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。     

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。     

考虑黏性效应的半潜浮式风力机动力特性研究

对半潜浮式风力机动力特性进行研究,推导考虑黏性阻尼的动力学方程及传递函数。对黏性效应的影响及其计算方法进行探讨,对比附加阻尼矩阵法、Morison单元法的优缺点,并提出考虑黏性阻尼效应水动力计算的混合法,在此基础上对半潜浮式风力机气动-水动-锚泊全耦合动力响应进行分析。结果表明：黏性效应主要影响共振周期附近的响应值,在数值分析时不可忽略;附加阻尼矩阵法在考虑水平面内运动黏性阻尼时有所不足,且无法考虑黏性效应对共振周期的影响,Morison单元法在考虑垂荡、转动黏性阻尼时有所不足,混合法是考虑黏性阻尼水动力计算的更有效方法;该半潜浮式风力机垂荡和纵摇响应主要受波浪控制,而水平面内运动受风、浪、流联合作用的影响;浮式风力机运动和加速度的最危险工况可发生在发电工况时,最大锚链张力发生在极端环境条件时。     

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...     

新型垂荡板对漂浮式风力机半潜式平台垂荡运动的抑制效果研究

设计出一种能有效抑制垂荡运动的新型装配有垂荡板的漂浮式风力机半潜式平台,分析其在风、浪、流载荷联合作用下的动态响应,并与3浮体3立柱结构半潜式平台进行比较。结果表明:在频域分析中,垂荡板对垂荡方向运动响应的抑制效果最好,纵摇方向次之,对横荡方向运动响应无明显抑制效果;在横荡、纵摇和垂荡方向上原平台与垂荡板平台的辐射阻尼均较接近,但与原平台相比,垂荡板平台的附加质量较大。在时域分析中,与原平台相比,垂荡板平台在横荡、纵摇和垂荡方向的运动响应均较小,其中垂荡方向运动响应抑制效果最好,纵摇方向次之,横荡方向抑制效果最差。     

浮式风力机横荡运动下气动特性分析

浮式平台的横荡运动会影响到风力机相对入流速度以及叶轮-尾流的相互作用,导致浮式风力机的气动特性更为复杂.基于升力面自由尾迹模型,以NREL 5 MW全尺寸浮式风力机作为研究对象,分析在横荡运动下浮式风力机整机性能以及叶片非定常气动特性,并探究其作用机理.研究表明,横荡运行下,远场尾迹对叶片的诱导作用减小,整机的功率及推...     

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...     

波浪对海上大型风力机筒形塔架的影响

文章利用梁单元对海上风力机筒形塔架进行有限元建模,并建立了塔架动力学运动方程。阐述了海上风力机塔架所受Kaimal湍流风模型和Pierson-Moskowitz波浪谱模型,并对风载荷、波浪载荷和海流载荷进行了详细分析。基于某6.0 MW海上大型风力机塔架的动力响应计算,分析了极限和疲劳工况下波浪对塔架顶端振动位移和塔底载荷的影响程度,为海上风力机筒形塔架设计提供了参考。     

随机风浪作用下漂浮式风力机MTMD振动控制研究

基于多体动力学理论,通过二次开发,基于FAST-SC建立漂浮式风力机-多重调谐质量阻尼器（MTMD）耦合振动控制模型FAST-SC-MTMD。以驳船式海上风力机为研究对象,基于线性调频优化方法完成布置于机舱和平台位置的TMD参数设计。以漂浮式风力机结构运动响应控制率为评价指标,研究在随机荷载激励下将TMD和MTMD应用于在驳船式风力机的减振效果。研究发现,采用机舱和平台同时布置MTMD的减振控制策略,可有效降低驳船式风力机塔基荷载和运动响应。     

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.     

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。     

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...     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

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。     

Spar型浮式风力机涡激运动特性及其抑制研究

为减轻涡激运动对系泊结构的疲劳破坏,提出一种波纹柱体结构,探讨其涡激运动特性及抑制机理。结构与流体的非线性耦合作用通过用户自定义函数（UDF）和动网格技术实现,运动微分方程采用四阶龙格-库塔法求解。研究发现,波纹柱体与裸圆柱结构的涡激运动特性明显不同。裸圆柱随折合速度的增加呈明显的锁定特性,而波纹柱体结构的涡激响应特性与波纹高度Hw/D相关。当波纹高度Hw/D=0.01和0.05时亦会发生锁定现象,但锁定区间较裸圆柱小,当波纹高度Hw/D=0.02~0.04时结构不再发生锁定问题。结果表明,波纹结构对柱体的涡激运动有明显抑制作用。     

变风载下风力发电机齿轮传动系统动力学特性研究

根据风力发电机齿轮传动系统所处的由随机风速引起的复杂变工况环境,用自回归AR风速模型模拟实际风场的风速,获得了由随机风速引起的时变风载荷;采用集中质量参数法建立了传动系统的纯扭转动力学模型,求得了系统的固有频率和阵型;研究了传动系统在时变风载下的动态特性,求得了各齿轮的振动位移和各齿轮副的动态啮合力,为风力发电机传动系统的动态性能优化和可靠性设计奠定了基础。