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。

超大型半潜浮式风力机动力特性分析

以DTU 10 MW风力机为研究对象,对现有的NREL 5 MW无撑杆的半潜浮式风力机支撑平台进行放大设计,用于支撑DTU 10 MW风力机;基于浮式风力机“气动-水动-控制-弹性”全耦合分析模型,使用FAST软件对DTU 10 MW浮式风力机系统在不同工况下的动力特性进行了分析,并与5 MW浮式风力机系统的动力特性进行了对比。研究发现:风力机大型化后,风荷载低频激励作用更为突出,且系统动力反应有所增加,但整体运动性能良好。

超大型和大型半潜浮式海上风力机动力响应对比

以超大型风力机(DTU 10 MW)为研究对象,对现有的大型(NREL 5 MW)无撑杆半潜浮式风力机支撑平台进行放大设计,用于支撑超大型风力机,基于气动-水动-伺服-弹性全耦合计算模型,根据设定的典型工况,使用FAST软件对超大型和大型无撑杆的半潜浮式风力机系统进行时域耦合分析,并依据计算结果对超大型和大型浮式风力机系统的运动响应和结构动力反应等特性进行对比分析。研究发现:半潜浮式风力机大型化后,气动荷载效应对风力机系统的激励作用更为突出,使得浮式平台运动由风荷载激励的低频共振反应比例增大,波频运动比例减小,这也导致由浮式平台低频运动激励的锚链张力反应增大。此外,高倍的飞轮转动频率对大型半潜浮式风力机叶片、塔架结构的激励作用较超大型半潜浮式风力机更为显著。

系泊缆断裂对新型半潜型浮式风力机动力响应特性的影响

以NREL 5 MW海上风力机为研究对象,提出一种新型半潜型浮式风力机。以该风力机为研究对象,考虑系统受到的气动力、水动力和系泊力相互耦合的作用,建立气动-水动-结构-系泊一体化动力学模型。采用悬链线式多点系泊方式,利用基于有限元理论的非线性系泊缆动力方法对系泊系统的静刚度进行分析。考虑风力机正常作业时单根系泊缆因外界异物碰撞而突然断裂的情况,开展时域动力响应分析。计算结果表明:在额定风速和额定海况下,风力机的系缆张力和基础的运动性能良好;当单根系泊缆出现破断情况时,系泊系统满足设计要求;断缆状态对系缆张力和风力机的平动运动响应的影响较大,对风力机的摇摆运动的影响并不显著。

半潜式海上风力机流固耦合特性分析

根据美国国家可再生能源实验室给出的风力机数据,利用Pro E软件建立5 MW半潜式海上风力机模型,通过仿真软件进行双向流固耦合模拟,探究基于双向流固耦合半潜式风力机风轮在耦合作用时产生的形变及等效应力应变情况。通过分析风力机自存状态以及不同风浪条件下风力机的运行情况可知:作为风力机最重要的部分,风力机叶轮随着转速增大,产生的形变增大,同时形变峰值会越早出现;风轮最大等效应力出现于运行初始阶段,随着时间的推移,应力最终稳定在一定范围内;风力机的形变程度随风速的增大而增大;在风力机运行过程中系泊缆随浮筒一起做周期性运动。研究结果可为海上半潜式风力机安全稳定运行提供参考,同时为设计海上半潜式风力机提供借鉴。