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海上浮式风机平台动力特性的研究

黄民希  
【摘要】:海上风能有着风速高、湍流程度小、主导风向稳定等优势。特别是对于我国人口密集且电力需求较大的东部沿海地区,开发海上风能在提供清洁高效的电力能源的同时不会占用日益紧张的土地资源。但是海上风能资源多分布在离岸超过10km的海域,而这些海域水深一般在30 m以上,超过了固定式海上风机的适用、经济范围。为能有效地开发利用深水风能、提高海上风电场的经济性,可以将风力发电机安装在浮式平台上形成海上浮式风机以适应更大的水深。但浮式平台受风、浪、流等多种环境荷载的作用,且存在耦合与非线性等效应,动力响应特性相对复杂,研究其动力特性对于推进浮式风机的大规模应用具有重要意义。为此本文做了以下三个方面的研究:(1)研究了气动阻尼对浮式平台频域响应的影响,选取了美国可再生能源实验室(NREL)提出的5MW风力机和某spar浮式平台模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于势流理论计算浮式平台的水动力系数,并考虑系泊系统刚度,在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式平台运动方程。利用求解方程得到的幅频响应算子(RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式平台运动的影响。(2)对某半潜型浮式风机进行了时域耦合分析,先基于延迟函数法,利用软件Orcaflex和FAST建立了浮式风机耦合时域分析模型,并简要的阐明了该分析方法的基本原理和过程。进而分析了叶轮的风荷载、塔顶位移、浮式平台纵摇运动之间的耦合,以及系泊锚链张力、浮式平台纵荡运动之间的耦合,并分析了风力机在启动过程中叶轮的风荷载、塔底弯矩、系泊张力等荷载与内力的瞬态响应,最后通过位移响应谱分析了浮式平台在各自由度响应的频率特性及其对工况和荷载方向的敏感性。(3)研究了气动荷载对系泊疲劳寿命影响,选取NREL提出的5MW风力机和某半潜型浮式平台为分析对象,并设计了对应的系泊系统,基于环境荷载理论,利用软件FAST和Orcaflex建立浮式风机耦合时域分析模型,并根据不同的环境荷载模型设置了数种时域分析工况。再考虑海洋环境的长期分布,利用系泊张力时程和雨流计算法,结合Miner线性损伤累积理论和系泊T-N曲线,计算了各个分析工况中的系泊疲劳寿命。通过对比各个分析工况中系泊的疲劳寿命,分析了气动荷载对系泊疲劳寿命的影响。


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