海上风电基础结构研究现状及发展趋势

对国外海上风电机组基础结构的研究与工程应用现状进行了较为详尽地分析,重点对我国海上风电场开发建设有借鉴意义的重力式结构、单桩结构、三角架结构和导管架结构进行了分析论述.基于我国海洋工程技术水平和海上风电产业发展的动态,分析发展适合我国国情的海上风电机组基础结构的可行性及必要性,提出我国海上风电产业发展所面临的挑战.     

海上风机不同模型的对比分析

海上风力发电作为一种绿色能源,越来越受到重视,风机系统的研究具有重要意义。海上风机支撑结构设计主要基于风机系统完整模型和集中质量简化模型。本文建立了两种模型,通过输入P-y曲线,并模拟施加波浪荷载、潮流荷载、风荷载等,分别对两种模型进行静力分析和动力响应分析。结果表明,两种模型支撑系统的最大水平位移、水平应力和弯矩均存在一定差异,振型和振动频率相差很大,不同模型对风机支撑结构的动力响应有一定的影响。在风机支撑结构设计时,建立完整风机模型更能降低支撑系统承载破坏的可能。     

海上风电支撑结构静力弹塑性Pushover分析方法

我国海上风电建设主要分布在东南沿海,该区域地震荷载作用显著,海上风电属于动力敏感结构,因此,在海上风电结构设计中,对其抗震性能进行评估十分重要,但当前海上风电的抗震性能评估方法不够完善。本文基于建筑结构和地下结构Pushover分析方法,建立了适用于单桩基础海上风机支撑结构的整体Pushover分析方法,开展了海上风电支撑结构抗震性能影响因素分析。研究结果表明,整体Pushover分析方法评估单桩基础海上风电的抗震性能具有一定的可靠性;对于砂土地基,弹性模量与内摩擦角的增大均会导致性能曲线斜率的增大;对于黏土地基,弹性模量与粘聚力的增大均会导致性能曲线斜率的增大;内摩擦角与粘聚力对砂土与黏土地基性能曲线的线性阶段几乎无影响。     

海上风力发电单立柱支撑结构拟静力分析

海上风电支撑结构不同于一般海洋结构物,它受到复杂的风机气动荷载、机械控制荷载和海洋环境荷载的多重作用。文章针对海上某单立柱风电支撑结构,通过分析其结构固有频率的约束限制以及外环境荷载的动力特性,综合考虑外环境荷载尤其是风机荷载的动力放大影响,给出海上单立柱风电支撑结构的拟静力分析思路。并进行极端及操作工况下支撑结构在风、浪、流环境荷载组合作用的应力计算和强度分析。提出该种结构在使用现有海洋结构物设计规范和风机设计规范时的注意事项。该分析比较结果及结论可作为海上类似风电支撑结构的设计参考。     

海上风机高桩承台基础船舶碰撞动力分析

为研究海上风机高桩承台基础受到船舶碰撞作用的动力响应,本文运用非线性分析软件LS-DYNA,结合我国东南某海上风电场实际情况,通过建立风机高桩承台基础与船舶碰撞的有限元模型,研究了船舶在撞击过程中的撞击力时程分布以及高桩承台基础在撞击作用下的响应,分析了船舶碰撞对于风机基础结构的动力影响,对于橡胶护舷对于基础结构的保护作用进行了分析。研究结果表明,船舶撞击速度对于风机基础结构的位移影响显著,需要严格控制船舶靠泊速度。同时,橡胶护舷对于结构起到了良好的保护作用。     

海上风机支撑结构设计分析

介绍海上风机支撑结构的一般失效形式,提出了适合工程实践的设计分析方法,并以某一单立柱三桩的海上风机支撑结构为例,进行了最终强度计算、动力特性分析以及疲劳强度分析。计算结果表明:1)疲劳工况是结构设计的控制工况;2)支撑结构振动频率在风机工作频率1P和3P之间;3)风机工作时的气动阻尼可有效减少支撑结构振动和疲劳损伤。     

涡旋水流式网箱清洗设备的设计与实验

解决网箱养殖过程中网衣的清洗问题,设计涡旋式网箱清洗设备。应用伯努力方程和动量定理,对设备的水动力学参数进行了计算,通过公式推导和计算机程序模拟,设计出动力圆盘的结构参数及最佳喷水孔尺寸。通过水池模型试验,研究设备的水动力性能,制造出生产样机,并进行了海上清洗实验。结果显示,对藻类及其它附着物清洗效果良好,但对牡蛎及紫贻贝的清洗效果较差,可通过缩短清洗周期或采用其它方法来解决。     

国内外海上风电机组基础结构设计标准浅析

对国内外海上风电机组基础结构设计规范和相关标准进行了对比研究,结合我国海上风电机组基础结构设计开发中遇到的问题,论述海上风电机组基础结构设计中关于安全理念和设计荷载的设计方法和标准;分析对比各国规范对海上风电机组基础结构设计的推荐做法,剖析各国规范的设计理念和方法;比较海上风电机组基础结构与海洋石油平台在设计理念和设计标准方面的异同,并根据海上风电和海洋油气的行业特点,分析海上风电机组基础结构设计规范和海洋石油平台设计规范对于海上风电机组基础结构设计的适用性。在此基础上,基于我国海洋工程技术和海上风电产业的发展水平,提出发展我国海上风电机组基础结构的设计建议,指出我国海上风电开发中应注意和避免发生的问题。     

海上风电基础结构动力分析

针对单桩、三桩、四桩导管架3种常规海上风电基础结构型式动力特性展开研究。以模态分析为基础,获得结构整体固有频率和振型;进而综合运用谐响应分析、瞬态分析、谱分析等方法,对基础结构在简谐荷载、冲击荷载、地震荷载及波浪荷载作用下的动力响应特性进行了数值模拟计算和分析。结果显示:本设计中的单桩、三桩、四桩基础结构刚度依次增大,一阶固有频率递增;对于相同的动力荷载激励,基础结构动力响应递减;基础结构设计中既要保证结构具有足够的刚度以满足荷载作用下的变形控制要求,还要使基础刚度适中以避免共振。为海上风电基础结构动力分析提供了参考。     

导管架式海上风力发电支撑结构振型扩阶方法

提出1种适用于海上风力发电支撑结构的模态振型扩阶方法。该方法无需借助转换矩阵实现振型扩阶,而是依靠实测模态并通过修正有限元模型对应振型在未测试自由度的振型值而获得空间完备的模态振型,并且所发展的方法在一定程度上可以忽略有限元模型存在的建模误差,是1种直接的估算方法,计算效率相对较高。文中采用三桩导管架式海上风力发电支撑结构验证提出方法的正确性以及在低阶模态振型扩阶上的优越性。数值结果表明,该方法对传感器位置、数量依赖程度低,尤其对于海上风电结构,仅在结构的水深较浅部位布置少数传感器即可比较精确的实现低阶模态振型扩阶,具有良好的工程应用前景。     

Dynamic Analysis of A 5-MW Tripod Offshore Wind Turbine by Considering Fluid–Structure Interaction

Fixed offshore wind turbines usually have large underwater supporting structures. The fluid influences the dynamic characteristics of the structure system. The dynamic model of a 5-MW tripod offshore wind turbine considering the pile–soil system and fluid structure interaction (FSI) is established, and the structural modes in air and in water are obtained by use of ANSYS. By comparing low-order natural frequencies and mode shapes, the influence of sea water on the free vibration characteristics of offshore wind turbine is analyzed. On basis of the above work, seismic responses under excitation by El-Centro waves are calculated by the time-history analysis method. The results reveal that the dynamic responses such as the lateral displacement of the foundation and the section bending moment of the tubular piles increase substantially under the influence of the added-mass and hydrodynamic pressure of sea water. The method and conclusions presented in this paper can provide a theoretical reference for structure design and analysis of offshore wind turbines fixed in deep seawater.     

海上风电场基础结构设计综述

针对我国海上风电场开发建设的现状和发展趋势,结合海上风电场基础结构设计研发现状和存在的问题,探讨海上风电场基础结构设计的关键问题——设计理念、设计方法和设计标准等,分析海上风电场基础结构的结构、荷载和服役特点,分析海上风电场基础结构与水工结构和海洋石油平台设计的异同。并根据海上风电和海洋石油的行业特点,分析API规范和DNV规范对于海上风电场基础结构设计的适用性,阐述了海上风电场基础结构设计的特殊性、荷载取值和参考标准等问题。基于我国海洋工程技术发展水平和海上风电产业的发展趋势,提出发展适合我国国情的海上风电场基础结构型式及设计,指出我国海上风电产业发展应注意和避免发生的问题。     

Dynamic Analysis of A 5-MW Tripod Offshore Wind Turbine by Considering Fluid–Structure Interaction

Fixed offshore wind turbines usually have large underwater supporting structures.The fluid influences the dynamic characteristics of the structure system.The dynamic model of a 5-MW tripod offshore wind turbine considering the pile–soil system and fluid structure interaction(FSI) is established,and the structural modes in air and in water are obtained by use of ANSYS.By comparing low-order natural frequencies and mode shapes,the influence of sea water on the free vibration characteristics of offshore wind turbine is analyzed.On basis of the above work,seismic responses under excitation by El-Centro waves are calculated by the time-history analysis method.The results reveal that the dynamic responses such as the lateral displacement of the foundation and the section bending moment of the tubular piles increase substantially under the influence of the added-mass and hydrodynamic pressure of sea water.The method and conclusions presented in this paper can provide a theoretical reference for structure design and analysis of offshore wind turbines fixed in deep seawater.     

Dynamic analysis of tension leg platform for offshore wind turbine support as fluid-structure interaction

Tension leg platform (TLP) for offshore wind turbine support is a new type structure in wind energy utilization.The strong-interaction method is used in analyzing the coupled model,and the dynamic characteristics of the TLP for offshore wind turbine support are recognized.As shown by the calculated results:for the lower modes,the shapes are water’s vibration,and the vibration of water induces the structure’s swing;the mode shapes of the structure are complex,and can largely change among different members;the mode shapes of the platform are related to the tower’s.The frequencies of the structure do not change much after adjusting the length of the tension cables and the depth of the platform;the TLP has good adaptability for the water depths and the environment loads.The change of the size and parameters of TLP can improve the dynamic characteristics,which can reduce the vibration of the TLP caused by the loads.Through the vibration analysis,the natural vibration frequencies of TLP can be distinguished from the frequencies of condition loads,and thus the resonance vibration can be avoided,therefore the offshore wind turbine can work normally in the complex conditions.     

渤海海域单柱三桩式海上风电结构冰激振动分析

针对渤海某区域以单柱三桩式结构为支撑的海上风电系统进行了冰激振动分析。首先模拟风电结构具有显著动力特性差异的主-从式结构特征,根据工程场址海域冰情条件,设置了合理的海冰分析工况,随后依据概化冰力函数确定作用于风电基础结构上的动冰力时程,开展全时域瞬态动力分析。通过对计算结果的详尽分析,选定表征冰与风电结构相互作用进程的综合控制因子Ic,建立基于综合控制因子的冰振事件区划及其出现概率的预判方法。相关方法将为渤海海域风电工程结构冰激振动问题的预判与评估提供参考。     

冰区海上风机支撑结构疲劳评估方法研究

采用谱分析的方法,对冰区作业的海上风机支撑结构进行疲劳损伤评估。基于风冰散布图,将海上风机所受的风载荷和连续挤压冰载荷作为系统输入,热点应力作为输出,运用随机振动理论与主应力线性化方法,对冰区海上风机支撑结构进行疲劳评估。以某2 MV海上风机支撑结构为计算实例,验证频域疲劳评估方法的准确性。频域方法与时域方法计算结果吻合较好,证明了频域方法的快速有效,可用于快速评估风机支撑结构的疲劳损伤。     

支撑结构频率对海上风机动力响应的影响机理研究

海上支撑结构的优化设计是海上风机技术发展的必然趋势,降低支撑结构的载荷是保证风机安全运行的有效途径。海上支撑结构受到风浪复杂环境荷载作用,风、浪载荷决定着塔底承受较大的剪力和倾覆力矩,同时风浪的随机性和周期性会影响塔架的疲劳载荷。基于海上风机支撑结构频率对载荷影响的研究,分析海上支撑结构频率对叶片根部挥舞和摆振响应的影响,探究频率对风机响应的影响机理。研究表明：波浪频率诱导是基础疲劳载荷响应的主要原因;开展单桩基础设计,当整机频率确定时,基础变径段可设置于浪溅区下部区域范围;叶片摆振响应受1P频率影响较大,在风机设计时可增加叶片摆振方向的阻尼;当整机频率邻近3P频率时,塔筒刚度变化对基础载荷响应的影响大于基础刚度变化;海上支撑结构设计时可优先考虑塔筒刚度。