海上浮式风机平台动力特性的研究

发布时间：2017-10-16 20:32

  本文关键词：海上浮式风机平台动力特性的研究

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【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。
【关键词】：海上浮式风机 气动阻尼 时域耦合分析 系泊疲劳
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315;U661.3;U674.37
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 研究现状与不足14-19
• 1.2.1 浮式风机平台频域响应分析15-16
• 1.2.2 浮式风机平台时域耦合分析16-17
• 1.2.3 浮式风机平台系泊疲劳寿命分析17-19
• 1.3 本文研究的主要内容19-20
• 第2章 海洋环境的模拟与荷载计算20-27
• 2.1 风与风荷载20-22
• 2.1.1 风场的模拟20-21
• 2.1.2 风荷载的计算21-22
• 2.2 波浪与波浪荷载22-26
• 2.2.1 波浪的模拟22-24
• 2.2.1.1 线性波浪理论22-23
• 2.2.1.2 随机波浪23-24
• 2.2.2 波浪力的计算24-26
• 2.2.2.1 莫里森方程24
• 2.2.2.2 绕射理论24-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第3章 浮式风机平台频域响应分析27-41
• 3.1 概述27
• 3.2 气动阻尼27-31
• 3.2.1 产生机理与对平台运动的影响27-28
• 3.2.2 气动阻尼的计算28-30
• 3.2.3 气动阻尼矩阵30-31
• 3.3 水动力系数和系泊刚度31-32
• 3.3.1 水动力系数31-32
• 3.3.2 系泊刚度32
• 3.4 频域内运动方程32-35
• 3.4.1 浮式平台运动方程的建立32-34
• 3.4.2 幅频响应算子与响应谱34-35
• 3.5 算例分析35-40
• 3.5.1 计算模型35
• 3.5.2 分析工况35-36
• 3.5.3 计算结果36-40
• 3.5.3.1 气动阻尼比36-37
• 3.5.3.2 幅频响应算子37-38
• 3.5.3.3 响应谱38-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第4章 浮式风机平台耦合时域分析41-58
• 4.1 概述41
• 4.2 浮式结构时域分析基本理论41-44
• 4.2.1 时域内附加质量与延迟函数的计算41-43
• 4.2.2 时域内波浪力的计算43-44
• 4.2.3 浮式平台时域内的运动方程44
• 4.3 浮式风机时域耦合分析方法44-46
• 4.3.1 分析软件44-45
• 4.3.2 分析流程45-46
• 4.4 分析模型46-50
• 4.4.1 质量与水动力模型47-48
• 4.4.2 系泊模型48-49
• 4.4.3 分析工况49-50
• 4.5 计算结果与分析50-57
• 4.5.1 耦合动力效应分析50-51
• 4.5.2 瞬态响应分析51-53
• 4.5.3 浮式平台的位移响应谱分析53-57
• 4.5.3.1 作业工况下平台的位移响应谱53-55
• 4.5.3.2 自存工况下平台的位移响应谱55-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第5章 浮式风机平台系泊疲劳寿命分析58-68
• 5.1 概述58
• 5.2 环境荷载58-60
• 5.2.1 风场的模拟58-59
• 5.2.2 气动荷载59
• 5.2.3 随机波浪与水动力荷载59-60
• 5.3 耦合分析模型60
• 5.4 系泊疲劳寿命分析方法60-61
• 5.4.1 系泊的T-N曲线60
• 5.4.2 系泊疲劳寿命计算60-61
• 5.5 计算模型与环境参数61-63
• 5.5.1 计算模型61-62
• 5.5.2 环境参数与分析工况62-63
• 5.6 计算结果与分析63-67
• 5.6.1 气动荷载的影响63
• 5.6.2 湍流强度的影响63-64
• 5.6.3 纵荡位移与系泊张力分析64-67
• 5.7 结论67-68
• 结论与展望68-70
• 参考文献70-75
• 致谢75-76
• 附录A (攻读学位期间所发表的学术论文及参与的项目)76

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本文编号：1044756