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。     

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。     

海上张力腿浮式风机整体结构动态特性研究

随着大型海上风电场的建设逐步由浅水海域向深水海域发展,传统固定式基础结构已不能满足海上风机工作性能要求,研究漂浮式风机已成为各国开发海上风能的热点工作。文章采用风机正向设计软件SWT对海上张力腿浮式风机整体结构进行了模态分析,得到浮式风机整体结构的动态特性。由分析结果可知,浮式基础的振动对上部塔架有连带作用;浮式基础低阶振型主要表现为横荡、纵荡、首摇、纵摇、横摇和垂荡,高阶振型表现为振荡、摇动和部件振动的复合;浮式风机自振频率和主要海浪谱频率以及风机叶片旋转频率不产生共振。     

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。     

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。     

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.     

在极端载荷作用下TLP型浮式风机基础的总体强度

文章建立了TLP型浮式风机基础的有限元模型,对极端载荷作用下浮式风机基础的总体强度进行了分析;根据相关规范对浮式风机基础强度进行校核显示,该风机基础总体强度满足要求。研究结果表明了TLP型浮式风机基础在立柱与水平悬臂连接处的应力较大,为TLP型风机浮式基础的安全评估提供了相关理论支撑。     

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。     

近海深水区混凝土半潜型浮式风机一体化计算与耦合动力特性分析

[目的]文章旨在探索10 MW级半潜型浮式风机的一体化计算方法并分析其在40～50 m近海深水区的耦合动力响应特性。[方法]以10 MW混凝土半潜型浮式风机为例,构建一体化时域数值计算模型,统计分析其额定发电和极端工况下的平台动力响应和系泊张力特征。[结果]平台水平运动主要受波浪荷载、风荷载和系泊刚度特性的影响,最大水平运动和系泊张力发生在生存工况,垂向运动主要受波浪荷载影响,摇摆运动的均值主要受风荷载影响,上述浮式风机动力响应均满足设计指标。[结论]一体化数值计算方法较好地考虑浮式风机耦合动力特性,由于水深限制,近海深水区的海上漂浮式风机对水平运动约束和系泊非线性问题的优化更为重要,响应极值主要发生在极端工况,上述结论为此类漂浮式海上风机基础结构的研究与设计工作提供了一定的参考。     

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。     

不同海况下漂浮式风电场大型化响应分析

为探究3种海况下不同漂浮式风电场平台稳定性,建立Barge单平台,2×2、3×3、4×4和5×5阵列风电场平台,基于叶素动量理论、辐射/绕射理论并结合有限元方法,研究了风波载荷作用下其动态响应.结果 表明:漂浮式风电场中迎风侧平台响应最剧烈,越远离迎风侧,平台稳定性越好;3种海况下,风电场平台较单平台在纵荡、垂荡及纵摇自由度上动态响应均较小,且随风电场阶数升高,稳定性增加;风电场中迎风侧系泊受力最大且随风电场阶数增加而增大.     

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。     

海上风力机锥体结构抗振分析

为降低海冰与海上风力机撞击作用下的结构非线性动力响应,提出锥体结构防振模型并将其安置于风力机与海平面交界处。通过开发海冰载荷计算模块并与风力机多体动力学气动-水动-伺服-弹性仿真软件FAST结合,建立风-冰-结构多物理场耦合下的海上风力机动力学仿真模型。基于Croasdale与Karna方法计算海冰与结构碰撞,对比5组不同锥角下的结构动力学响应,研究锥体结构对海冰碰撞的减振降载效果。结果表明:未安装锥体结构时,海冰载荷、塔顶位移与塔顶加速度的幅值较大,且频率易与风力机发生共振;安装锥体结构后,随着锥角由70°减至40°,动态响应减弱,幅值分别减小79%、71. 8%与30. 8%,且频率均远离风力机固有频率,避免发生共振;塔基剪切力的最大值与标准差也因安装锥体而减小,其中最大值减小26. 9%,标准差减小67. 8%,降低风力机所受的疲劳载荷。     

不同边界条件下吸力筒导管架式海上风电振动特性分析

  目的  吸力筒导管架是一种具备许多优点的新型海上风电基础,其振动特性与传统基础有着明显的不同。正确处理无限域地基的边界条件对准确分析振动问题至关重要,故对不同边界条件下吸力筒导管架式海上风电的振动特性进行分析。  方法  以某吸力筒导管架式海上风电为分析对象,在ANSYS APDL中建立结构与土体耦合的全三维有限元模型,研究边界条件对自振频率的影响并对相关参数进行敏感性分析。  结果  不同边界条件对整机固有频率影响较大,改变边界条件对结构轴向刚度和扭转刚度的影响大于对弯曲刚度的影响,整机固有频率随着粘弹性边界弹簧刚度、土体弹性模量和筒土摩擦系数的增大而增大。  结论  分析了影响整机固有频率计算精度的相关因素,可为工程计算提供参考。     

海冰载荷作用下海上风力机TMD减振研究

为保证桩柱式海上风力机塔架结构稳定和系统运行安全,提出安装于机舱内的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),以减弱海冰与湍流风联合作用环境下的风力机振动。基于多体动力学开源仿真软件(FAST),通过计算并分析NREL 5 MW海上风力机风-冰联合作用下塔顶振动特性,发现TMD控制对前后向的塔顶位移及塔基剪切力影响较小,但可以有效降低侧向的塔顶位移及塔基剪切力,降低幅度分别达39%与52%。同时,塔架一阶固有频率处的响应降低64%与90%,说明TMD装置能有效减弱风力机振动,保护风力机安全。     

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。     

Design Methodology Research of the Floating Foundation for the Offshore MW-Rating Wind Turbine

With the rapid growth of the offshore wind industry, the innovative floating offshore wind turbine is chosen as the most feasible device to harvest the vast wind energy in deep water area. However there is no practical design guide for the floating wind turbine especially the floating foundation. In this paper, based on the investigation on the worldwide floating wind turbine and current available expertise on floating platforms accumulated in offshore O/G （oil and gas） industry, an integrated design methodology is presented according to the specialized characteristics of wind turbine, including the type selection of foundation and mooring system, design standard, design procedure, design conditions, key technologies involved. Finally a semi-submersible floating foundation is designed to support certain megawatt-rating wind turbine of Goldwind and also performance analysis and code checks are performed to validate the design. The design method of the floating foundation provided in this paper is proved feasible and can be adopted in practical engineering design.     

海上风电机组发展趋势分析

本文追述了海上风电机组的发展历程,分析了世界各主要风电机组生产厂家正在研制的海上风电机组的技术路线,提出了海上风电机组今后发展的主要趋势。     

海上风机单桩基础桩形影响因素分析

  [目的]  随着大直径单桩基础建造与施工能力的日益进步,单桩基础型式的应用正向更大水深发展,需要研究深水海域单桩基础不同桩形的优缺点,为同类工程提供参考。  [方法]  按高中低三种锥段位置,对广东阳江某海上风电场的单桩基础机位参数进行分组统计,分析其中的桩形选用规律。  [结果]  分析表明:高锥段大桩径设计会导致风机疲劳荷载偏高,机位浅层土中砂土和黏土的比例及具体力学指标决定了最佳桩形的锥段位置。  [结论]  通过对比研究:发现降低锥段是降低大桩径机位疲劳荷载的最佳方法,砂土含量高且内摩擦角较大的机位可通过提高锥段减小桩径,而黏土含量高地质偏软的机位则适用较低锥段的桩形。提出用单桩最优解的泥面刚度矩阵行列式大小来衡量机位的地基刚度水平,并分析了地基刚度水平与基础钢料量的关系。     

大型近海风力机塔架地震动力学响应分析

地震激励严重威胁风力机正常稳定运行,以丹麦科技大学(DTU)与Vestas公司联合研发的DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑海床土壤柔性,基于有限元及p-y曲线法,研究风力机塔架在3种实测地震激励作用下的瞬态动力学响应。结果表明:强震级、长时间的地震激励对塔架造成严重破坏;地震发生时塔顶位移最大、应变能集中于塔基;塔顶振动方向、形变位置、剪切应力及应变能集中区域因地震加速度的方向大小而改变。