强非线性波作用下海上风机动力特性模型试验研究

目的  单桩式基础是目前近海海上风电场应用最广泛的支撑结构。中国海洋环境多为浅水和中等水深,受到非线性波浪影响较为明显。与行进波相比,聚焦波可以在短时间内形成一个作用在桩柱上、比常规波浪力大的冲击力,从而影响海上风机的运行性能和疲劳寿命。文章旨在探究强非线性波浪作用下海上风机单桩基础荷载特性,掌握聚焦波与基础相互作用规律,为工程设计提供参考。 方法  文章采用水池模型试验的方法对NREL 5 MW单桩海上风机开展研究,缩尺比例为1∶80。结合我国东部沿海风电场的海洋环境条件,选取了三种典型聚焦波模型,通过浪高仪器和测力天平分别记录了不同工况下单桩周围波浪爬高和底部受力变化情况。 结果  结果表明：桩基所受的水平波浪力具有很强的瞬态性;单桩基础所受水平波浪力在聚焦波的作用下会突然增大,在波谷会受到反向冲击力。 结论  文章揭示了聚焦波引起的海上风机单桩基础荷载变化规律,证实了非线性波浪对于风机基础动力特性的重要影响,相关成果具有较高的理论和工程应用价值。     

风荷载对全潜式浮式风机拖航运动响应的影响

[目的]为了解决浮式风机拖航运输的安全问题,对全潜式浮式基础风机的拖航运动特性展开研究。[方法]针对全潜式浮式风机拖航过程,通过Moses软件建立了“全潜式浮式风机-拖缆绳-拖船”一体化拖航系统数值模型,设置了五组不同的海况对拖航过程进行计算。文章研究风速和风浪方向对全潜式浮式风机拖航运动响应的影响,并根据分析结果,提出有助于全潜式浮式风机拖航安全的建议。[结果]结果表明：相比于横摇运动,全潜式浮式风机的纵摇和垂荡运动受风速影响较为明显,风速越大,运动幅度越大;当风浪方向为90°时,风机的横摇运动受风浪方向影响较大,风浪方向为0°时,风机的纵摇和垂荡运动受风浪方向影响较大。[结论]在保证拖航过程在拖航窗口期的前提下,实际工程中建议对全潜式浮式风机采用逆风拖航的方式,以降低风机振动和共振的风险。同时,应尽量避免风向与拖航方向垂直的情况,两者垂直容易引发较大程度的横摇运动,使拖航过程较为危险。逆风拖航时,在超过平均海况的较大风速30.9 m/s下,全潜式浮式风机的运动响应及拖缆力仍能满足安全拖航的要求。     

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。     

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。     

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。     

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。     

深海三浮体式风机整体结构模态分析

海上风电逐渐从浅海的桩柱型向深海的漂浮式发展。采用风机正向设计SAMCEF for Wind Turbine软件对安装于水深100 m处的三浮体式风机平台整体结构进行了模态分析。由计算结果分析可知,浮式风机整体结构振型比较复杂,不同构件振型变化较大,平台的振动对上部塔架有连带作用;平台低阶振型主要表现为纵荡、横荡、垂荡,横摇、纵摇和首摇,能够有效避开海洋频区对结构造成的不利影响;高阶振型表现为振荡和摇动的复合。由坎贝尔图可知,浮式风机塔架自振频率和风机叶片旋转频率不会产生共振。     

南海海况下半潜浮式风机在故障工况下的动力学响应分析

  [目的]  作为新型清洁可再生能源,风力发电的发展备受瞩目。随着风力发电由陆上向海洋发展,海上浮式风电发展迅速。  [方法]  以南海海况下半潜浮式风机为研究背景,采用ANSYS-AQWA分析软件,对浮式风机在南海典型海况下的动力学响应进行了分析。采用等效载荷法模拟空气动力荷载,采用势流理论计算水动力荷载和系泊系统的锚链荷载。  [结果]  研究表明:当单根锚链发生断裂时,浮式风机的纵荡和运动会大幅增加,可能会引起平台失控。当两根锚链断裂时,在一定时间内,运动响应会适当增加。因此建议采用冗余系泊系统,即单组多根锚链,从而在单根锚链失效后为更换锚链赢取时间。  [结论]  研究成果为我国深海浮式风电的开发提供了一定的参考。对于舱室破损工况的破损机理及数值模拟方法,有待进一步的研究。     

基于PSCAD的并网型风机建模及仿真

建立了包含风速模型、风力机模型、发电机模型和控制系统模型的风力发电机组的整体动态数学模型;应用PSCAD软件,以建立的数学模型为基础搭建了变速恒频风电机组仿真算例;并以短路故障和渐变风干扰为例,对由一台单机容量为2 MW变速恒频风电机组并网后的运行特性进行了仿真研究.仿真结果表明了变速恒频风电机组良好的运行特性及影响该机型风机稳定的因素.     

弯道入流进水池流态分析与整流措施研究

针对某弯道入流泵站进水池内不良流态的成因特点,提出了三种不同的整流方案.运用CFD技术,数值模拟不同整流方案下的进水池流态,并通过分析对比选择最佳方案.结果表明,无整流措施时,受弯道引水渠影响,流道内存在弯道环流,进水池内出现主流偏斜且存在低压漩涡区等不良流态,流道内压力与流速分布不均匀;方案3中布置了三个导流墩,可以...     

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。     

风电机组低电压穿越能力测试中的风机故障

近年来,我国风力发电装机容量不断增长,大规模风电并网对电网的影响日益受到重视。低电压穿越能力是风电机组并网特性的重要考核指标之一,该文详细分析了目前风电机组低电压穿越能力测试所依据的标准,就标准中对风电场及风电机组低电压穿越性能的具体要求进行了分项阐述,在此基础上总结了已开展的现场低电压穿越测试中风机发生的种种故障及其原因,证明了同样机型的风电机组测试性能存在差异,而且现场试验证实了风机零部件故障也成为影响风机低电压穿越性能重要因素。     

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。     

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。     

风力机叶片静力测试与分析

利用风力机叶片动力特性实验台测试了风力机叶片在载荷作用下的形变特性,通过改变加载力的大小和加载位置进行多组实验,计算各个截面的弯矩;通过实验和有限元静力分析找出了风力机叶片主要承力部件,对风力机叶片的设计和制造提供了参考依据,对提高风力机的总体性能和优化设计具有重要意义。     

某MW级风机叶片静力试验的有限元模拟分析

通过有限元方法对某MW级风机叶片的静力试验工况进行了模拟分析,计算了叶片的模态以及在静力试验载荷下的位移、应变。计算结果与全尺寸叶片静力试验结果较好吻合,验证了该分析方法的可靠性,可应用于风电叶片的结构校核和新叶片开发设计。     

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%。     

中尺度风资源数值模拟试验分析

应用中尺度数值模式模拟地区的风资源状况是一种比较先进的方法。该模拟成果对大范围区域风能资源的宏观评估和风电场宏观选址具有很好的参考价值。着重介绍了WRF(Weather Research and Forecast)数值模式模拟方法,并采用该模拟方法对近海风电场的风资源进行了模拟。     

基于TMD的海上漂浮式风力机稳定性研究

海上漂浮式风力机的稳定性研究已逐渐成为风电研究的重点与热点。以NREL(国家可再生能源实验室)5 MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,建立海上漂浮式风力机整机模型,通过配置TMD(调谐质量阻尼器),研究其对环境载荷作用下的海上漂浮式风力机稳定性的控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔架和平台的运动响应有明显的抑制效果,在TMD控制下,漂浮式风力机塔顶左右位移最大值降低近50%,稳定性提高38%;对漂浮式风力机平台的横摇及横荡运动控制效果较明显,平台横荡稳定性提高18%,横摇稳定性提高41%。     

风力机扩散放大器流场的数值仿真

应用CFD软件对二维风力机扩散放大器模型进行数值仿真，计算最小截面处流速增加比率，分析扩散器内压力场和速度场，找出流动特性，比较不同型号及相同型号不同尺寸的扩散器之间的特性曲线，分析原因，对扩散器的研究起到理论指导作用。