半潜式平台浮式风力机的动态响应

平台的稳定是保障海上漂浮式风力机能够安全运行的基础。为了保障海上平台的稳定及漂浮式风力机的安全运行,基于Semi-submersible平台的NREL(国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机模型,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,调用水动力学软件AQWA(水动力学分析软件),考虑风、浪、流载荷的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到了F-K力(波浪力)和绕射力对平台6个自由度运动的影响以及各波浪力随波浪频率的变化趋势。结果表明:平台在低频波浪时容易出现较大响应;随着海洋环境恶劣程度的增加,平台的动态响应增大;垂荡方向的时域和频域响应程度均小于纵荡方向。     

极端海况下半潜式浮式风机运动响应与系泊响应

以OC4-DeepCwind半潜式浮式风机为研究对象,利用ANSYS AQWA软件,通过时域耦合法模拟不同海况,在受到波浪、风、流载荷联合作用下,风机的动力响应和系泊响应,讨论极端海况对风机的影响。结果表明,与正常海况相比,极端海况下风机锚链张力的波动范围明显增大,相对最大值为正常海况下的4.98倍,影响系泊系统的稳定性;极端海况下风机卧链长度的相对最小值为正常海况下的1.75%,仅为4.21 m,与荷载作用方向一致的风机锚链变化较为剧烈,为风机的主承载锚链;极端海况下风机的纵荡、垂荡运动均有所增加,相对最大值分别为正常海况下的15.95倍、1.82倍,纵摇偏转变化到最大4.95°,其余方向变化较小,风机重心发生10.19 m的偏移,影响风机的稳定性,干扰风机的正常运行。     

半潜式平台漂浮式风力机阵列平台普通海况动态响应研究

为保证漂浮式风电场在环境载荷复杂的海洋环境中稳定正常工作,以半潜式平台为研究对象,建立了基于Umarine Semi Submersible平台的阵列式风电场。通过FORTRAN程序语言求解气动载荷,采用水动力学软件AQWA,基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,研究了风波耦合作用下半潜式平台时频动态响应。结果表明：阵列半潜式平台漂浮式风电场可有效提升平台抗首摇、横摇能力;固定悬链线可降低平台横荡运动幅值与纵荡响应;共用系泊系统的阵列平台机舱振动稳定性更佳。     

新型螺旋扰流片漂浮式风力机半潜平台动态响应研究

为改善半潜式平台漂浮式风力机动态响应,提出将扰流片螺旋布置于半潜式平台浮筒下部的结构设计方法,将附加螺旋扰流片的半潜平台漂浮式风力机与原平台进行对比,并研究扰流片布置螺距对平台性能的影响。结果表明：频域分析中扰流片能够显著降低平台所受横摇波浪激励力矩,对平台垂荡、横摇、纵摇辐射阻尼及附加质量均有一定提升,平台频域幅值响应算子(RAO)峰值明显降低;安装扰流片后,平台固有周期增加,抗共振性能更好;时域分析中,在垂荡、纵摇方向上扰流片布置螺距对平台运动响应影响较小,对横摇运动响应抑制明显,其中0.29D(D为半潜式平台浮筒半径)扰流片平台性能较佳。     

极限海况下三种海上风力机半潜平台的动态响应对比

采用水动力学软件AQWA和有限元方法,分别对三浮体平台、四浮体平台和五浮体平台在极限海况下的工作状态进行数值仿真,并对3种半潜平台的频域和时域运动响应进行分析。结果表明:在频域分析中,三浮体平台、四浮体平台和五浮体平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的附加质量依次增大,运动响应依次减小;在时域分析中,3种半潜平台在横荡、垂荡和横摇方向上的运动响应均减小;平台的稳定性随平台结构复杂度的增加而提高,但与四浮体平台相比,五浮体平台稳定性的提高不显著。     

浮式风力机多平台阵列的动态响应

为研究浮式风力机多平台阵列的动态响应特性,建立了基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,根据辐射/绕射理论方法分别研究并比较了单平台、1×5线性排布和3×3方阵排布的多平台动态响应特性.结果表明:浮式风力机Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的响应均集中在低频波浪阶段;1×5线性排布的多平台纵荡位移响应均低于单平台,共用系泊系统有效抑制了平台的纵荡位移响应,但是对垂荡位移、纵摇偏转角响应影响不大;3×3方阵排布位于两侧的平台存在较大的横荡位移响应,但纵荡位移响应均小于单平台,位于中间位置的平台纵荡位移响应大于单平台,但横荡位移响应几乎可以忽略不计;3×3方阵排布中心位置和顶点处的平台垂荡位移、纵摇偏转角响应小于单平台,其余平台垂荡位移、纵摇偏转角响应没有受到明显抑制.     

浮式风机半潜式平台动力响应研究

浮式风机已成为开发海上风能的新趋势。文章基于OC4-DeepCwind半潜式平台,设计了一种具有倾斜立柱的新型半潜式平台,并根据势流理论对上述两种平台的水动力性能进行了频域与时域的对比分析及可靠性验证。同时研究了缆索数量、缆索连接点高度与锚固点位置对平台运动响应的影响,提出了一种优化系泊系统的新平台。研究结果表明:新平台的质量与排水体积大大降低;新平台纵荡、垂荡与纵摇RAO峰值明显减小,垂荡固有周期增加,能有效防止共振现象发生;新平台的垂荡与纵摇明显降低,纵荡的改变较小;与原有系泊系统相比,优化后系泊系统的纵荡运动响应与缆索张力明显下降。     

海上漂浮式风力机Spar平台系泊型式及动态响应研究

平台的稳定性是海上漂浮式风力机安全运行的基本保障。研究两种新型系泊型式对海上漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响及系泊的安全性。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL(美国国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的波浪载荷及平台与系泊系统的耦合。首先,验证水动力学模型的可靠性,然后分析平台在不同风浪下的时域动态响应,并评估其生存能力。结果表明:两种新型系泊型式均能大幅减小纵荡响应,对纵摇响应影响很小;型式Ⅰ对纵荡响应的抑制小于型式Ⅱ,且二者对纵荡的抑制作用随系泊间夹角的增加而减小;型式Ⅲ-30°系泊在完整状态下的安全系数大于1.67,破损状态下大于1.33,均满足设计要求。     

多工况下漂浮式风力机张力腿平台时域响应及系泊强度分析

为研究漂浮式风力机张力腿平台在风、浪、海流载荷联合作用下的时域响应及系泊受力特征,建立漂浮式风力机及张力腿平台模型,采用有限元方法,对比分析无风、额定、最大及极限工况下张力腿平台运动响应及系泊受力。4种工况作用下,极限停机工况时漂浮式平台运动响应最大,最大作业工况其次,额定作业工况再次,无风作业工况最小;但在最大工况时系泊作用力最大。结果表明:运动响应主要集中在纵荡,垂荡和纵摇方向;作业工况越恶劣,漂浮式平台运动响应越大;系泊张力在最大作业工况时最大,但小于系泊断裂极限。     

极端海况下附配重系泊漂浮式风力机响应分析

为提高风波作用下平台稳定性并降低系泊拔锚风险,提出对Barge平台系泊添加配重的新型系泊系统。基于辐射/绕射理论和有限元方法,对比系泊添加配重前后Barge平台动态响应、系泊受力及躺地长度变化,并研究配重位置的影响。结果表明：在保证系泊安全的前提下,添加配重可有效降低平台纵荡、垂荡及纵摇响应并增加系泊躺地长度;当配重距锚点约160 m时,平台纵荡响应最小且躺地长度最大,纵荡、垂荡及纵摇响应幅值分别减小41.9%、20.4%及11.8%。此外,1~4号系泊躺地长度为未加配重时的12.9、2.0、1.9及0.9倍,张力略有增大,但仍在安全范围内;1号系泊（迎风浪侧）躺地长度最小,拔锚风险最高,4号系泊（背风浪侧）添加配重后其躺地长度缩短,拔锚风险增加。     

组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台影响的研究

研究新型组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊张力特性的影响。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的水动力载荷及平台与系泊系统的耦合。首先验证水动力学模型的可靠性,然后分析组合弹性系泊对动态响应及系泊张力的影响。结果表明:组合弹性系泊会使平台纵荡增大25.5%,但系泊张力、垂荡和纵摇却会分别减小14.0%、20%和18.1%;弹性索位置对动态响应及系泊张力影响不大;随弹性索长度的增加,平台纵荡响应增加34.0%,平台垂荡和系泊张力分别减小25.0%和7.3%。     

新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。     

风浪入射角对漂浮式风力机动态响应影响研究

采用开源软件FAST并结合多体动力学方法,以驳船式(ITI Energy Barge)平台5 MW海上漂浮式风力机为研究对象,研究海上漂浮式风力机塔架与平台结构在风浪不同入射角下6个自由度大小与幅值变化,并分析风力机塔架与塔基在风浪入射角度不一致工况下的动态响应;将模拟所得数据在Matlab语言编辑的Mlife程序中运行,进而得到风力机等效疲劳载荷(DEL)。结果表明:平台6个自由度中,纵荡和纵摇随来流风速的变化最为显著;海上风力机的DEL不仅与风浪载荷大小有关,与其方向也有着密切关联;来流风、浪载荷之间的夹角较小时,风力机塔架和塔基的DEL相应较大。研究结果对海上Barge平台结构的设计与安装具有一定的参考价值。     

基于不同结构的漂浮式风力机Spar平台静动力学性能研究

为研究不同结构漂浮式风力机平台的静动力学响应,基于UG参数化建模的二次开发,建立了OC3-Hywind-Spar平台三维实体模型,采用有限元方法对所建模型进行模态分析,对比各模型固有频率、最大位移量以及最大应力分布情况,并进一步分析其谐响应规律。研究表明:平台的固有频率远离平台服役时所受载荷的对应频率,不会发生共振;平台附加环向筋与纵骨可以有效地降低平台在其各阶振型中的位移量与应力;附加环向筋与纵骨的平台可更好地避免共振发生,其发生较大共振的频率约0.8 Hz,响应值远小于其它结构平台,表明了附加环向筋与纵骨对平台安全性与稳定性有较大提升。     

风浪异向下漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究风浪异向下海上漂浮式风电场平台运动响应,建立基于ITI Energy Barge平台的漂浮式风力机及共用系泊的二阶阵列漂浮式风电场模型,运用水动力学软件AQWA与风力机仿真软件OpenFAST分别对水动与气动载荷进行计算,分析了风浪异向下二阶阵列漂浮式风电场Barge平台时频响应特性。结果表明：频域内,Barge平台响应主要集中在低频区域,波浪方向对纵摇和纵荡响应影响较大,对垂荡响应影响较小;时域内,纵摇和艏摇自由度背风侧平台响应幅值明显大于迎风侧平台;风电场各平台在横荡、横摇上的响应幅度随波浪入射角度的增大而增大,纵荡和垂荡自由度则几乎不受影响。     

湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应

以NREL 5 MW近海风力机为研究对象,基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风,同时采用Matlock模型计算动态冰力,模拟风力机所受冰激振动,研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明:冰激振动极大地加剧塔顶各向振动;频域上,冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率,且相应峰值与冰厚呈正相关关系;受冰激振动作用,塔架各向剪切力明显增加,且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。     

螺旋侧板对漂浮式风力机平台动态响应的影响

为探究螺旋侧板对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响,对Spar平台附加螺旋侧板,建立有无螺旋侧板的2种NREL 5 MW漂浮式风力机整机模型.根据辐射-绕射理论和有限元方法,结合正交设计法研究螺旋侧板及螺旋侧板片数、侧板高度和侧板螺距比对漂浮式风力机Spar平台在风、浪和流载荷作用下动态响应的影响.结果表明:螺旋侧板可明显抑制Spar平台的运动响应,但会增大平台所受的绕射力和F-K力;较优的螺旋侧板参数组合为侧板片数为2、侧板高度为15%D、侧板螺距比为5;侧板高度和侧板螺距比对Spar平台纵摇响应有显著影响,螺旋侧板高度和螺距比的交互作用及侧板片数对Spar平台纵摇响应有一定影响.