降低横流风机式谷物脱粒机功率的研究

文章分析和试验研究了横流风机式谷物脱粒机各部分消耗的功率,提出了降低脱粒机空转功率的措施,使脱粒机的空转功率由4.4kW降为2.4kW,清选质量也有所提高。

海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究

海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展,为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置,已成为当今风能开发的主要方向。作为一种多体系统,由于海上浮式风机结构特殊,加上环境复杂,对其进行准确的计算和分析尤为重要。本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究,建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14-DOF耦合动力模型,包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等,用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应,并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。主要的改进有:不对平台和塔架的转动角度作小量近似,扩展其适用范围;考虑角速度和欧拉角速度的换算关系,不作等化处理。此外,所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响,得到了较为准确的叶片面内外响应。同时采用线性势流理论对水动力进行计算,较之Morison方程适用性更广。仿真分析表明,本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应,且具有更广的适用范围。

基于输入−状态联合估计的漂浮式风机塔架结构载荷反演及状态分析

[目的]旨在研究波浪作用下漂浮式风机塔架的结构载荷反演方法及动力响应状态。[方法]以半潜型风机为研究对象,通过时域仿真模拟测量数据,并且基于漂浮式风机的频域仿真模型计算塔架的质量归一化模态,将二者作为输入−状态联合估计(joint input-state estimation,JIS)算法的输入,对漂浮式风机塔架开展结构载荷反演以及实时状态分析。[结果]结果表明:基于JIS算法,以塔架节点的仿真数据作为算法的输入,估计的塔根载荷以及塔架节点响应与仿真结果具有良好的一致性,实现了高精度的反演。[结论]反演结果验证了JIS算法的有效性,可以用于漂浮式风机的实时状态分析,保障漂浮式风机长期安全稳定运行。

软岩地基中新型倒肋式风机基础力学性能有限元分析

目的 提出一种新型倒肋式风机基础,解决软岩地基中采用梁板式风机基础带来的挖方量大、模板支设繁琐、施工成本高、周期长等问题。方法 以2.5 MW风机为例,采用ABAQUS有限元分析软件,建立相同尺寸的倒肋式与梁板式风机基础模型,对比两种基础在极端工况下的倾斜率、水平位移、破坏特征等,并结合挖方量、模板工程量对两者的经济性进行分析。结果 倒肋式基础的水平位移为0.444 mm、倾斜率为0.012 1%,均满足规范要求;倒肋式基础的肋梁受力特征与悬臂梁相似,在基底反力作用下肋梁与墩台连接处承受的剪力及弯矩较大,容易开裂破坏,可通过增加肋梁截面高度改善;倒肋式基础相较于梁板式基础土方挖量可节省54%、模板工程量可节省48%。结论 倒肋式基础充分发挥出了倒置肋梁与软岩地基之间齿槽嵌固的优势,相较于梁板式基础不仅具有更优的抗滑移稳定性和受力性能,而且减少了挖方和模板工程量,经济效益显著。

风浪联合作用下分布式调谐质量阻尼器对海上半潜漂浮式风机的减振控制

海上半潜漂浮式风机在复杂深海环境下产生有害振动会威胁风机的安全性和耐久性,针对该问题并结合美国NREL的5 MW样机的漂浮平台几何结构构造,提出利用分布式调谐质量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMDs),即分别在漂浮平台的3根浮筒中布置TMD,形成等边三角形布置,对随机风浪联合作用下海上半潜漂浮式风机的平台纵摇振动进行控制。为了更好地描述分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机的减振效果,基于拉格朗日方程和模态叠加法,对海上半潜漂浮式风机-TMDs耦合系统提出并建立了9自由度多体动力学模型。基于H_(∞)算法,即以平台纵摇频响函数的峰值为优化目标,对分布式TMDs的参数进行优化设计,优化设计中考虑了3个TMDs之间的耦合关系。对风机-TMDs耦合系统开展了风浪联合作用下的数值模拟,分析了分布式TMDs对平台纵摇响应的减振效果。结果表明:最优设计下的分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机平台纵摇振动具有良好的减振性能;在三种不同工况的随机风浪荷载作用下,分布式TMDs对平台纵摇固有频率附近的功率谱密度曲线峰值减振率和标准差减振率能分别达到39%和52%以上。

锚杆倒肋式风机基础受力性能的数值模拟

为了解决风机基础施工成本高、施工难度大等问题,提出了一种新型锚杆倒肋式风机基础。利用有限元分析软件ABAQUS对该新型风机基础与传统梁板式风机基础在极端运行荷载工况下的混凝土应力、钢筋应力、基础位移以及基础倾斜率进行数值模拟分析,并进一步讨论二者的混凝土用量、钢筋用量、土方开挖量。结果表明,锚杆的添加以及倒肋的结构设计使锚杆倒肋式风机基础的受力性能、经济性等方面明显优于传统梁板式风机基础,具有较好的应用前景。

波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的统计线性化方法及其在振动控制中的应用

针对海上浮式风机既有分析方法难以高效率地预测其随机动力响应这一问题,提出了一种基于统计线性化算法的波浪耦合作用下浮式风机非线性系统的随机响应快速计算方法,并对其在浮式风机振动控制中的应用进行了研究。以Spar型海上浮式风机为对象,基于拉格朗日方程建立了其4-DOF的波浪耦合作用下的非线性模型,并验证了所建模型的准确性。在所建立的非线性模型基础上,提出了基于统计线性化算法的Spar型浮式风机随机振动分析方法,并从多方面对该方法进行了验证,结果表明该方法能将计算效率提升4,5个数量级,且具有足够精度。将该方法应用于浮式风机振动控制中,高效率地实现受TMD控制下的风机的控制参数优化和性能分析,得到了TMD的最优控制参数,发现TMD对浮式风机的振动控制效果有随海况等级的提高逐步降低的趋势。所提出方法兼具高精度、高效率和在不同海况下的普适性,同时也为海上浮式风机的设计优化、疲劳分析、可靠性验算等基于统计特性的研究提供了一种高效的分析方法。

考虑桩-土相互作用的超大型单桩式海上风机结构地震响应

为了解决桩-土相互作用对超大型单桩式海上风机结构地震响应影响的问题,基于IEA 15 MW的固定式单桩海上风机原型,使用Abaqus建立考虑桩-土相互作用与泥面固定2种风机结构模型,桩-土相互作用通过一组非线性弹簧模拟。考虑风-波浪与地震联合作用,分析桩-土相互作用对超大型固定式单桩海上风机结构动力响应的影响。结果表明:针对超大型海上风机,桩-土相互作用效应使风机支撑结构的特征频率降低3%~6%;考虑桩-土相互作用的大兆瓦风机动力响应远大于泥面固定风机模型的动力响应;海上风机尺寸越大,桩-土相互作用引起的海上风机结构动力响应偏差越显著。

海上可移动式风机装备研制过程中的关键技术问题

可移动式风机是一种既能利用海上风资源进行发电储能,又具备一定自航能力的海上能源装备。与固定式海上风机以及系泊式漂浮风机相比,可移动式风机的有效作业水深更大,可以开发深远海蕴含的大部分风能,同时还可以为远海生产生活设施进行供电。本文基于国内外相关最新研究资料,结合作者自身的理解和探索,从基础选型、概念可行性论证、一体化动力分析技术、作业决策技术、安全性评估、水池模型试验技术、建造及安装技术等多个方面,对研制可移动式风机过程中需要解决的关键技术问题进行探讨。

深远海大兆瓦级半潜式风机基础运动特性数值模拟及试验研究

针对水深百米以上的深远海浮式风电开发需求,本文面向可搭载大兆瓦级(15 MW)风机的新型半潜式风机基础的运动特性展开研究。利用AQWA软件建立了该基础与系泊系统的数值模型,基于南海实际海况确定了风机塔筒的载荷,并开展了缩尺比为1∶64的水池模型试验,验证了数值模型计算的准确性;基于验证的数值模型分析了新型风机基础在南海恶劣海况下的运动特性及系泊张力,发现该新型风机基础的运动极值和系泊张力均满足规范要求。相同海况下,新型风机基础与经典半潜式风机基础OC4-DeepCwind(三浮筒平台)的运动性能及系泊缆张力对比结果表明:发电工况下,新型风机基础的垂荡和倾角的极值较三浮筒平台的分别下降62.8%和81.3%;停机工况下,垂荡和倾角的极值则分别下降46.1%和41.4%,充分说明该新型风机基础具有优越的运动性能;而在停机工况下1、2号缆系泊张力最大值分别下降17.4%和9.6%,大大降低了系泊系统的设计难度。研究结果为中国深远海浮式风电开发船型的选择提供了借鉴。

基于改进无模型自适应控制的漂浮式海上风机转矩-变桨协调控制策略研究

针对漂浮式海上风机建模困难、频繁变桨造成的严重疲劳损伤等问题,提出一种基于改进无模型自适应控制的转矩-变桨协调控制策略。该策略不依赖漂浮式海上风机的数学模型,通过集成迭代学习控制策略改进无模型自适应控制方法,设计发电机电磁转矩和桨距角作为控制变量的多输入多输出控制器进行协调控制,允许非零度桨距角下风机用做动能缓冲,在平滑输出功率的同时减少变桨动作量。为证明所提出控制策略的有效性,在多种风场景下,与增益调度PI控制等方法进行了对比实验。结果表明:所提出的控制策略使漂浮式海上风机在满足发电功率平稳性的同时减缓了漂浮平台的俯仰运动,可有效降低漂浮式海上风机的疲劳载荷。

大型漂浮式风机塔架系统固有频率快速评估方法

漂浮式风机塔架为细长高耸柔性结构,受风、浪、风轮旋转等多源复杂激励作用,塔架固有频率和模态的准确评估是漂浮式风机系统设计的关键环节。针对当前漂浮式风机塔架的模态分析大多基于塔底固定假设,未考虑浮式基础和风机正常作业的影响。提出了一种准确高效的大型漂浮式风机塔架固有频率快速评估方法,分析了漂浮式风机塔架固有频率的变化特性及规律。结果表明:当风机处于停机状态时,塔底固定的简化模型得出的塔架固有频率存在约10%的偏差,塔架固有频率评估需考虑浮式基础的影响;当风机处于运转状态时,上部风轮气动附加质量效应导致塔架的固有频率略有减小。研究结果可为漂浮式风机塔架以及控制策略的设计提供参考。

漂浮式海上风机施工安装现状与发展趋势及技术挑战

漂浮式海上风机是开发和利用海上风能资源的关键技术装备,对拓展海上风电的开发空间具有重要战略意义。施工安装是漂浮式海上风机全生命周期的重要环节,也是实现海上风电经济、安全和高效开发的关键。然而随着海上风机的深远海和大型化发展,施工安装难度大幅提升,现有安装工艺及技术装备无法满足其安装作业需求。本文首先回顾了国内、外漂浮式海上风机发展历程,展望了未来漂浮式海上风机在降本增效以及解决施工安装难题中的创新设计理念;然后在此基础上,通过工程案例分析,总结梳理漂浮式海上风机运输安装工艺,分析漂浮式海上风机运输安装关键问题与技术挑战;最后针对漂浮式海上风机施工安装难题,从新工艺、新装备和新技术等方面提出发展建议,以期为漂浮式海上风电迈向深远海提供参考。

基于缩放设计及一体化仿真的漂浮式风机虚拟重构方法

在漂浮式风机一体化设计中,由于整机厂商风机参数非完全公开,浮体设计单位仅能基于塔底载荷数据开展浮体及系泊系统设计。本文提出了一种基于风机缩放和一体化仿真的风机虚拟重构方法,通过对各参数进行趋势拟合,实现风机叶片及控制系统的关键参数重构,在“海油观澜号”7.25 MW漂浮式风电项目中使用;针对风机控制系统进行了优化设计,选取了合适参数以保证风机的平稳运行;最后进行一体化耦合分析以验证重构风机的动态响应是否满足精度要求。结果表明:该风机重构方法可以较好地重构目标风机关键参数,额定状态下功率达到7.25 MW,且动态气动性能稳定,功率曲线及推力曲线合理;基于重构风机的一体化仿真计算得到的重构风机与目标风机塔底主控载荷均值相对误差小于10%,塔底主控载荷吻合良好。该方法已通过“海油观澜号”的应用验证,为漂浮式风机浮体及系泊系统的工程设计提供了重要技术支撑。

四浮筒半潜式海上风机基础水动力性能分析

参照三浮筒式OC4半潜式风机基础,设计了四浮筒式浮式风机基础。建立三浮筒式OC4半潜式风机基础与四浮筒式浮式风机基础水动力模型,利用AQWA软件分析四浮筒式浮式风机基础相关水动力参数,并将四浮筒式浮式风机基础与三浮筒式OC4半潜式风机基础进行不同工况下的时域分析对比,探究两者间性能差异。结果表明,四浮筒式浮式风机基础具有良好的水动力性能,相较于三浮筒式OC4半潜式风机基础,其在纵荡、横荡、纵摇、艏摇4个自由度方向上的运动响应以及缆绳张力方面存在优势。

多浮筒全潜式海上风机整机拖航运动特性试验对比

[目的]基于搭载了DTU 10 MW风机的三四筒型全潜式浮式风机整机海上拖航过程,开展了物理模型试验,对比研究三浮筒型式和四浮筒型式的SFOWT在拖航过程中各自由度运动响应及拖缆力在不同工况下的变化规律。[方法]首先在静水中开展自由衰减试验,随后在规则波和不规则波浪环境中开展拖航过程试验,研究不同的拖缆点高度、波高以及周期对拖航过程的影响。[结果]结果表明:(1)对SFOWT的垂荡、横摇和纵摇自振周期进行分析,发现相同自由度下2种结构SFOWT的自振周期相差在5 s以内,三浮筒式SFOWT与四浮筒式SFOWT相比,三浮筒式SFOWT垂荡加速度更小,纵摇和横摇的自然周期更大;(2)随着波高的增加,SFOWT在各自由度上的响应以及拖缆力都在增大,规则波和不规则波工况下波高的增加对三浮筒型式SFOWT垂荡加速度、横摇角的影响更大,纵摇角以及拖缆力较小;(3)当波浪周期与SFOWT自身的固有周期相差较大时,随着波浪周期的增大,除垂荡加速度外SFOWT各自由度上的响应呈现减小的趋势;(4)当拖缆点高度与水线面齐平时,2种型式SFOWT的拖缆力幅值较其他两种工况最大分别减小11.1%和14.7%。[结论]四浮筒型式SFOWT的拖航运动性能更佳。在实际工程中,应当将拖缆点高度布置在结构自浮时水面线所在的位置,以减小拖航过程中的运动响应。

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。

张力腿式风机动力响应的简化刚体理论模型分析

为探究张力腿式(TLP)风机的运动响应规律,快速获取其结构的动力响应特性,供海上漂浮式风机概念设计参考,对该型风机运动响应的简化模型进行研究。以美国国家可再生能源实验室(NREL)提出的TLP风机为研究对象,基于欧拉-拉格朗日动力方程建立三自由度简化理论模型,求出该模型的位移响应理论解,并将其与OpenFAST数值仿真结果进行对比,验证该简化理论模型的准确性。研究表明,在TLP浮式风机运动幅度较小的情况下,采用简化的理论模型能提高响应的求解效率,同时保证计算精度满足要求。通过该简化模型能快速得到TLP浮式风机结构的动力响应特性,为海洋结构防灾减灾及振动控制研究提供参考。