Spar型海上浮式风力机系统运动耦合计算方法

针对海上浮式风力机系统(FOWTs)与风浪流相互作用问题,建立了时域非线性耦合动力学方程和流体动力数学模型,采用Fortran语言编程、时域频域转换和龙格-库塔法迭代求解方法,分析定常风、规则波和随机风浪环境下,Spar型FOWTs除艏摇之外的5自由度运动响应特性。结果表明,额定定常风速时,风力机系统5自由度运动响应的平均值和峰峰值都受影响,而其他定常风速不影响纵向运动响应的峰峰值;规则波对5自由度运动响应的平均值影响很小,但峰峰值明显增大;在随机风浪下,FOWTs的纵荡(摇)和升沉运动分别不同程度地出现明显低频性和波频性,而且与风速相关。分析方法及其结果为海上FOWTs的运动性能设计提供参考。

新型海上浮式风力机概念设计

以美国可再生能源实验室(NREL)研究所选用的5MW海上风力机为主要参考模型,概念性地提出一种新型张力腿-锚缆结合式系泊系统的浮式平台形式。综合考虑顶部风机响应、支撑结构和下部系泊系统的动力耦合作用,参照IEC 61400-3海上风力机设计规范中的典型设计工况,采用数值模拟的手段对新型海上风力机浮式平台进行风浪流联合作用下的时域分析。结果表明,新型张力腿-锚缆结合式系泊系统可很好地保障海上5MW浮式风力机的正常工作性能,其对未来海上浮式风力机的发展具有积极的指导意义。

偏航工况下海上浮式风力机基础运动响应及锚泊载荷影响分析

海上浮式风力机受风、浪、流等外部载荷影响,运营期间经常处于偏航工况,给风力机基础运动响应和锚泊载荷带来重要影响。基于经典叶素动量理论及势流理论,建立海上浮式风力机水—气动力耦合分析模型,对在非定常风、不规则波浪联合作用下,风力机偏航时基础运动响应及锚泊载荷等进行分析。研究发现,额定风速工况下,风力机偏航对平台纵荡和纵摇运动影响较大,偏航30°时纵荡和纵摇平均值比偏航0°时分别下降20.68%和37.36%,垂荡运动响应受风力机偏航影响较小;锚泊载荷变化趋势与平台运动及锚链布置有关,平台纵荡对锚泊载荷影响较大,偏航30°时锚链#1有效张力平均值比偏航0°时下降12.98%。

基于动力特性的南海浮式风力机多准则评价

基于海上大功率风力机动力特性约束和海洋环境激励要素特征,采用理想最优多准则评估方法,综合考虑海上施工、安装、运营的环境影响、经济性能和结构水动力特性,比较评价南海环境条件下,3种不同大功率浮式风力机——Barge、Spar和TLP的整体工作性能。研究结果表明:浮式Spar风力机为给定条件下的理想最优。该方法可用于南海风力发电深水开发结构选型和新型结构开发的综合评价及方案决策。

水轮机位置对Spar式风-流系统动力响应的影响

为研究水轮机安装位置对Spar式风-流互补系统耦合动力学特性的影响,基于开源软件OpenFAST和商用软件AQWA建立了Spar式风-流互补系统气动-水动-伺服-弹性全耦合仿真模型。运用叶素动量理论、模态法和辐射绕射理论分别计算了水轮机安装于水平面以下-70,-80,-90,-100和-110 m处的平台运动、系统输出功率及系泊张力,并与无水轮机时的计算结果进行对比分析。结果表明:当水轮机安装于水平面-110 m时,与无水轮机时相比平台纵摇平均值降低了11.57%,系统输出功率增加10.15%,说明Spar式风-流互补系统在提升功率的同时还可以增强系统运动稳定性。