半潜式浮式风机支撑平台首摇运动特性分析

借助FAST软件对OC4半潜式浮式风机平台进行数值计算,分析了影响海上浮式风机平台首摇运动的一系列重要因素及其变化规律(如风向变化、浪向变化、陀螺力矩等)。研究了平台首摇运动所诱导的风机系统动力响应,发现浮式风机首摇运动不仅会加剧平台耦合运动响应,而且还会影响风机的气动性能和加剧锚泊张力波动。提出并探讨了几种减小海上浮式风机支撑平台首摇运动的方法。     

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％.     

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。     

畸形波作用下半潜浮式风机系泊失效停机响应分析

半潜浮式风机逐渐在深海风电开发中受到关注,建立风机、平台与系泊结构耦合数值计算模型,通过FAST与AQWA链接进行风机塔基荷载及平台运动响应相互耦合传递,基于随机波与极限波组合模型生成畸形波时程序列,进行半潜浮式风机系泊失效全过程时域模拟计算分析,得出系泊锚链张力、风机、塔筒和平台运动时程响应,探究系泊失效、风机停机和叶片变桨速率对浮式风机平台系泊结构动力响应的影响。结果表明：畸形波作用下浮式平台和系泊结构动力响应显著,系泊失效导致塔基剪力增加,平台纵荡和纵摇运动响应显著增大;风机停机会引起系泊锚链张力显著减小,转子推力、塔基剪力和叶尖挥舞位移响应逐渐衰减,平台纵荡、纵摇和横摇运动响应显著减小;随着叶片变桨速率增加,风机转子推力和塔基剪力波动幅值增大。     

一种新型Semi-Spar式海上风机平台系泊系统优化分析

参考英国的Kincardine风机采用的新式的Semi-Spar概念,结合spar式基础和半潜式基础的特点,提出了一种新式海上浮式风机平台模型,并基于三维势流理论,利用AQWA软件进行水动力计算,验证新式平台可靠性。分析了在风、浪、流荷载联合作用下,锚链竖向夹角、系缆数量对风机浮式平台运动性能和系泊张力的影响,对系泊系统进行优化,并验证极端工况下的可靠性。结果证明风机平台水平运动和纵摇运动幅值较小,但垂荡幅值略大,而通过减小锚链竖向夹角可以控制平台运动响应幅值,增加系缆数量可以同时减小系泊张力大小。计算结果证明了新型Semi-Spar式海上风机平台可行性,为浮式风机平台及系泊系统的设计提供参考。     

基于非定常面元法的海上浮式风机气动性能研究

对于海上浮式风机而言,由于受到剪切风、塔影效应、浮式基础运动等因素的共同影响,其气动载荷会更加复杂,因此如何准确快速地对海上风力机的气动性能进行预估显得尤为重要。基于速度势的非定常面元法理论,研究海上浮式风机气动载荷特性,编制了相关的计算程序。以NREL 5 MW风机为例,建立了叶片和尾流的三维数值模型,计算得到了不同风速下风机的输出功率以及叶片表面的压力分布,对比数据结果分析了该方法的可靠性。针对非定常流动,模拟了剪切风和塔影效应的作用,并重点分析了浮式基础运动对风机气动载荷的影响。研究表明,浮式基础的纵荡和纵摇会增加输出功率的波动幅值,艏摇运动会导致单个叶片上的气动载荷产生较大的波动,为浮式风机叶片控制提供了参考。     

Research on the Influence of Helical Strakes on Dynamic Response of Floating Wind Turbine Platform

The stability of platform structure is the paramount guarantee of the safe operation of the offshore floating wind turbine. The NREL 5MW floating wind turbine is established based on the OC3-Hywind Spar Buoy platform with the supplement of helical strakes for the purpose to analyze the impact of helical strakes on the dynamic response of the floating wind turbine Spar platform. The dynamic response of floating wind turbine Spar platform under wind, wave and current loading from the impact of number, height and pitch ratio of the helical strakes is analysed by the radiation and diffraction theory, the finite element method and orthogonal design method. The result reveals that the helical strakes can effectively inhibit the dynamic response of the platform but enlarge the wave exciting force; the best parameter combination is two pieces of helical strakes with the height of 15%D (D is the diameter of the platform) and the pitch ratio of 5; the height of the helical strake and its pitch ratio have significant influence on pitch response.     

浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应数值模拟

随着海上风电产业的快速发展,大型浮式风机逐渐从概念设计走向工程应用,但仍面临较大的挑战。一方面,在风、浪等环境载荷的作用下,浮式风机的气动载荷和水动力响应之间存在明显的相互干扰作用;另一方面,风力机大型化使得叶片细、长、薄的特点愈发突出,叶片柔性变形十分显著,这会影响到浮式风机的耦合性能。基于两相流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,结合弹性致动线模型和等效梁理论,建立了浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应计算模型,并对规则波和剪切风作用下Spar型浮式风机的气动—水动—气弹性耦合响应进行了数值模拟分析。结果表明,风力机气动载荷使得叶片挥舞变形十分显著,而叶片的扭转变形会明显降低风力机的气动载荷。此外,风力机气动载荷会增大浮式平台的纵荡位移和纵摇角,同时,浮式平台运动响应会导致风力机气动载荷产生大幅度周期性变化。进一步地,叶片结构变形响应会使得浮式风机尾流场的速度损失和湍动能有所降低。     

垂荡板对浮式风机水动—气动耦合性能影响研究

随着风电产业向深远海发展,浮式风机已经成为海上风机未来的发展趋势.由于复杂的风浪联合环境载荷作用,浮式风机作业时通常会产生大幅度的运动响应,这一方面会使得浮式风机系统受到的水动力载荷更加复杂,另一方面会影响浮式风机的输出功率.因此,如何有效地抑制浮式风机系统的运动响应就成为了设计的关键.基于非稳态致动线模型和两相流求解器naoeFOAM-SJTU,进行了带垂荡板的浮式风机耦合性能研究.首先在OC3-Hywind Spar平台上附加垂荡板,并结合NREL-5 MW风力机建立带垂荡板的浮式风机模型.其次对比不同形状的垂荡板对Spar-5 MW型浮式风机气动—水动耦合结果,分析相同风浪联合作用条件下垂荡板形状对浮式风机耦合响应的影响.研究结果表明:垂荡板能够减小纵荡和垂荡等运动响应幅值,但是对纵摇运动响应影响较小;当垂荡板直径和吃水位置相同时,相同风浪条件下圆形垂荡板能使浮式风机的气动平均功率增大约0.844％,而正方形垂荡板却使平均功率减小1.492％,这说明圆形垂荡板对浮式风机系统的作用效果整体而言优于正方形.     

Effect of wave nonlinearity on fatigue damage and extreme responses of a semi-submersible floating wind turbine

Floating wind turbine has been the highlight in offshore wind industry lately. There has been great effort on developing highly sophisticated numerical model to better understand its hydrodynamic behaviour. A engineering-practical method to study the nonlinear wave effects on floating wind turbine has been recently developed. Based on the method established, the focus of this paper is to quantify the wave nonlinearity effect due to nonlinear wave kinematics by comparing the structural responses of floating wind turbine when exposed to irregular linear Airy wave and fully nonlinear wave. Critical responses and fatigue damage are studied in operational conditions and short-term extreme values are predicted in extreme conditions respectively. In the operational condition, wind effects are dominating the mean value and standard deviation of most responses except floater heave motion. The fatigue damage at the tower base is dominated by wind effects. The fatigue damage for the mooring line is more influenced by wind effects for conditions with small wave and wave effects for conditions with large wave. The wave nonlinearity effect becomes significant for surge and mooring line tension for large waves while floater heave, pitch motion, tower base bending moment and pontoon axial force are less sensitive to the nonlinear wave effect. In the extreme condition, linear wave theory underestimates wave elevation, floater surge motion and mooring line tension compared with fully nonlinear wave theory while quite close results are predicted for other responses.     

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

基于UDF的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究

针对水平轴潮流能水轮机被动旋转问题,基于Fluent 17.0,运用UDF(User Defined Function)控制滑移网格对网格进行动态调整,仿真研究水轮机在不同安放角下被动旋转的水动力特性。通过仿真分析,结果表明:潮流能水轮机随着叶片安放角度的增加,尖速比、输出功率、捕能系数都是先增大后减小,叶片安放角为6°时,叶轮前后速度差最大,对潮流能利用充分,且各项性能均达到最佳;通过分析叶片受力,叶尖叶素在安放角为2°时阻力最大,3°时升力最大,升阻比在6°时最大,此时叶尖叶素升阻比C_L/C_D=6.27、攻角α=3.06°。由仿真结果可知水平轴潮流能叶轮的自启动过程由5个阶段组成,即加速度增大的加速运动段—加速度减小的加速运动段—加速度反向增大的减速运动段—加速度反向减小的减速运动段—稳定运行段,这对潮流能水轮机的设计具有重要的指导意义。     

超大型和大型半潜浮式海上风力机动力响应对比

以超大型风力机(DTU 10 MW)为研究对象,对现有的大型(NREL 5 MW)无撑杆半潜浮式风力机支撑平台进行放大设计,用于支撑超大型风力机,基于气动-水动-伺服-弹性全耦合计算模型,根据设定的典型工况,使用FAST软件对超大型和大型无撑杆的半潜浮式风力机系统进行时域耦合分析,并依据计算结果对超大型和大型浮式风力机系统的运动响应和结构动力反应等特性进行对比分析。研究发现:半潜浮式风力机大型化后,气动荷载效应对风力机系统的激励作用更为突出,使得浮式平台运动由风荷载激励的低频共振反应比例增大,波频运动比例减小,这也导致由浮式平台低频运动激励的锚链张力反应增大。此外,高倍的飞轮转动频率对大型半潜浮式风力机叶片、塔架结构的激励作用较超大型半潜浮式风力机更为显著。     

风浪流中涡激共振对Spar型浮式风机运动响应的影响

以Spar型浮式风机为研究对象,研究涡激力对于浮式风机系统运动的影响。对多体动力学软件FAST进行二次开发,加入涡激力的计算接口,实现了在平台涡激、波激、空气动力载荷及系泊联合作用下的Spar浮式风机系统的运动响应的计算。计算了在风、浪、流联合作用下,频率锁定现象发生时,Spar基础的运动响应,分析了风浪下Spar风机运动响应的涡激运动特性,并研究了不同的入流角度的影响。结果表明:考虑涡激力后,Spar基础的横荡运动明显增大;风浪流同向时,风浪的存在会抑制流载荷引起的横荡在涡泄频率的运动;在流与风浪垂直时,会激发Spar基础的更大的纵荡运动响应。     

海上风电半潜式基础初步选型Pareto-Optimal评价

针对半潜漂浮式风电基础初步选型,采用Pareto-Optimal评价方法对不同吃水、平台立柱直径、立柱间距和垂荡板直径四个参数的不同组合进行分析比较。基于浮体动力学频域计算方法,采用我国阳江某海域极限波浪条件计算得到叶轮中心水平加速度,同时考虑完整稳性的计算结果。对比分析表明平台吃水和立柱直径宜选择适中的取值,较大的排水量和立柱总体积并不会显著减小叶轮中心水平加速度。垂荡板对于改善平台整体性能是较为敏感的,垂荡板与立柱的直径比存在一定的最佳范围。平台立柱间距是影响平台运动性能最大的因素,增大立柱间距可以有效地降低叶轮中心水平加速度,但立柱间距的增大对立柱间的撑杆结构强度以及平台整体的建造和下水提出了较大的挑战。     

新型半潜式海上风力机基础水动力特性研究

概念性地设计了一种新型半潜式海上风力机基础,确定了结构的型式和尺寸,对风浪联合作用下不同工况的风力机基础稳性进行了校核.考虑黏性阻尼和二阶波浪力的作用,计算分析了风力机基础的水动力系数、幅频运动以及动力响应特性.结果表明,经过改进的新型风力机基础具有良好的稳性和水动力性能,特别是在垂荡性能上有大幅的提升.波浪入射角度对垂荡的影响不大,但对其他自由度RAOs影响较大.垂荡、横摇和纵摇RAOs均存在一个主峰值和次峰值,但峰值周期均远离波能集中区.此外还发现,不同工况下风浪入射角对风机系统的动力响应和系泊力均有较大影响,相对于工作工况,极端工况下所受风荷载较小,但是系泊力更大.     

离岸裙式吸力基础在砂土地基中沉贯性研究

吸力基础是海洋工程中新型的一种基础型式,广泛应用于海洋平台、海洋浮动式结构等,近年来,也被作为浅海离岸风力发电工程的基础。吸力基础易遭受较大的水平动力荷载和弯矩,从而可能产生较大水平位移和转角;同时,由于海床冲刷,会降低其承载能力。为克服这些不足,提出了一种新型吸力基础———裙式吸力基础,把分析传统吸力基础砂土中的沉贯方法,拓广到裙式吸力基础中,研究该基础型式在砂土中的可沉贯性以及所需的吸力;并与同情况下的传统吸力基础进行了比较,证明了所提出的裙式吸力基础具有较好的沉贯性能,具有工程实践推广价值。     

Experiment Study of Dynamics Response for Wind Turbine System of Floating Foundation

The floating foundation is designed to support a 1.5 MW wind turbine in 30 m water depth. With consideration of the viscous damping of foundation and heave plates, the amplitude-frequency response characteristics of the foundation are studied. By taking into account the elastic effect of blades and tower, the classic quasi-steady blade-element/momentum (BEM) theory is used to calculate the aerodynamic elastic loads. A coupled dynamic model of the turbine-foundation- mooring lines is established to calculate the motion response of floating foundation under Kaimal wind spectrum and regular wave by using the FAST codes. The model experiment is carried out to test damping characteristics and natural motion behaviors of the wind turbine system. The dynamics response is tested by considering only waves and the joint action of wind and waves. It is shown that the wind turbine system can avoid resonances under the action of wind and waves. In addition, the heave motion of the floating foundation is induced by waves and the surge motion is induced by wind. The action of wind and waves is of significance for pitch.     

Design and Test of 1/5th Scale Horizontal Axis Tidal Current Turbine

Tidal current energy is prominent and renewable. Great progress has been made in the exploitation technology of tidal current energy all over the world in recent years, and the large scale device has become the trend of tidal current turbine (TCT) for its economies. Instead of the similarity to the wind turbine, the tidal turbine has the characteristics of high hydrodynamic efficiency, big thrust, reliable sealing system, tight power transmission structure, etc. In this paper, a 1/5th scale horizontal axis tidal current turbine has been designed, manufactured and tested before the full scale device design. Firstly, the three-blade horizontal axis rotor was designed based on traditional blade element momentum theory and its hydrodynamic performance was predicted in numerical model. Then the power train system and stand-alone electrical control unit of tidal current turbine, whose performances were accessed through the bench test carried out in workshop, were designed and presented. Finally, offshore tests were carried out and the power performance of the rotor was obtained and compared with the published literatures, and the results showed that the power coefficient was satisfactory, which agrees with the theoretical predictions.     

风浪流中半潜式风机系统动力响应特性研究

以三浮筒(Tri-floater)型半潜式风机系统为对象,采用时域方法,考虑垂荡板的黏性阻尼效应,研究系泊缆直径、长度、预张力和布置方式等参数对其在风浪流中动力响应特性的影响规律,提出了一种系泊参数优化方法。在此基础上,根据东海和南海三个不同水深区域百年一遇海洋环境条件,通过调整Tri-floater型浮式基础的吃水和垂荡板等参数,有效地提高了其运动响应周期,减小了其运动响应幅值。同时,根据风机浮式基础运动幅值的设计规范要求,针对三个不同水深区域特点,设计了Tri-floater型浮式基础的系泊系统。计算结果表明,改进后的Tri-floater型半潜式风机系统能满足百年一遇极端环境下的作业要求,适合于东海和南海海洋环境下海上风能资源的开发。