Fluid-structure interaction simulation of dynamic response and wake of floating offshore wind turbine considering tower shadow effect

The comprehensive numerical simulation of the tower shadow effect on floating offshore wind turbines(FOWTs),an area less explored compared to fixed-bottom wind turbines,is presented in this study.The atmospheric boundary layer inflow and the joint north sea wave project random wave are used as the operating conditions for FOWT.The combination of computational fluid dynamics(CFD)software simulator for wind farm applications and turbine simulation tool OpenFAST is used to implement fluid-structure interaction calculations.The output power,platform motion,wake velocity deficit and vortex structures are analyzed to reveal the influence of the tower shadow effect on the FOWT.The results indicate that due to the fluctuation caused by the turbulent wind and the floating platform motion,the tower shadow effect of FOWT is less significant for its periodic power decay than that of fixed-bottom wind turbines.And according to the velocity deficit analysis,the influence area of the tower shadow effect on the wake is mainly in the near wake region.

基于ANSYS的海上风机塔筒的自振特性分析

海上风电项目是可再生能源开发和利用的焦点,在开发海上风能的过程中,风机塔筒的自振特性是影响结构安全的重要一环.本文以某一风机塔筒为例,采用ANSYS有限元分析软件进行模态分析,讨论了3种处理质量、刚度非连续变截面塔筒结构的数值模拟简化建模方法,并比较3种方法在自振频率计算方面的准确性.研究表明,采用最大外径进行简化建模可以大大减小前两阶自振频率计算的误差率,所得结论可为类似结构自振频率简化计算提供依据,对于保证海上风电项目的安全性和可靠性有重要意义,具有一定的工程参考价值.

不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响

基于ANSYS有限元软件对NREL 5 MW单桩式海上风电机组塔筒系统进行三维实体建模,在考虑土构耦合与叶轮旋转作用下,模拟分析不同风速对塔筒结构动态响应特性的影响。选取机组切入风速3 m/s与切出风速25 m/s区间内6种平均风速及与之对应的叶轮转速作为模拟工况,分析结果表明:随着风速和叶轮转速的增加,塔筒结构的模态频率逐渐增大,前两阶模态频率变化最为明显;塔筒位移量峰值增大,但增幅减小,位移量呈非线性增长趋势;塔筒等效应力值随之增大,但变化趋势与位移量不同,大致为线性增长;塔筒疲劳寿命急剧下降,但都远超实际工作时长,疲劳损伤与安全系数危险值主要分布在塔筒底部与单桩处,与最大等效应力分布位置吻合。

海上漂浮式风电机组塔筒优化方法研究

为适应复杂多变的海上环境,高效利用风资源、减少用钢成本,开展漂浮式风电机组塔筒的结构优化设计。以船载风电机组为研究对象,引入漂浮式基础的动态响应,作为影响塔筒弯曲变形的重要约束条件。在保证风电机组稳定功率输出的前提下,以质量最轻为优化目标,以塔筒构造要求和规范为基本约束条件,建立漂浮式基础风电机组塔筒的数值优化模型,并利用遗传算法完成了模型优化。结果显示,在保证风电机组稳定性和正常功率输出要求下,塔筒的质量降低了35%,刚度提高了25%。

海上风电机组支撑结构一体化设计方法

受设计工作范围分工和责任的制约,风电机组设备厂商和风电场建设单位分别设计塔筒和导管架,这种分离式设计通过塔筒底部载荷传递并反复迭代确定结构型式及尺寸。此外,现有的海上风电机组导管架设计参考海洋石油平台等规范,忽略了海上风电机组的受力特点。上述两层原因较大程度上制约了支撑结构的力学性能,且设计迭代次数较多,并无法准确获取整体结构的动态响应。为解决上述问题,提出基于拓扑优化的导管架结构设计方法,并通过改变塔筒和导管架分界面位置,即扩大拓扑优化设计空间进一步提高结构性能。选取NREL 5 MW海上风电机组为研究对象,分别对比参考结构、拓扑优化结构和一体化设计结构的固有频率和不同极限工况下的最大变形。结果证明了所提出支撑结构一体化设计方法的有效性和优越性。

不同海域水文环境与风力机疲劳载荷差异性研究

在整机基础支撑结构的设计开发过程中,了解波浪载荷对海上风力发电机组疲劳载荷的影响至关重要。该文选取中国沿海地区部分典型海上风电场址,通过波浪凝聚及JONSWAP谱,对所选典型场址的波浪水文条件进行分析处理,并以此为变量,仿真研究不同波浪对于海上风力发电机组关键部件的疲劳载荷影响。最后,引入风浪异向,更贴合实际地评估波浪对疲劳载荷的影响。

基于改进黑寡妇算法的海上风机塔筒生产线布局优化

为减少海上风机塔筒生产车间的物资搬运距离并提高搬运效率,降低生产车间的物流成本,分析塔筒生产线的特点和存在的问题,包括生产工位配置不合理、物流繁琐等,提出一种基于改进黑寡妇算法的生产线布局优化方法,旨在通过最佳的生产工位配置和物流规划,实现生产线的高效运转。将新方法与遗传算法、和声算法以及原始黑寡妇优化算法等进行对比试验,结果表明,所提出的布局优化方法能够显著提高海上风机塔筒生产线的生产效率并降低物流成本,对促进海上风机生产效能的提升具有一定的指导意义。

海上风电塔筒用超高性能灌浆料的制备及性能研究

研究了硅灰掺量、石英砂级配、胶砂比、水胶比、外加剂掺量对海上风电塔筒用超高性能灌浆料工作性和力学性能的影响,并确定了最佳配合比。结果表明:灌浆料的最佳配合比为水胶比0.22、胶砂比1.0、石英砂级配m_(2.00~0.60 mm)∶m_(0.60~0.28 mm)∶m_(0.28~0.10 mm)=54∶23∶23、硅灰掺量6%、复合膨胀剂掺量6%、消泡剂掺量0.10%、塑性膨胀剂掺量0.03%;在最佳配合比下,灌浆料的初始流动度为340 mm,30 min流动度为320 mm,1 d抗压强度为68.7 MPa,3 d抗压强度为94.2 MPa,28 d抗压强度为132.9 MPa,3 h竖向膨胀率为0.23%,24 h竖向膨胀率为0.27%。

海上风电运维机器人在风机塔筒的应用

海上风电风机塔筒运维困难,人工检测成本高,为此,提出使用运维机器人代替人工检测。首先,探讨海上风电运维机器人的需求和发展历程;其次,介绍该型机器人的主要功能和技术,以及其在海上风电风机塔筒检测中的作用;最后,通过应用实例详细说明机器人的工作,并证明其在海上风电运维领域的有效性。测试表明,海上风电运维机器人可以有效承担风机塔筒的运维任务,对海上风电的发展具有积极影响。

海上风电的若干关键技术综述

海上风力发电是风电产业未来的主要发展方向.着重对海上风电所涉及的若干关键技术及发展情况进行了论述与分析,包括发电机设计及新结构研究、叶片材料选择与翼型设计、桨距控制技术、冷却系统设计技术及新进展、变流器及其控制器技术、风机塔架设计关键技术与基础结构选择、输电并网系统架构和风机状态监测技术等.采用大型直驱/半直驱风机、封闭循环式冷却系统、翼型设计的柔性叶片、多电平变流器和悬浮式基础结构,应用高压直流输电技术,并配置状态监测系统的大型深海风场是未来海上风电技术的发展主流.

风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析

研究了海上风力机圆筒型塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法;建立了基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的混泥土塔架安全寿命估计方法。应用线性波理论仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒型塔架上的波浪载荷。通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,建立了波浪力的分析计算模型;用有限元数值分析方法,求解了塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等;用雨流计数法统计循环参量,将工作循环应力水平等寿命转换成对称循环下疲劳载荷谱,分析了变幅载荷谱下塔架的疲劳损伤及疲劳寿命。算例表明:该文的工作为海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法。

预应力混凝土-钢组合风电塔架塔段优化研究

以某2 MW传统钢筒结构风电塔架为对象,采用预应力混凝土-钢组合塔架结构取代原钢筒结构,并对组合塔架结构的两塔段进行优化.以造价为目标函数,在塔架几何外形不变的情况下,考虑预应力混凝土与钢塔段的强度、刚度、稳定性、疲劳以及自振频率、顶部最大位移等约束条件,借助改进的粒子群优化算法,对预应力混凝土和钢塔段的高度及其截面尺寸进行优化.结果表明,采用粒子群算法对预应力混凝土-钢组合塔架两个塔段进行优化后,在满足各项约束条件的前提下,组合塔架结构形式的造价比传统钢塔架造价降低约27%.

基于谱分析方法的海上风机支撑结构疲劳寿命分析

用精细化的有限元模型对某典型海上风机支撑结构进行了数值计算,分析了波浪以及风机荷载对海上风机支撑结构疲劳寿命的影响。利用热点应力谱分析的方法,对疲劳分析的关键点进行疲劳寿命评估,并进一步分析了各个短期海况对支撑结构疲劳累积损伤的影响。研究表明,节点的疲劳寿命满足设计要求;波浪离散表中概率较小、波高相对较大的海况,对海上风机支撑结构疲劳寿命影响很大,在计算中应该格外注意;波浪荷载引起的疲劳损伤在结构疲劳设计中不能忽略。

风力发电机塔架K型相贯节点静力性能试验研究

对4个钢管混凝土风力发电机塔架K型相贯节点进行了单调静力加载试验,同时进行了1个钢管K型相贯节点的对比试验.研究了这两种相贯节点的破坏机理和破坏特征、节点进入塑性后的变形发展过程以及相贯线附近的复杂应力状态和分布规律.试验结果表明:由于混凝土的存在,钢管混凝土相贯节点的失效模式与空钢管相贯节点完全不同,钢管混凝土节点发生了受压腹杆的局部屈曲和整体弯曲,塔柱管壁没有明显塑性变形;而空钢管节点的失效模式为塔柱钢管表面塑性失效.两种节点在相贯线附近的应力分布也不相同,钢管混凝土相贯节点在受拉腹杆接头处鞍点位置的应力最为集中,远超过钢材的屈服强度,其他测点处仍处于弹性受力阶段;空钢管相贯节点在相贯线附近的测点均屈服,应力峰值在冠点附近.本次试验结论可为钢管混凝土K形焊接相贯节点的设计提供参考.

气动阻尼对海上风力机筒形塔架的影响

首先阐述海上风力机筒形塔架有限元模型和动力学运动方程,对海上风力机筒形塔架所受外部载荷以及来自风轮的空气动力阻尼模型进行详细分析,然后对海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应进行计算,并对风力机运行寿命期(20a)内的疲劳载荷进行对比分析,编制相应的计算机程序。以某5.0MW海上风力机筒形塔架作为算例,仿真其在湍流风场作用下的发电工况,分析气动阻尼对海上风力机筒形塔架的具体影响。分析结果表明:气动阻尼对海上风力机筒形塔架的动力响应和疲劳载荷具有较大影响。

复杂海况下风力发电机建模与动态特性仿真分析

考虑到海上风力发电机可能会受到冰载荷的影响,将随机冰力函数模型添加到风力发电机模型中,利用莫里森方程模拟海浪作用,建立复杂海况下多体动力学联合仿真模型,进行多场耦合作用下的风力机动力学特性分析,以此评估风力机系统在复杂工况下的运行风险。结果表明:风力机塔顶位移的波动主要受风载的影响;波浪、海冰对塔基载荷性能影响较大,会使塔筒产生持续振动并引发疲劳破坏,风冰联合作用时振动更为剧烈;由于海冰的持续撞击作用会使塔基载荷普遍大于无海冰作用情形,因此,针对海冰工况下风力发电机的设计要有所修正及完善。

风力发电机组钢筋混凝土塔筒设计研究

目的通过对风荷载作用下的风力发电机组钢筋混凝土塔筒进行计算、分析和对比,研究用钢量和用混凝土量随着塔筒壁厚和塔筒外径变化的规律,解决塔筒优化设计问题.方法根据规范规定的环形截面计算方法,分别计算了塔底外径6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m,塔筒壁厚200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm时所需钢筋用量和混凝土用量及其材料总造价.结果混凝土用量随着壁厚和外径的增加而呈线性增加,而钢筋用量和总造价随着壁厚和外径的增加呈非线性变化.结论在满足规范要求情况下,钢筋混凝土塔筒塔底外径11 m、壁厚200 mm时,材料总造价最低.

泥沙对海上风力机单桩式塔架的作用分析

研究单桩式圆锥形塔架在随机风载荷、波浪载荷及泥沙的非线性约束作用下的动力响应与动力特性的数值模拟方法;探讨泥沙对单桩塔架的动力响应与特性的影响。应用分布的非线性弹簧模拟桩土相互作用,分析作用于单桩塔架上的泥沙载荷;运用线性波理论模拟不规则波浪,通过有限元方法建立塔架结构动力方程,由Morison方程计算波浪载荷。以某兆瓦级海上风力机塔架为例,研究泥沙与塔架相互作用下的土弹簧刚度沿泥沙深度的变化,考察不同参数泥沙对塔架模态和动力响应的影响。算例分析表明,泥沙变形的非线性特性对风力机的作用不可忽略,改变泥沙参数会引起塔架的动力特性和响应的变化。研究对于近海风力机流固耦合及整机动力特性的分析具有重要参考价值。

水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。

海上风电机组格构式浮式基础结构优化及响应分析

面对日益严峻的环境问题,优化浮式基础结构形式成为海上风电降本增效的一大途径。对一种具有双重抗摇摆机制的新型格构式浮式基础进行结构优化,通过格构式塔架不同布置形式的参数化分析,寻找最适合格构式浮式基础的系杆布置形式,同时对优化后格构式浮式基础进行水动力响应分析,验证优化方案可行性。结果表明:在格构式系杆布置方面,斜向系杆与角柱的角度不宜设置较大;减少横杆、增大斜杆截面面积能够更有效地提升结构抗侧刚度和承载能力。优化后的浮式基础受力性能优于原格构式浮式基础,大大提高了格构式浮式基础结构的经济性,同时其各自由度上固有周期均远大于典型波浪周期,具有良好的耐波性。