二阶波浪力下超大型半潜浮式风力机动态响应分析

针对DTU(Technical University of Denmark)10 MW风力机,使用FAST软件对典型海况下不同水动力分量作用下的半潜浮式风力机系统进行全耦合分析,包括仅一阶波浪力作用、一阶波浪力和采用Newman近似计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域二次传递函数（quadratic transfer functions,QTFs）计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域QTFs计算的二阶和频波浪力作用以及一阶波浪力和全域QTFs计算的完整二阶波浪力作用,以对比分析二阶差频、和频波浪力对超大型半潜浮式风力机动态响应的影响;基于风力机结构疲劳计算理论,分析二阶差频和频波浪力对风力机结构疲劳破坏的影响。研究发现：在极端海况下,二阶差频波浪力对平台运动响应,二阶差频及和频波浪力对半潜浮式风力机结构荷载和疲劳破坏均产生显著影响。此外,Newman近似方法明显低估二阶差频波浪力对半潜浮式风力机动态响应的影响。     

新型浅吃水浮式基础风力机动力响应研究

针对水深70 m海域提出一种新型浅吃水浮式风力机的概念设计,并进行动力特性分析.建立浮式风力机系统的气动-水动-系泊耦合的非线性动力学分析模型,基于叶素-动量理论计算气动载荷,采用势流理论计算水动力载荷,采用三维有限元动力分析模型计算系泊缆张力,利用Matlab开发相应的数值计算工具,研究新型浅吃水浮式风力机的运动性能...     

波浪荷载作用下海上新型潜式浮式风力机运动特性研究

以适用于中等水深(50~200 m)的新型潜式浮式风力机为研究对象,该风力机基础综合Spar式、半潜式及张力腿(TLP)3类浮式风力机基础的优点,运行时基础主体淹没在水下,具有较小的水线面(如同Spar平台),受波浪影响较小;平台通过张紧式系泊线与海床相连(如同TLP平台),具有良好的垂荡和摇摆运动特性;拖航状态下,浮式平台处于半潜状态,水线面面积大(如同半潜式平台),具有良好的浮稳性。通过分析不同波况下的潜式浮式风力机耦合动力响应得到潜式浮式基础的横荡、纵荡、垂荡及纵摇运动响应,以及发电功率、叶片根部弯矩、塔筒顶部和底部弯矩、锚链张力时程曲线。研究结果表明:波浪对于结构的纵摇运动的影响最为明显,对发电功率、叶片根部弯矩和塔筒顶部弯矩影响较小,对塔筒底部弯矩和系泊线张力影响较大。     

不同风况下半潜漂浮式风力机动力学响应分析

针对现有漂浮式风力机在风浪作用下运动响应较大的问题,提出一种具有圆台形浮筒的新型半潜式平台。基于FAST耦合水动力、空气动力和系泊系统等物理场,同时结合水动力学软件AQWA计算的频域参数对不同风况下漂浮式风力机动力学响应进行分析,并在额定风况下与OC4-DeepCwind漂浮式风力机进行对比。分析结果表明：不同风速对漂浮式风力机的纵荡、纵摇及艏摇运动影响明显,对垂荡运动影响较小;与OC4漂浮式风力机相比,新型漂浮式风力机在各风况下纵摇、横摇响应得到明显降低,具有良好的稳定性。     

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。     

考虑到台风海况浮式风力机半潜式平台风浪流载荷动态响应及系泊性能分析

为研究浮式风力机半潜式平台的动态响应及系泊性能,建立了基于半潜式平台的NREL5 MW浮式风力机模型.结合有限元方法,并利用辐射和衍射理论,在考虑风、浪、流载荷的联合作用下,运用Aqwa软件对极端海况下半潜式平台的动态响应及系泊性能进行数值仿真,得到了幅值响应算子(RAO)、附加质量、辐射阻尼随波浪频率的变化趋势以及极端海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应.结果表明:半潜式平台在高频区域(大于1.6rad/s)具有良好的运动性能,动态响应小;垂荡方向动态响应不受波浪方向变化的影响,且波浪方向为0°时,纵荡和纵摇动态响应最为剧烈;台风海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均大于无台风海况;随着海况恶劣程度加深,半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均明显增大.     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

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。     

新型铰接式海上风力机动力响应分析

文章针对75 m水深,开发了一种新型铰接式基础海上风力机,考虑到风浪流的联合作用,分析了其在发电海况和极限海况下的动力响应。基于叶素动量理论计算了风力机叶片气动载荷;基于经验公式计算了塔架风压载荷;基于三维势流理论计算了铰接式基础的水动力特性;考虑基础运动及波高引起的瞬时湿表面的变化及铰接点的结构阻尼,同时考虑海流力,编写程序计算风力机的时域动力响应特性。计算结果表明,铰接式海上风力机具有良好的运动性能,满足发电海况下正常发电的需求以及极限海况下结构自存的安全要求。     

风浪对多浮筒半潜浮式风机关键部位弯矩的影响研究

针对半潜型浮式基础横撑和塔柱底部的弯矩特性,文章采用了气动-水动力-结构弹性耦合的时域分析方法,以DeepCwind浮式风机系统为研究对象,进行了不同风浪组合下的全耦合分析。该方法将各浮筒看作独立浮体,采用多体水动力理论预报浮式基础的波浪载荷,实现横撑与浮筒连接处弯矩的计算。计算结果表明:风载荷和波浪载荷对塔柱底部的弯矩均有明显的影响,而横撑弯矩主要来源于波浪载荷;相对于塔柱底部,横撑更容易发生破坏;将风和波浪单独引起的弯矩时历直接相加,可以较好地模拟风浪联合作用下横撑和塔柱的弯矩特性。研究结果可以为多浮筒半潜浮式风机的疲劳评估提供参考。     

海上浮式风力机变桨距控制研究

借鉴陆上风力机基于状态空间法的干扰自适应控制,在状态空间中考虑海上浮式风力机支撑平台运动自由度,采用状态观测器评估系统各状态量,研究不同干扰自适应变桨距控制对海上浮式风力机控制性能的影响,并与FAST基础控制对比分析.结果表明:海上浮式风力机变桨距控制设计应基于状态空间法的干扰自适应控制,同时在状态空间中应考虑平台纵荡...     

海上浮式水平轴风力机气动特性研究

以NREL-5MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论,考虑动态失速、风剪切及塔影效应等气动修正模型,开发Matlab非定常气动载荷计算程序,研究浮式水平轴风力机气动特性.结果表明:为保证风力机气动载荷模拟的正确性,气动修正模型必不可少;基础运动对风力机气动性能有显著影响,基础运动使风力机输出功率增大,但同时存在较大的振...     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

考虑流固耦合的Spar型浮式风力机涡激运动特性研究

对弹性支撑单圆柱在均匀流作用下的涡激运动特性进行数值模拟,捕捉到锁定区、拍、频率变换等现象。柱体周围流场采用Fluent求解,将4阶Runge-Kutta方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动微分方程,运用动网格技术更新流场,实现圆柱与流场的非线性耦合作用。发现随着折合速度的增大,涡激运动响应可分为锁定前支、锁定区、锁定后支3个阶段,在进入锁定区前(折合速度Ur=3)横向运动响应发生拍现象,当跨过锁定区后(折合速度Ur=10)发生频率变换现象。结果表明,横向涡激运动有较大范围的频率锁定现象,频率解锁前后圆柱涡激运动轨迹由右8字形变换为左8字形。     

大型失速型风力发电机动态特性研究

通过分析主动失速型机组的来流风速、气动、机械传动与发电机等部件的机理,建立了机组各主要部件的子系统模型(如气动模型、传动模型、发电机暂态模型、补偿电容模型、电网模型和控制系统模型等),近而得到了全系统的动态非线性模型。通过对机组全系统动态机理模型的数字仿真,得到机组在特定来流工况条件下的动态特性。所建立的模型和仿真结果为今后研究风电场与电网之间的相互影响提供了理论基础。     

考虑潮汐影响下浅水浮式风电结构动力响应研究

以OC4-DeepCWind半潜式风电机组基础和NREL的5 MW风电机组为研究对象,考虑浅水环境条件和潮汐影响,进行浮体水动力分析和系泊布置方案设计,对风电机组-浮体-系泊耦合系统进行整体动力响应分析。研究结果表明,在浅水条件下,浮体水动力特性和系泊回复刚度受水深影响显著,且在水深与结构的吃水比过小时,结构物与海底之间相对流速增大也会对结构物的安全性能产生不利影响,在结构设计阶段需特别考虑。     

考虑阻尼比的Spar式浮式风力机基础结构涡激运动特性研究

利用数值模拟方法对不同阻尼比条件下Spar式浮式风力机基础结构进行涡激运动特性的研究.从涡激运动响应幅值、频率比、位移、升力及拖曳力等方面研究Spar式浮式风力基础结构涡激运动的关键特性.研究表明:涡激运动上端分支对应的频率比为fy/fn≈1,且该分支出现最大幅值.随着阻尼比的增大,上端分支约化速度范围有减小趋势.低阻...