HYSY-981半潜式平台在风浪联合作用下的非线性运动响应。其中随机波浪的时历曲线是由Jonswap谱生成,波浪载荷通过边界元方法计算,风载荷通过1:100的模型由风洞实验确定,锚泊系统拉力的计算采用了分段外推-校正法,平台的运动方程通过Runge-Kutta法求解。根据计算所得的平台运动响应时程曲线,计算了平台位移的功率谱密度曲线。计算结果表明,平台的水平运动主要受低频载荷影响,而平台的垂荡和偏转运动在波频范围内响应较大。     

半潜式起重生活平台总体振动特性预测

应用有限元技术对半潜式海洋起重生活平台的总体振动性能进行数值分析和探讨,通过建立接近于真实海洋平台主结构的有限元模型,采用流固耦合方法模拟附连水影响,进行平台在作业工况下的总体固有频率和振动模态分析,以及在螺旋桨和主机激振力作用下的受迫振动数值响应计算。计算结果表明,该半潜式起重生活平台的结构振动性能良好,满足ISO6954:2000(E)的振动基准,结合振动响应曲线得出一些重要结论,并对分析方法的可行性和实用价值进行评述。     

极端海况下不同锚系形式对漂浮式海上平台的动力响应影响研究EI北大核心CSCD

锚系形式对漂浮式海上平台的抗风浪流能力具有较大影响,特别是在极端海况下,平台的安全性很大程度由锚系的可靠性决定。因此,有必要针对不同锚系形式对平台的动力响应进行分析与比较,以确定最佳锚系方案。采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法,应用威海褚岛北部海域实测与重现期推算数据,对张紧式和带浮筒的倒S松弛式两种不同锚泊系统在极端风浪流联合作用下的水动力性能进行试验研究。试验结果表明:不同锚系形式对平台的动力响应有显著影响,其中倒S松弛式锚系形式抵抗极端环境的能力更强,维护成本更低,但摇荡运动比较明显;张紧式定点观测与海上试验效果较好,但对锚泊系统的可靠性要求更高,维护成本高。该研究成果为国家海洋试验场“国海试1”试验平台锚泊系统的维护与改造提供了数据支撑,同时,为其他漂浮式海上平台的设计提供参考依据。     

双索系泊系统漂浮式风力机动力响应研究

提出一种用于漂浮式风力机的新型双索系泊系统，研究其对减少漂浮式风力机平台动态响应的有效性及系泊系统本身的力学性能。算例所采用的漂浮式风力机为OC4-DeepCwind三浮筒半潜式风力机，通过OrcaFlex软件建立相应风力机模型和两种系泊系统（原始单索系泊系统和新型双索系泊系统）。在一定海况条件下对比研究双索系泊系统相比于原始单索系泊系统对减少漂浮式风力机平台动态响应的优势。结果表明：相比于原单索系泊系统，双索系泊系统漂浮式风力机的振动响应有明显降低，但改变缆索预张力和副索导缆孔位置对漂浮式风力机振动响应影响不明显。     

风浪联合作用下海上风力涡轮机的碰撞阻尼减振控制

提出利用碰撞调谐质量阻尼器(Pounding Tuned Mass Damper,PTMD)控制近海单桩风力涡轮机塔身在风浪联合作用下的结构振动.为此,利用拉格朗日方程推导风浪联合作用下风机与PTMD 的耦合动力方程并据此分析了相关控制效果.具体而言,结构模型方面,以美国国家可再生能源实验室(NREL)的5 MW基准单...     

浮式螺旋型垂直轴风机动力响应计算研究

随着海上风电逐渐向深海发展,浮式风机成为了更经济的选择。浮式螺旋型风机是传统直叶片垂直轴风机的变异优化。本文针对一种三叶片5 MW浮式螺旋型垂直轴风机的动力响应进行研究。将浮式基础处理成刚体,将柔性塔柱与叶片处理成弹性体,之后基于一种松耦合方法建立整机计算模型,编写了数值求解程序。考虑随机波与湍流风,计算风浪联合作用下的风机动力响应,并与直叶片垂直轴风机进行了对比。结果表明,相较于直叶片风机,螺旋型风机可以显著减小气动转矩的波动,浮式基础的运动几乎没有区别,此外,螺旋型风机塔顶变形和叶片振动明显小于直叶片风机。     

漂浮式潮流能发电装置振动与波浪响应试验研究

为了研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的振动与波浪响应,设计试验模型和装置,进行水轮机转与不转的静水拖航试验和波浪试验,测量系泊链拉力和模型的纵摇响应。试验发现,系泊系统具有高频振动现象,V等于0.7m/s、0.9m/s,水轮机不转时,以及V等于0.9m/s,水轮机转动时,系泊系统具有明显的慢摇现象,水轮机转动还带来了系泊链的低频拉力响应。水轮机转动使系泊系统的纵摇周期增大,载体模型的共振波长增加。与水轮机不转时相比,水轮机转动使低波长-载体模型长度比下模型的纵摇运动响应减小,对高波长-载体模型长度比下模型的纵摇运动影响较小。试验研究可为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的理论研究与工程应用提供参考和借鉴。     

考虑艏摇的半潜式平台涡激运动试验研究

为研究半潜式平台的涡激运动特征,进行了水槽模型试验研究。测试了流向角为0°、15°、30°及45°时,在不同来流速度下半潜式平台的横荡、纵荡及艏摇运动响应;并以艏摇运动为重点,从响应幅值、运动频率等角度出发,探讨其涡激运动的关键特征。结果表明:在不同来流方向情况下,半潜式平台均未发生明显的频率锁定现象。当流向角为0°和15°时,平台三自由度响应随约化速度的增加近似呈线性增大的趋势;当流向角为30°和45°时,在约化速度4～10附近平台响应出现了明显的共振现象,并在此现象结束后响应大幅减小,之后,随着约化速度的增加再次大幅增大。除个别工况外,艏摇与横荡均高度耦合,其响应频率主峰值基本保持1∶1关系;艏摇固有周期对平台三自由度运动频率及幅值影响均不明显。流向角为45°时,平台的艏摇运动最为剧烈,在各个约化速度下响应幅值均数倍于其他流向角。另外,在0°流向角时观察到了"驰振"现象;15°流向角的多个约化速度下观察到了"自激"现象。     

漂浮式风力机平台动态响应的优化方法探讨

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,分别提出平台附加螺旋侧板和平板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到了结构运动和波浪力的幅频特性。并通过与附加螺旋侧板和平板情况下的频域和时域动态特性参数对比,探讨两种措施是否对结构的运动性能起到提升作用。结果表明：附加螺旋侧板后,结构在垂荡和纵摇上的运动幅值均得到了明显抑制;附加平板可以有效降低结构的垂荡频域响应峰值,但对纵荡和纵摇影响很小;在考虑实际风、浪、流载荷作用时,两种措施都能起到对结构运动性能的优化作用,附加螺旋侧板的优化作用更为优越。