海上浮式风机的动力学建模与响应分析

在恶劣的海洋环境下,浮式风机展现出复杂的动力特性。因此,对海上浮式风机的动力响应进行研究非常重要。本文基于有限元法与若丹速度变分原理,建立了浮式风机的刚-柔耦合动力学模型,依此编写了相应的数值计算程序并验证了程序的正确性。以安装在OC4半潜型浮式基础上的NREL-5MW水平轴风机为例,通过对比分析,研究了浮式基础的运动对风机动力特性的影响。结果表明,基础运动通过改变风机在风场中的位置与姿态对气动载荷与叶片变形产生影响。本文研究成果可以为海上浮式风机叶片设计提供一些合理建议。

基于Jourdain原理和有限元离散的浮式风机动力响应分析

为了研究海上浮式风机动力特性,揭示旋转叶片“动力刚化”现象,本文基于一致质量有限元法和Jourdain速度变分原理,建立浮式风机刚-柔耦合多体系统动力学模型。采用叶素动量理论计算非定常气动弹性载荷,编制浮式风力机系统的Matlab仿真程序。结果表明:旋转叶片刚度随转速增大而增大;叶片挥舞以波浪频率和气动频率1P响应为主,并存在二者的耦合频率以及2P、3P响应;浮式基础运动几乎只有波频响应,气动载荷对基础振荡幅值贡献非常小。

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。

海上浮式水平轴风力机气动特性研究

以NREL-5 MW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荡幅度,导致功率输出不稳定;叶片变桨失效导致功率输出更加不稳定。

基于FTA方法的浮式风机基础-塔柱系统定量风险分析

采用数值模拟与概率统计相结合的方法研究海上浮式风机基础-塔柱系统风险。以NREL OC4半潜型浮式风机为例,建立风机基础-塔柱系统故障树。采用有限元方法计算基础-塔柱系统结构失效概率,结合OREDA数据库和已有研究,确定浮式风机基础-塔柱系统的其他失效概率。采用MATLAB语言编写时域动态故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)程序,考虑有/无维修两种情况,定量计算该浮式风机基础-塔柱系统在全服役周期内的失效概率,并给出相应的维修策略。

基于FTA方法的浮式风机叶片系统风险评估

对海上浮式风机叶片系统进行可靠性风险评估,以OC4-DeepCwind浮式风机系统为计算模型,参考相关文献中的风机叶片系统故障树模型,结合数值模拟与概率统计,计算浮式/固定式风机叶片系统的结构风险概率。使用MATLAB编写时域动态故障树分析程序,进行浮式/固定式风机叶片系统在生命周期内的故障风险定量计算。结果表明:在额定工况下浮式风机叶片系统的叶根应力疲劳风险概率更大,在全生命周期内浮式风机叶片系统失效风险概率更大。

二阶波浪力对浮式风机系统动力响应的影响研究

文中以OC4-DeepCwind海上浮式风机系统为例,考虑浮式基础运动与气动力之间的耦合,研究了二阶波浪力对浮式风机系统动力响应的影响.结果表明:二阶波浪力增加了浮式基础纵荡和纵摇运动的标准差,而浮式基础纵荡和纵摇对风机气动力有较大的影响,从而使得风轮的推力及功率波动都增大.因此,在风力机系统控制设计及风力机叶片结构设计时,需要充分考虑二阶波浪力的影响.此外,二阶和频力和塔柱一阶固有频率接近,激发了塔柱自振,在设计塔柱时应避开二阶和频力.