极端海况下海上漂浮式风力机张力腿平台动力分析

根据NREL5MW风力机设计参数,建立整机及其张力腿平台三维模型,针对平台动力特性,采用有限元方法,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST,基于Block Lanczos算法和Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,分别研究了平台振动特性和极端海况下平台结构应力。结果表明:不同的风波流载荷方向对平台强度影响极大;最大等效应力发生在平台底部圆板边缘即为平台危险区域;风轮转动和波浪运动均不会引起平台发生共振响应。

极端海况下海上漂浮式风力机张力腿平台强度分析

采用有限元方法,基于Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST分别研究了极端海况下风、波、流载荷作用方向相同且为0°、15°、30°、45°和风、波载荷作用方向相同且为0°,海流载荷为15°至180°每15°递增时的平台结构应力。结果表明:最大等效应力是保证平台安全稳定运行的关键且底部圆板上与延伸腿和中央立柱的交接处位置为平台危险区域;风、波、流载荷作用方向对平台应力影响极大,应根据当地海况选择合适的平台安装角度;风、波、流载荷均沿45°方向作用于整机时,平台最大等效应力最大;风、波载荷沿0°方向,海流载荷沿180°方向作用于整机时,平台应力最小。

张力腿漂浮式风力机的运动响应计算

漂浮式风力机与近海桩基式风力机、陆上风力机差异很大,特别是漂浮平台设计复杂,对仿真工具要求更高。海上风力机除受气动载荷之外,还需进一步考虑海洋环境所施加的各种其他载荷。采用自由涡尾迹方法计算风力机气动性能,分别采用线性波和PM频谱模拟波浪运动并应用Morison方程计算波浪载荷。构建张力腿漂浮平台结构动力学方程,以气动载荷和波浪载荷为激励,得到平台响应,并反馈至气动计算,从而完成气动、结构和水动的耦合计算。最后以大型风力机NH1500为例,对张力腿式海上风力机进行仿真模拟,对比分析来流风速、浪高和波浪入流角对漂浮平台运动和风力机气动性能的影响,采用PM频谱模拟真实海况并计算漂浮式风力机动态响应,为漂浮式风力机设计提供了依据。

漂浮式海上风力机三维尾流模型研究

针对漂浮式海上风电机组接地系统所处的深海环境及特殊的系泊系统,综合考虑纵荡运动对入流风速和尾流区域膨胀的影响,基于二维BP工程尾流模型,提出一种三维尾流模型(3Dksg_BP),将该模型用于全尾流区域横向和垂向风速剖面的预测。预测结果与风洞实验数据对比发现,下游1.7D、2.3D、5.0D和10.0D(D为风轮直径)等位置的预测精度均不低于97.6%。基于3Dksg_BP,研究不同频率和振幅下的纵荡运动对尾流造成的影响,结果表明:纵荡运动对尾迹的影响随频率和振幅的增大而增大,且随着下游距离的增加,纵荡运动对尾迹的影响逐渐减小。

漂浮式风力机平台动态响应的优化方法探讨

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,分别提出平台附加螺旋侧板和平板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到了结构运动和波浪力的幅频特性。并通过与附加螺旋侧板和平板情况下的频域和时域动态特性参数对比,探讨两种措施是否对结构的运动性能起到提升作用。结果表明:附加螺旋侧板后,结构在垂荡和纵摇上的运动幅值均得到了明显抑制;附加平板可以有效降低结构的垂荡频域响应峰值,但对纵荡和纵摇影响很小;在考虑实际风、浪、流载荷作用时,两种措施都能起到对结构运动性能的优化作用,附加螺旋侧板的优化作用更为优越。

漂浮式风力机平台在不同水深下的响应特性分析

建立基于Spar平台的5MW漂浮式风力机整机模型,旨在探讨结构的动态响应和所受波浪力以及它们随水深的变化情况。考虑海风、海浪和海流载荷的作用,借助有限元软件对结构进行水动力计算,得到结构的频域特性和位置响应的时间历程,并进一步分析不同水深条件对响应特性的影响。结果表明:水深条件对Spar型漂浮式风力机在外界载荷作用下的动态响应和所受波浪力情况有着显著影响。

基于张力腿平台的漂浮式风力发电机功率特性研究

针对漂浮式风力发电机在运行过程中,风力发电机伴随基础受风、浪、流冲击而摇摆运动的特点,对张力腿式漂浮式风力发电机的功率输出特性进行分析和建模。仿真与计算结果表明:漂浮式平台的运动响应会对漂浮式风力发电机的功率特性产生显著影响,可大大增加风力发电机输出功率的波动性。

二阶波浪力作用下漂浮式风力机Spar平台的动态响应分析

平台结构的稳定性是海上漂浮式风力机安全运行的基本保障。本文建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW漂浮式风力机整机模型,采用辐射绕射理论结合二阶传递函数(QTF)的方法,借助ANSYS/AQWA分析二阶波浪力对Spar平台动态响应的影响。并从频域角度对比一阶、二阶波浪力对平台的作用,从时域角度分析风、流和二阶波浪力联合作用引起的慢漂响应和一阶波浪力引起的波频响应。结果表明:同一自由度方向的差频QTF与和频QTF的变化趋势大体一致;平台所受二阶波浪力较一阶波浪力小一个数量级;二阶波浪力对不同自由度的动态响应影响不同;时域动态响应由波频响应和慢漂响应组成,其中波频响应是均值为零的往复运动,慢漂响应是长周期的漂移运动。

基于流体脉动理论的漂浮式风力机平台纵摇运动控制策略

在流体脉动理论作用下,对张力腿式漂浮式风力机平台的纵摇运动进行分析,提出一种通过给变桨动作施加主动阻尼的控制策略,设计在不影响电功率输出的情况下的反馈控制系统,利用FAST软件对NREL提供的5 MW张力腿式漂浮式风力机进行建模,并与MATLAB/Simulink软件进行联合仿真。仿真结果表明,在流体脉动理论下设计的反馈控制系统不仅能降低塔顶的纵摇位移、叶轮转速和电功率输出波动,也能在一定程度上降低塔基处的纵摇力矩,对延长塔筒的寿命起到一定的作用。

海上漂浮式风力机Spar平台结构优化设计探究

以NREL 5MW海上风力机OC3-Hywind型Spar平台为研究对象,建立平台有限元模型,采用有限元方法分析了100年一遇极端海况下Spar平台的结构强度,并在满足结构强度要求的条件下,采用响应面优化设计方法,以平台结构自身重量为目标函数,对平台的内部结构进行优化设计。优化结果表明:优化后平台的结构强度符合设计规范要求;平台内部的各种肋板与加强筋的结构尺寸更加合理,并减少了平台结构的用钢量,降低了Spar平台的建造成本。

海上漂浮式风力机Spar平台动态特性分析

建立基于Umaine-Hywind Spar平台的漂浮式风力机整机模型,针对平台进行水动力特性分析,主要研究结构的时域动态响应和频域波浪力响应。利用有限元软件ANSYS中水动力计算模块,考虑风、浪、流联合载荷,得到风力机平台的时域和频域特性,通过平台随时间的位置变化幅度分析了平台的动态响应特性;分别研究了各波浪力成分对结构运动的贡献,并探讨了波浪力随频率的变化趋势。结果表明:结构在低频波浪作用下容易出现较大响应,包括幅值响应算子和所受波浪力;在主要波浪力成分中,附加质量力峰值最大;结构在外界载荷作用下平台的偏转运动比水平位移运动更显著。

漂浮式风力机平台结构设计与模态分析

风力机发展趋势使深海漂浮式风力机有着广阔发展前景.分析了漂浮式多浮柱平台的稳定机理,根据美国可再生能源实验室5 MW风力机模型,提出了平面对称结构浮柱平台设计思路,同时初步建立了深海多浮柱平台三维有限元模型.结合机械振动理论,采用有限元计算软件对三浮柱、四浮柱以及六浮柱平台模型进行模态分析,为进一步开展漂浮式平台的优化设计提供了一定参考依据.

基于有限元法的漂浮式风力机Spar平台动态响应分析

以美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW漂浮式风力机和Spar平台为参考模型,采用有限元分析法分析了Spar平台的波浪载荷频域特性,包括对振幅响应算子、绕射力和F-K力频域动态响应分析,并对比了三种波浪谱(P-M谱、JONSWAP谱和Wen’s谱)海况下的时域响应.结果表明:Spar平台载荷峰值出现在低频波浪作用下,且响应明显,而随着频率的增大,其值逐渐减小;在P-M谱和Wen’s谱作用下的平台动态响应无明显差异,且两者的振幅和周期大致相同,而在JONSWAP谱作用下的平台动态响应最小,但其往复周期小,频率大,使得系泊系统承受较大的周期性张力.

新型漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊研究

提出漂浮式风力机Spar平台安装螺旋布置扰流片的设计方法,通过对水动力学软件AQWA的二次开发,实现风波作用下浮式风力机动态响应的求解,对比研究扰流片螺旋布置高度对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响以及对扰流片平台安装系泊配重后对平台动态响应与系泊张力的影响。结果表明:扰流片平台的辐射阻尼较原平台在纵荡、垂荡、纵摇方向上均有所提升;扰流片平台的纵荡、垂荡、纵摇幅值响应算子较原平台均有所降低;随扰流片布置高度提升对平台纵摇方向运动响应抑制效果最好、垂荡方向次之。在风波耦合作用下,扰流片能够降低平台纵荡、纵摇响应,一定程度上抑制垂荡运动响应;安装扰流片可降低风力机转子推力、平台系泊张力有所上升;对系泊安装配重浮筒,在有效降低系泊张力的同时能够抑制平台纵荡、垂荡运动响应,对纵摇运动影响较小。

垂荡板漂浮式风力机Spar平台对强迫振荡的动态响应分析

为研究垂荡板对漂浮式风力机Spar平台强迫振荡的动态响应,基于Umaine-Hywind Spar平台承载的5MW风力机整机模型,应用数值计算方法对附有不同数目垂荡板的漂浮式风力机Spar平台进行水动力计算,得出结构运动的幅频特性。结果表明:随着垂荡板数目的增多,Spar平台的动态响应越小,附加质量越大,但其动态响应并未按线性关系减小,虽有降低平台动态响应的效果不明显;相同垂荡板数目的几种情况下,板间距对整个结构的影响不可忽略。

风波耦合作用下垂荡板对漂浮式风力机Spar平台动态响应影响

建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5MW漂浮式风力机整机模型,提出漂浮式风力机Spar平台主体附加垂荡板的结构设计方法,基于叶素动量理论通过Fortran编程实现AQWA的二次开发,基于辐射/绕射理论对比研究了垂荡板及其安装位置对漂浮式风力机Spar平台动态响应特性的影响。结果表明:频域分析中,垂荡板对纵荡RAO影响较小,减小了垂荡RAO,但增大了纵摇RAO。时域分析中,风波耦合作用下垂荡板增大了平台纵荡响应,但安装位置对纵荡响应影响较小;垂荡板位于中部和底部时对平台垂荡响应的抑制效果最明显,位于上部时抑制效果不明显;垂荡板位于中部和底部时对纵摇响应抑制效果最明显,位于上部时增大了平台的纵摇响应;垂荡板位于中部和底部时明显提高其稳定性,位于上部时加剧了机舱纵荡加速度;垂荡板显著降低了系泊张力,但安装位置对系泊张力影响较小。

两种常用漂浮式风力机平台动态特性分析

分别针对MIT/NREL TLP和Umaine-Hywind Spar两种海上风力机浮式平台主体的水动力特性进行研究,旨在分析两者的系泊稳定性.基于海洋水动力学和结构动力学理论,建立了平台/缆索系统耦合模型,在水深和外界载荷激励相同的情况下,利用有限元分析ANSYS软件中的水动力学计算模块进行时域、频域响应分析,研究了两种平台在海风、海流和随机波联合作用下的动态响应,并分析了两种平台随波浪频率的响应变化.结果表明:MIT/NREL TLP平台的动态响应较大,而Umaine-Hywind Spar平台动态响应较小;两平台均在低频波浪作用下产生响应峰值.

螺旋侧板对漂浮式风力机平台动态响应的影响

为探究螺旋侧板对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响,对Spar平台附加螺旋侧板,建立有无螺旋侧板的2种NREL 5 MW漂浮式风力机整机模型.根据辐射-绕射理论和有限元方法,结合正交设计法研究螺旋侧板及螺旋侧板片数、侧板高度和侧板螺距比对漂浮式风力机Spar平台在风、浪和流载荷作用下动态响应的影响.结果表明:螺旋侧板可明显抑制Spar平台的运动响应,但会增大平台所受的绕射力和F-K力;较优的螺旋侧板参数组合为侧板片数为2、侧板高度为15%D、侧板螺距比为5;侧板高度和侧板螺距比对Spar平台纵摇响应有显著影响,螺旋侧板高度和螺距比的交互作用及侧板片数对Spar平台纵摇响应有一定影响.

漂浮式风力机驳船式平台响应特性分析

平台的稳定是海上漂浮式风力机能够安全运行的最基础保障.通过建立基于驳船式平台的海上风力机整机模型,采用有限元方法,研究了漂浮式风力机驳船式平台在风、浪、流3种环境载荷联合作用下的时频域动态响应.通过漂浮式风力机驳船式平台在时域和频域内的变化幅度来分析平台的动态响应特性,得到了波浪力即F-K力和绕射力对平台六自由度运动的贡献以及各波浪力随频率的变化趋势.结果表明:平台幅值响应算子和平台所受波浪力均在低频波浪作用下出现较大响应;平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的运动响应较之其他3个方向更加明显.

基于AQWA的漂浮式风力机驳船式平台的动态响应

为研究漂浮式风力机驳船式平台的动态响应,建立基于ITI Energy Barge平台的NREL 5MW漂浮式风力机模型。通过辐射/衍射理论并结合有限元方法,调用水动力学软件AQWA,考虑风、浪、流环境的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到了各波浪力随波浪频率的变化及平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的动态响应。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;平台在垂荡方向RAOs要大于纵荡方向。